CN108871569A - 一种测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的方法及系统 - Google Patents
一种测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及激光技术领域，公开了一种测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的方法及系统。本发明通过改变柱面透镜的旋转角构造出两个简单的像散光学系统，再通过对各向同性扭曲高斯谢尔模源经过各个像散光学系统后的光强二阶矩的测量，间接获得了各向同性扭曲高斯谢尔模源的扭曲因子。该测量装置结构简单紧凑，制造成本低，易于实现，且基于上述特性，本发明的测量方法和系统在自由空间光通信、二次谐波产生、光学照明等方面均具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的方法及系统。
背景技术
20世纪60年代以来，激光凭借着其独特的高相干性、单色性、高亮度以及准直性在众多领域得到应用，如国防安全、通信技术、化学、生物、医疗等。随着激光技术的不断发展，人们对激光束的性能要求也日趋提高，因此激光束各个参数的调控显得尤为重要。
众所周知，相干、偏振和相位是激光的基本特性。一般地，相位分为常规相位、扭曲相位以及涡旋相位三类。与其他相位不同的是，扭曲相位只能在部分相干光中存在，它与光场传输垂直平面内两点位置相关。携带扭曲相位的部分相干光束具有轨道角动量，通过对扭曲相位的调控可精准控制光束的轨道角动量，这在光学超分辨、微粒俘获以及大气激光通信中具有重要的应用前景。
高斯谢尔模光束是一种典型的部分相干光束，该光束携带扭曲相位称为扭曲高斯谢尔模光束，最早由Simon等人在1993年提出。由于扭曲相位的固有手性特征，扭曲高斯谢尔模光束在传播过程中会沿着光轴发生旋转。1993年，Simon利用魏格纳分布函数以及方差矩阵推导出该光束的理论产生矩阵。随后，1994年Friberg等人在此基础上通过六个特殊位置摆放的柱透镜系统在实验上成功产生了各向同性扭曲高斯谢尔模光束，并研究了该光束在自由空间中的传输特性。研究表明，扭曲高斯谢尔模光束在二次谐波产生、微粒操控、光学照明等方面具有很大的应用。
扭曲相位赋予了光场新的特性，而扭曲因子作为扭曲相位调控中最重要的参量也越来越受关注。因此，如何测量光场中扭曲因子的大小显得尤为重要。据了解，目前该方面的研究一直处于空缺状态。本发明旨在提出一种测量各项同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的方法和系统，通过测量该光束经过特定光学系统后的光强分布，可间接获得各向同性扭曲高斯谢尔模源的扭曲因子大小。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种操作简单，具有实际应用价值的测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的方法，以及结构简单、制造成本低的各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的测量系统。
为达到上述目的，本发明提供了一种测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的方法，包括如下步骤：
S1、获取所述各向同性扭曲高斯谢尔模光束的初始光强分布图；
S2、获取所述各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过第一像散光学系统后，在所述第一像散光学系统后焦面上形成的第一光强分布图；
S3、对所述第一光强分布图拟合分析，得到所述第一光强分布图在相互垂直的第一方向和第二方向上的光强二阶矩V1和V2；
S4、获取所述各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过第二像散光学系统后，在所述第二像散光学系统后焦面上形成的第二光强分布图，
其中，所述第二像散光学系统由所述第一像散光学系统旋转得到；
S5、对所述第二光强分布图拟合分析，得到所述第二光强分布图在所述第一方向和所述第二方向上的光强二阶矩V1'和V2'；
S6、对所述初始光强分布图拟合分析，得到所述初始光强分布图在所述第一方向或所述第二方向上的光强二阶矩V0；
S7、计算扭曲因子其中，f表示所述第一像散光学系统的焦距。
进一步地，所述第一像散光学系统包括柱面透镜，所述柱面透镜与各向同性扭曲高斯谢尔模光束发射源同轴设置。
进一步地，所述各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过位于第一位置的所述柱面透镜时，在所述柱面透镜的后焦面处形成所述第一光强分布图；
所述各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过位于第二位置的所述柱面透镜时，在所述柱面透镜的后焦面处形成所述第二光强分布图；
其中，所述第二位置由所述第一位置绕所述柱面透镜的轴心旋转得到。
进一步地，所述第一光强分布图和所述第二光强分布图均为归一化光强分布图。
本发明还提供了一种测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的系统，包括：
各向同性扭曲高斯谢尔模光束发射源；以及，
与所述各向同性扭曲高斯谢尔模光束发射源同轴设置的柱面透镜；以及，
设置在所述柱面透镜后焦面上的图像传感器。
进一步地，还包括用于计算扭曲因子并输出计算结果的计算机处理系统。
进一步地，所述计算机处理系统与所述图像传感器电连接，用于将所述图像传感器记录的光强分布图拟合并计算出所述光强分布图的光强二阶矩，并通过所述光强二阶矩计算所述扭曲因子。
进一步地，所述光强分布图为归一化光强分布图。
进一步地，所述图像传感器为CCD。
借由上述方案，本发明的测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的方法和系统至少具有以下优点：
本发明通过记录各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过第一像散光学系统和第二像散光学系统在后焦面上形成的光强分布图案，拟合得到相应的光强二阶矩，代入公式即可求得该各向同性扭曲高斯谢尔模光束的扭曲因子。该测量方法填补了各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子测量方法上的空缺，同时该方法的测量系统结构简单、制造成本低，易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的系统一个实施例的结构示意图；
图2是图1所述实施例的第一像散光学系统的结构示意图；
图3是图1所述实施例的第二像散光学系统的结构示意图；
图4是图1所述实施例的各向同性扭曲高斯谢尔模光束在源平面上的归一化光强分布图；
图5是图1所述实施例的各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过第一像散光学系统后在其后焦面上的归一化光强分布图；
图6是图1所述实施例的各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过第二像散光学系统后在其后焦面上的归一化光强分布图。
图中各符号表示如下：
1、各向同性扭曲高斯谢尔模光束发射源，2、柱面透镜，3、CCD。
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作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。
实施例
取各向同性扭曲高斯谢尔模光束的传播方向为z方向，与z方向垂直的平面为x-y平面。如图1所示，波长为532nm的各向同性扭曲高斯谢尔模光束从发射源1发出，经过柱面透镜2(焦距为f＝100mm)后在自由空间传输，并由设置在柱面透镜2后焦面处的CCD3记录各向同性扭曲高斯谢尔模光束在后焦面上形成的光强分布图。首先使用CCD3记录各向同性扭曲高斯谢尔模光束在源平面上的归一化光强分布图，即初始光强分布图，如图4所示，表示初始的各向同性扭曲高斯谢尔模光束具有圆对称光强分布，即x方向和y方向上的光强二阶矩大小相同。其中，各向同性扭曲高斯谢尔模源的交叉谱密度表征为：
上式中，I为归一化光强，ω0和δ0分别表示各向同性扭曲高斯谢尔模光束的光斑尺寸以及横向相干宽度，J为2×2阶反对称矩阵，μ0为扭曲因子。由于交叉谱密度的非负正定性条件，扭曲因子存在一个上限，即本实施例中光束的固定参数选取为：ω0＝0.289mm,δ0＝0.074mm,μ0＝0.003(mm)-1。
令r＝(r1+r2)/2,r′＝r1-r2，各向同性扭曲高斯谢尔模光束的魏格纳分布函数以及二阶矩表示如下：
其中qT＝(rT,pT)＝(x,y,px,py)，且r≡(x,y)为光束横截面上任意位置矢量，p≡(px,py)为任意方向矢量。经一系列积分运算，有 <xy>＝<pxpy>＝<xpx>＝<ypy>＝0。因此，各向同性扭曲高斯谢尔模光束的二阶统计特性可由二阶矩矩阵V充分表征。其中Vij(i,j＝1,2,3,4)表示各项同性扭曲高斯谢尔模发射源1二阶矩矩阵V的矩阵元。
在近轴近似情况下，光束经过像散光学系统的传输公式满足：Vout＝SVinST。
令柱面透镜2的母线相对x轴的旋转角为θ，取θ＝0°时的柱面透镜2构成第一像散光学系统，θ＝45°时的柱面透镜2构成第二像散光学系统，如图2～3所示。该像散光学系统可用一个4×4阶线性变换矩阵描述其对光束传输的影响：
其中，ε为2×2阶单位矩阵，0表示2×2阶零矩阵。
因此，各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过旋转θ的柱面透镜2后，到达柱面透镜2的后焦面上时，对应的线性变换矩阵S表示如下：
各向同性扭曲高斯谢尔模光束在该线性变换矩阵S的作用下，得到新的各向同性扭曲高斯谢尔模光束二阶矩矩阵V′＝SVST，且有：
其中，V′ij(i,j＝1,2,3,4)为各项同性扭曲高斯谢尔模光束在线性变换矩阵S作用下二阶矩矩阵V'的矩阵元，且V′11和V′22分别表示各向同性扭曲高斯谢尔模光束在第一方向(x方向)和第二方向(y方向)上的光强二阶矩。
θ＝0°时，即各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过第一像散光学系统，并沿z轴正向传播至其后焦面处，可以推算得到且采用CCD3记录柱面透镜2后焦面处的第一光强分布图，如图4所示。
当θ＝45°时，即各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过第二像散光学系统后，在柱面透镜2的后焦面上形成第二光强分布图，并用CCD3记录，如图5所示。此时光束的光强二阶矩可表示为：
通过各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过上述两个简单像散光学系统后的光强二阶矩表达式，可间接计算出各向同性扭曲高斯谢尔模源的扭曲因子：
其中，V′11(0),V′22(0),V′11(45°),V′22(45°)及V11均可根据CCD3所记录到的光强分布图在与CCD3电连接的计算机处理系统中拟合计算得到，再将上述数据代入扭曲因子计算公式即可得到扭曲因子μ0＝0.003(mm)-1，最后由计算机处理系统输出结果。
综上所述，本发明填补了各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子测量方法的空缺，通过改变柱面透镜2的旋转角构造出两个简单像散光学系统，并通过对各向同性扭曲高斯谢尔模源经过该系统后光强二阶矩的测量，间接获得了各向同性扭曲高斯谢尔模源的扭曲因子。该测量装置结构简单紧凑，制造成本低，易于实现，且基于上述特性，本发明的测量方法和系统在自由空间光通信、二次谐波产生、光学照明等方面均具有广阔的应用前景。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取所述各向同性扭曲高斯谢尔模光束的初始光强分布图；
S2、获取所述各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过第一像散光学系统后，在所述第一像散光学系统后焦面上形成的第一光强分布图；
S3、对所述第一光强分布图拟合分析，得到所述第一光强分布图在相互垂直的第一方向和第二方向上的光强二阶矩V1和V2；
S4、获取所述各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过第二像散光学系统后，在所述第二像散光学系统后焦面上形成的第二光强分布图，
其中，所述第二像散光学系统由所述第一像散光学系统旋转得到；
S5、对所述第二光强分布图拟合分析，得到所述第二光强分布图在所述第一方向和所述第二方向上的光强二阶矩V1'和V2'；
S6、对所述初始光强分布图拟合分析，得到所述初始光强分布图在所述第一方向或所述第二方向上的光强二阶矩V0；
S7、计算扭曲因子其中，f表示所述第一像散光学系统的焦距。
2.根据权利要求1所述的测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的方法，其特征在于：所述第一像散光学系统包括柱面透镜，所述柱面透镜与各向同性扭曲高斯谢尔模光束发射源同轴设置。
3.根据权利要求2所述的测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的方法，其特征在于：
所述各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过位于第一位置的所述柱面透镜时，在所述柱面透镜的后焦面处形成所述第一光强分布图；
所述各向同性扭曲高斯谢尔模光束经过位于第二位置的所述柱面透镜时，在所述柱面透镜的后焦面处形成所述第二光强分布图；
其中，所述第二位置由所述第一位置绕所述柱面透镜的轴心旋转得到。
4.根据权利要求1所述的测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的方法，其特征在于：所述第一光强分布图和所述第二光强分布图均为归一化光强分布图。
5.一种测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的系统，其特征在于，包括：
各向同性扭曲高斯谢尔模光束发射源；以及，
与所述各向同性扭曲高斯谢尔模光束发射源同轴设置的柱面透镜；以及，
设置在所述柱面透镜后焦面上的图像传感器。
6.根据权利要求5所述的测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的系统，其特征在于：还包括用于计算扭曲因子并输出计算结果的计算机处理系统。
7.根据权利要求6所述的测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的系统，其特征在于：所述计算机处理系统与所述图像传感器电连接，用于将所述图像传感器记录的光强分布图拟合并计算出所述光强分布图的光强二阶矩，并通过所述光强二阶矩计算所述扭曲因子。
8.根据权利要求7所述的测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的系统，其特征在于：所述光强分布图为归一化光强分布图。
9.根据权利要求5所述的测量各向同性扭曲高斯谢尔模光束扭曲因子的系统，其特征在于：所述图像传感器为CCD。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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