CN107144983A - 相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光束的传输与调控技术，公开了一种相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置及方法，方法包括：激光器输出的完全相干光束经扩束装置扩束后，入射到空间光调制器上；在空间光调制器上加载随机度随时间变化的动态随机相位；入射光束经过该空间光调制器反射后，得到相干度随时间可控变化的部分相干光束。本发明直接利用完全相干光束产生相干度随时间可控变化的部分相干光束，原理科学，容易实现；装置结构简单，易于调整，稳定性好；本发明提供的相干度随时间可控变化的部分相干光束产生的方法，可实际应用于激光通信、激光加工、微粒捕获等领域。

Description

相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置及方法

技术领域

本发明涉及光束的调控技术，具体涉及一种利用空间光调制器产生相干度随时间可控变化部分相干光束的方法及其装置，可以方便高效地产生相干度随时间可控变化的部分相干光束，应用于激光通信、激光加工、微粒捕获等领域。

背景技术

激光由于其高相干性、良好的方向性和单色性等优点，被广泛地应用于工业加工、遥感探测、信息存储、光纤通信等众多领域。但是在有些应用中，激光的高相干性会带来一些负面的影响。例如高相干性的激光会产生严重的散斑现象，这影响了激光在显示和成像等方面的应用。此外，高相干性的激光光束在大气等湍流介质中传输时，也更容易引起畸变以及抖动，这影响了激光在通信探测等方面的应用。部分相干光不仅保持了完全相干激光光束的高方向性和高亮度的特点，还具有抗散斑、抗大气湍流扰动影响的特性，被广泛用于激光加工等领域。

目前常用的产生部分相干光束的方法包括以下两种：1.激光器输出的光束经过望远镜系统进行扩束，在构成望远镜系统的双透镜共焦点处附近放入旋转的毛玻璃，通过控制毛玻璃的位置，可以定性地调控光束的相干性。2.在光束的光路中加入声光调制晶体或者介电弹性体驱动器。

目前实验上产生部分相干光的方法，主要都是相干度随时间固定不变的部分相干光，没有涉及相干度随时间可控变化的部分相干光的产生方法。光束的光强分布会受到光束的相干度特性的影响，随着光束相干度的降低，光斑的尺寸将变大，光功率密度将减小。如果部分相干光的相干度可以随时间可控变化，就意味着光斑的尺寸和光功率密度都是可控变化的。因此这种相干度随时间可控变化的部分相干光束在激光加工、光学微粒操控有重要的应用价值。随着激光技术在工业应用方面的发展，部分相干光束的产生与应用是一个热点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置及方法，本发明所提供的装置可直接产生相干度随时间可控变化的部分相干光束，操作简单，通过控制空间光调制器上的随机相位，可实现对部分相干光束的相干度的调控；通过改变空间光调制器上随机相位随时间变化的规律，可使得部分相干光束的相干度随时间可控变化，克服了现有技术存在的不足。本发明技术方案所产生的相干度随时间可控变化的部分相干光束，在微粒捕获、激光加工等方面有着重要的应用价值。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置，依次包括：激光器、扩束装置、偏振片、空间光调制器和第一计算机；所述扩束装置接收所述激光器产生的完全相干光束，进行扩束后发射给所述偏振片；所述偏振片接收所述扩束装置发射的扩束光束，生成偏振光束后入射到所述空间光调制器；所述空间光调制器与所述第一计算机相连接用于加载所述第一计算机生成的随机度随时间变化的动态随机相位图，对所述偏振光束进行相干性调制，获得相干度随时间可控变化的部分相干光束。

优选的，相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置，还包括：

双缝、光束分析仪和第二计算机；所述第二计算机与所述光束分析仪相连接；所述空间光调制器反射输出的部分相干光束依次经由所述双缝、光束分析仪和第二计算机，并由所述第二计算机进行相干度的测量。

优选的，所述空间光调制器为反射式相位型空间光调制器。

优选的，所述扩束装置依次包括短焦距凸透镜和长焦距凸透镜；所述激光器发出的完全相干光束经过短焦距凸透镜和长焦距凸透镜进行准直扩束。

一种相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生方法，包括如下步骤：

由激光器发出完全相干光束，经扩束装置扩束后，经由偏振片后入射到空间光调制器上；

在空间光调制器上加载第一计算机生成的随机度随时间变化的动态随机相位图；

经空间光调制器进行相干性调制，获得相干度随时间可控变化的部分相干光束。

优选的，所述方法还包括：

空间光调制器反射输出的部分相干光束依次经由所述双缝、光束分析仪和第二计算机，并由所述第二计算机进行相干度的测量。

本发明的原理是通过控制空间光调制器上的动态随机相位随时间变化规律，克服现有技术无法实现部分相干光束的相干度随时间可控变化。利用空间光调制器对入射光束进行相位调控，具体为在激光出射的完全相干光束的基础上加入了动态的相位调控，此时光束的相位将随时间发生变化，从而完全相干光束被调制为部分相干光束，光束的相干度由加载动态相位的随机度所决定，动态相位的随机度越大，则光束的相干度越低。根据这一原理，在空间光调制加载上随机度随时间可控变化的动态随机相位，就可以实现控制部分相干光束的相干性随时间可控变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、直接利用完全相干光束产生部分相干光束，方法简单，可靠；

2、通过控制空间光调制器上的动态随机相位，所产生的部分相干光束的相干度可以随时间可控变化；

3、所提供的相干度随时间可控变化的部分相干光束的装置结构简单，易于调整。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置及方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中在空间光调制器上加载的动态随机相位图的静态示意图；其中，图2(a)的随机度a＝0.1；图2(b)的随机度a＝0.5；图2(c)的随机度a＝1；

图3为本发明实施例中测量的部分相干光束的相干度曲线随时间变化曲线；其中，图3(a)表示一种相干度随时间逐渐减小的部分相干光束，图3(b)表示一种相干度随时间逐渐增加的部分相干光束3(b)。

附图标记：1、激光器，2、短焦距凸透镜，3、长焦距凸透镜，4、偏振片，5、空间光调制器，6、第一计算机，7、双缝，8、光束分析仪，9、第二计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供的一种相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生及测量装置的结构示意图，其具体结构的示意图参见附图1所示；该装置依次包括激光器1、短焦距凸透镜2、长焦距凸透镜3、偏振片4、空间光调制器5、控制空间光调制器的第一计算机6、双缝7、光束分析仪8、用于测量的第二计算机9。

本实施例提供的一种相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生方法，包括以下步骤：

步骤1，将激光器1打开，完全相干的激光光束经过短焦距透镜2和长焦距透镜3准直扩束后，再经线偏振片4形成线偏振光；

步骤2，线偏振光入射到相位型空间光调制器5，经过记载了动态随机相位的空间光调制器反射的光束即为部分相干光束；利用计算机6控制相位型空间光调制器的相位分布，可以有效方便地控制部分相干光束的相干度。

步骤3，空间光调制器的反射光经由双缝7、光束分析仪8及与其相连接的第二计算机9组成测量装置，用于测量部分相干光束的相干度。

具体的，在本实施例中，由激光器1发出的完全相干光束，经过短焦距凸透镜2和长焦距凸透镜3进行扩束。本实施例中的激光器1为氦氖激光器，输出功率为10mW，波长为633nm；短焦距透镜2的焦距f＝15mm，长焦距透镜3的焦距f＝60mm。扩束后的激光光束经过偏振片4，获得线偏振光束。

线偏振光入射到空间光调制器5，该空间光调制器5为反射式相位型空间光调制器(德国HOLOEYE，PLUTO)，其上加载动态随机相位由第一计算机6控制。利用第一计算机6通过控制相位型空间光调制器5的相位分布，可以有效方便地控制部分相干光束的相干度。

附图2所示为灰度值空间随机分布的相位图的静态结果，在实验中利用随机函数产生出灰度值空间随机分布的相位图。为了获得相干度随时间变化的部分相干光，选取了不同变化幅度的随机函数。其中随机函数的变化幅度参量用a表示，其中图2(a)的随机度a＝0.1；图2(b)的随机度a＝0.5；图2(c)的随机度a＝1。随机函数所对应的灰度变化为0.5-a到0.5+a。对于每一个的随机函数，获得300个相位图。利用这300个相位图组成一个动态图像，将该动态图像加载到空间光调制器。当激光经该空间光调制器反射，就可以获得某一特定相干度范围的部分相干光束。

为了实现部分相干光束的相干度随时间的可控变化。把不同随机函数所对应的动态图像，进行一定的排序，并将其组合成一个随机度随时间可控变化的动态图。将这个随机度随时间可控变化的动态相位加载到空间光调制器上，当激光经过该空间光调制器反射，即可产生相干度随时间可控变化的部分相干光束。通过合理的控制动态相位的随机度变化规律，可以使得部分相干光的相干度实现某一特定类型的随时间变化规律。

在本实施案例中，双缝7、光束分析仪8及与其相连接的第二计算机9组成测量装置，用于测量部分相干光束的相干度。

附图3所示为本实施例提供的一种相干度随时间逐渐减小的部分相干光束3(a)和一种相干度随时间逐渐增加的部分相干光束3(b)。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置，其特征在于，依次包括：激光器(1)、扩束装置、偏振片(4)、空间光调制器(5)和第一计算机(6)；所述扩束装置接收所述激光器(1)产生的完全相干光束，进行扩束后发射给所述偏振片(4)；所述偏振片(4)接收所述扩束装置发射的扩束光束，生成偏振光束后入射到所述空间光调制器(5)；所述空间光调制器(5)与所述第一计算机(6)相连接用于加载所述第一计算机(6)生成的随机度随时间变化的动态随机相位图，对所述偏振光束进行相干性调制，获得相干度随时间可控变化的部分相干光束。

2.根据权利要求1所述的相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置，其特征在于，所述相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置，还包括：

双缝(7)、光束分析仪(8)和第二计算机(9)；所述第二计算机(9)与所述光束分析仪(8)相连接；所述空间光调制器(5)反射输出的部分相干光束依次经由所述双缝(7)、光束分析仪(8)和第二计算机(9)，并由所述第二计算机(9)进行相干度的测量。

3.根据权利要求1所述的相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置，其特征在于：

所述空间光调制器(5)为反射式相位型空间光调制器。

4.根据权利要求1所述的相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置，其特征在于：

所述扩束装置依次包括短焦距凸透镜(2)和长焦距凸透镜(3)；所述激光器(1)发出的完全相干光束经过短焦距凸透镜(2)和长焦距凸透镜(3)进行准直扩束。

5.一种相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生方法，其特征在于，包括如下步骤：

由激光器(1)发出完全相干光束，经扩束装置扩束后，经由偏振片(4)后入射到空间光调制器(5)上；

在空间光调制器(5)上加载第一计算机(6)生成的随机度随时间变化的动态随机相位图；

经空间光调制器(5)进行相干性调制，获得相干度随时间可控变化的部分相干光束。

6.根据权利要求5所述的相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生方法，其特征在于，所述方法还包括：

空间光调制器(5)反射输出的部分相干光束依次经由所述双缝(7)、光束分析仪(8)和第二计算机(9)，并由所述第二计算机(9)进行相干度的测量。