[发明专利]基于卷积神经网络的光束轨道角动量谱测量方法与系统

权利要求书

1.一种基于卷积神经网络的光束轨道角动量谱测量方法，其特征在于，采用本发明的纯相位OAM谱测量光栅将待测涡旋光束衍射，远场衍射的光场分布与待测涡旋光束的OAM谱相关，此时采用面阵探测器测量远场衍射光场分布，经数据预处理之后，送入本发明所设计并搭建的卷积神经网络进行分析，卷积神经网络通过前向传输计算后直接得到待测光束的轨道角动量谱：

(1)纯相位轨道角动量谱测量光栅具有如下特征：

其相位分布函数为：

其中，a和b是光栅的两个基本参数，表征光栅周期的变化梯度；x和y为光栅平面笛卡尔坐标，当待测光束经过该特殊设计的纯相位轨道角动量谱测量光栅后，远场衍射光场仅具有唯一衍射级，并将出现类似于厄米高斯光束的强度分布，且该强度分布与待测涡旋光束的轨道角动量谱构成一一映射；

(2)所搭建的卷积神经网络具有如下特征：

整个网络由输入层、7个卷积单元、全局平均池化层、2个全连接单元以及输出层组成；

输入层为b×128×128×1的单通道灰度图像，其中b为批训练数量；

卷积单元由具有一定数量卷积核的卷积层、激活函数“Leaky_relu”、最大池化层、Dropout组成，其中，第一个卷积单元具有32个卷积核，第二、三个卷积单元具有64个卷积核，第四、五个卷积单元具有128个卷积核，第六、七个卷积单元具有256个卷积核；

全连接单元由具有一定数量节点的全连接层、激活函数“Leaky_relu”、Dropout组成，其中第一个全连接单元具有512个节点，第二个全连接单元具有256个节点；

输出层为b×21的张量，即轨道角动量态取值范围为l∈{-10,-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}的待测涡旋光束的轨道角动量谱。

2.一种基于卷积神经网络的光束轨道角动量谱测量系统，其特征在于，由偏振转化器、液晶空间光调制器、薄凸透镜、面阵探测器、数据传输部、主机组成：

所述偏振转化器用于将入射待测涡旋光束转化为水平线偏振光，其原因在于后方的液晶空间光调制器仅可对水平线偏光实现纯相位调制；

所述液晶空间光调制器置于偏振转化器后方的激光光路中，用于加载权利要求1所述的纯相位轨道角动量谱测量光栅，将待测涡旋光束衍射；

所述薄凸透镜置于液晶空间光调制器后方的激光光路中，且其距离液晶空间光调制器的距离为焦距f，用于对光场做傅里叶变换以获得远场衍射；

所述面阵探测器置于透镜后方的激光光路中，且其距离薄凸透镜的距离为薄凸透镜的焦距f，用于测量并输出待测涡旋光束的远场衍射光场分布；

所述数据传输部与面阵探测器相机连接，用于传输远场衍射的光场分布；

所述主机，用于搭建并训练权利要求1所述的可测量光束轨道角动量谱的卷积神经网络，其接收来自于数据传输部的远场衍射光场分布，并进行前向传输计算，最终得到并输出待测涡旋光束的轨道角动量谱。