CN110119028B - 用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法及其光路 - Google Patents

用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法及其光路 Download PDF

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CN110119028B CN201910391498.1A CN201910391498A CN110119028B CN 110119028 B CN110119028 B CN 110119028B CN 201910391498 A CN201910391498 A CN 201910391498A CN 110119028 B CN110119028 B CN 110119028B
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Abstract

本发明公开了一种用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，包括设置光束整形参数；计算得到输入平面的复振幅和输出平面的复振幅；将目标振幅分解为两个相互垂直方向上的分量并确定两个方向上的相位差；得到修正复振幅和输入平面的相位；输出最终的输入平面的相位作为纯相位全息图；得到目标光束。本发明可以控制光场中任一点的振幅、相位和偏振态，实现任意形状、相位分布和偏振态的光束整形；同时，本发明方法得到的是一个纯相位全息图，方便使用空间光调制器或制成衍射光元件、位相片来实现，完成对光束振幅和相位的整形；方法快速，整形效果好，且适用光路及设备仪器简单；同时本发明提供的光路具有设置和校准简单等优点。

Description

用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法及其光路
技术领域
本发明具体涉及一种用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法及其光路。
背景技术
传统的激光器只能产生高斯轮廓或特定轮廓的光强光束，而实际科研和生产中，不同领域对光束的轮廓、偏振、相位分布等有不同的需求。近几十年对于激光光束的振幅、相位和偏振态的整形和研究显示，有目的地对光束进行整形，可以得到新的光束性质及应用。空间光调制器(SLM)是一种能对光波的振幅或位相进行调制的器件。通过在SLM上加载全息图，对入射光束的波前进行调制，来获得特定振幅、相位、及偏振分布的目标光束，能实现对粒子、纳米线或者细胞器等复杂操控，也可以将算法得到的相位分布制成相位片，进行光镊操作。
Gerchberg-Saxton(GS)算法是具有代表性的迭代型光束整形算法之一。经过近几年的研究和发展，研究人员提出一些基于GS的修正算法，但仅能同时对光束振幅和相位整形。现有能同时对光束的振幅、相位和偏振整形的算法和对应的方法，则存在一些缺陷：如目标光束必须能用数学表达式表达、产生的光束组合方式有限、光路搭建复杂和校准困难，且无法利用单个位相相片实现同时对任一点的振幅、相位和偏振态的控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现所述用于任意光束的振幅、相位和偏振的算法和外部光路，将复振幅整形算法实现的任意振幅、相位的重建光束进行复合，最终实现任意光束的振幅、相位和偏振的同时整形。
本发明提供的这种用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，包括如下步骤：
S1.设置光束整形参数；
S2.根据步骤S1设置的参数，计算得到输入平面的复振幅；
S3.根据步骤S2得到的输入平面的复振幅，计算得到输出平面的复振幅；
S4.根据正交分解，将目标振幅分解为两个相互垂直方向上的分量，再根据每个点的目标偏振态，确定两个方向上的相位差；
S5.根据实际整形的目标复振幅和输入光束的复振幅，得到修正复振幅；
S6.根据步骤S5得到的修正复振幅，计算得到输入平面的相位；
S7.将步骤S6得到的输入平面的相位带入步骤S3中的输入平面的复振幅，并重复步骤S3～S6，直至满足事先设定的条件，并输出最终的步骤S6得到的输入平面的相位作为纯相位全息图；
S8.将经过整形后具有特定振幅和相位的偏振光束，在棱镜的作用下被分割成两束，分别在半波片的作用下调整偏振方向，最终在合束器中复合，得到目标光束。
步骤S1所述的光束整形参数，具体包括光束输入平面的约束振幅A0，入射光的初始相位P0，整形迭代次数为N，并随机获得入射光的初始相位；整形迭代次数为步骤S7所述的事先设定的条件。
所述的光束输入平面的约束振幅A0为平面型或高斯型。
步骤S2所述的计算得到输入平面的复振幅，具体为输入平面的复振幅为A0·exp(i·P0)；其中A0为光束输入平面的约束振幅，P0为入射光的初始相位，i为虚数单位，exp()为以e为底数的指数函数。
步骤S3所述的计算得到输出平面的复振幅，具体为采用正向传播函数计算得到输出平面的复振幅Uc＝T[A0·exp(i·P0)]，并计算得到输出平面的振幅Ac＝|Uc|和相位Pc＝angle(Uc)；其中，A0为光束输入平面的约束振幅，P0为入射光的初始相位，i为虚数单位，exp()为以e为底数的指数函数，T[]为正向传播函数，angle()为求相位角函数。
步骤S4所述的确定两个方向上的相位差，具体为采用如下算式计算两个方向上的相位差：
At＝At·Sx·cos(at)+At·Sy·sin(at)
Pt＝(Pt+b)·Sx+(Pt-b)·Sy
Ut＝[At·Sx·cos(at)+At·Sy·sin(at)]·exp{i·[(Pt+b)·Sx+(Pt-b)·Sy]}
式中At为目标振幅，Sx为x方向上的约束矩阵，at为目标振幅在x和y方向矢量分解的夹角，Sy为y方向上的约束矩阵，Pt为目标相位，b为x和y方向的相位差，i为虚数单位，exp()为以e为底数的指数函数，Ut为实际整形中的目标复振幅，x和y为两个相互垂直的方向。
步骤S5所述的得到修正复振幅，具体为计算修正复振幅U2为U2＝Ut+Ac·(I-Sx-Sy)·exp(i·Pc)；其中，Ut为实际整形的目标复振幅，Ac为输出平面的振幅，I为全1矩阵，Sx为x方向上的约束矩阵，Sy为y方向上的约束矩阵，Pc为输出平面的相位，i为虚数单位，exp()为以e为底数的指数函数。
步骤S6所述的计算得到输入平面的相位，具体为根据步骤S5得到的修正复振幅，采用逆向传播函数计算得到输入平面的相位P＝angle[T-1(U2)]；其中，T-1()为逆向传播函数，angle[]为求相位角函数。
正向传播函数为正向菲涅尔衍射变换，且逆向传播函数为逆向菲涅尔衍射变换；或者正向传播函数为正向傅立叶变换，且逆向传播函数为逆向傅立叶变换。
采用如下算式计算衍射效率η，并用衍射效率评估所述整形算法的效果：
Figure BDA0002055994270000041
式中Nx0和Ny0分别表示目标光束在输出平面x0和y0方向的总像素点数目；W(kx0,ky0)为窗函数，其取值规则为：目标振幅不为零的区域中，若某个像素点的目标振幅为零，则窗函数在该点的值为“0”，否则为“1”；Ax+y(kx0,ky0)为在与光传播方向垂直的平面中，x和y分解方向上两个振幅平面合成得到的整形目标振幅；在评估所述整形算法的效果时，衍射效率越高，则整形算法的效率越高。
采用如下算式计算振幅相对误差εA，并用振幅相对误差评估光束振幅整形的效果：
Figure BDA0002055994270000042
式中Nx0和Ny0分别表示目标光束在输出平面x0和y0方向的总像素点数目；W(kx0,ky0)为窗函数，其取值规则为：目标振幅不为零的区域中，若某个像素点的目标振幅为零，则窗函数在该点的值为“0”，否则为“1”；At(kx0,ky0)实际目标振幅；Ax+y(kx0,ky0)为在与光传播方向垂直的平面中，x和y分解方向上两个振幅平面合成得到的整形目标振幅；
Figure BDA0002055994270000051
为x和y分解方向上的两个振幅平面，经过外部光路叠加复合得到的重建振幅；在评估光束振幅整形的效果时，振幅相对误差越小，则光束振幅整形的效果越好。
采用如下算式计算相位相对误差εP，并用相位相对误差评估光束相位整形的效果：
Figure BDA0002055994270000052
式中Nx0和Ny0分别表示目标光束在输出平面x0和y0方向的总像素点数目；W(kx0,ky0)为窗函数，其取值规则为：目标振幅不为零的区域中，若某个像素点的目标振幅为零，则窗函数在该点的值为“0”，否则为“1”；Pt(kx0,ky0)为在点(kx0,ky0)处的目标相位；Px(kx0,ky0)为点(kx0,ky0)在与光传播方向垂直的平面中，x方向上的重建相位；在评估光束相位整形的效果时，相位相对误差越小，则光束相位整形的效果越好。
采用如下算式计算偏振相对误差εPL，并用偏振相对误差评估光束偏振整形的效果：
Figure BDA0002055994270000053
Figure BDA0002055994270000061
Figure BDA0002055994270000062
Figure BDA0002055994270000063
Eout0＝G·Et
Eout＝G·Erecon
式中Nx0和Ny0分别表示目标光束在输出平面x0和y0方向的总像素点数目；W(kx0,ky0)为窗函数，其取值规则为：目标振幅不为零的区域中，若某个像素点的目标振幅为零，则窗函数在该点的值为“0”，否则为“1”；Eout(kx0,ky0)为重建复振幅在偏振片作用下在点(kx0,ky0)处的复振幅；Eout0(kx0,ky0)为目标复振幅在偏振片作用下在点(kx0,ky0)处的复振幅；Et为目标复振幅的矢量形式；Erecon为重建复振幅的矢量形式；Axt、Ayt为目标振幅在x和y正交方向上的分解分量；Ax、Ay为重建振幅在x和y正交方向上的分解分量；Pxt、Pyt为目标振幅在x和y正交方向上的相位；Px、Py为重建振幅在x和y正交方向上的相位；i为虚数单位；exp()为以e为底数的指数函数；G为偏振片的琼斯矩阵；φ为偏振片光轴与水平方向的夹角；在评估光束偏振整形的效果时，偏振相对误差越小，则光束偏振整形的效果越好。
本发明还提供了一种实现所述用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法的光路，包括电荷耦合器件、第三透镜、偏振片、第三反射镜、第四反射镜、合束器、第二半波片、第三半波片、棱镜、第一反射镜、第二反射镜、激光器、第一半波片、第一透镜、第二透镜和空间光调制器；激光器、第一半波片、第一透镜和第二透镜连接；电荷耦合器件、第三透镜、偏振片和合束器连接；合束器的两个输出端分别连接第三反射镜和第四反射镜；第三反射镜、第二半波片、第一反射镜和棱镜依次连接；第四反射镜、第三半波片、第二反射镜和棱镜依次连接；棱镜的输出端和第二透镜的输出端同时连接空间光调制器；激光器发出的激光先通过第一半波片调整光束的偏振方向，再通过第一透镜和第二透镜进行放大焦斑，输入到空间光调制器的输入端；目标光束的振幅和相位，经过x和y正交分解后得到整形目标振幅和整形目标相位，并通过整形算法和衍射理论得到纯相位全息图，加载于空间光调制器中；激光经空间光调制器整形反射后，入射棱镜；光束经棱镜反射分束成分别有特定振幅和相位分布的两束光束，分别经过第一反射镜和第二反射镜反射，再分别经过不同光轴方向的第二半波片和第三半波片，调整两束光的偏振方向；两束光束最后再经过第三反射镜和第四反射镜，最终在合束器中复合成目标光束；在x和y方向的两束重建光束，在空间光调制器后的外部光路的作用下最终复合得到目标光束；目标光束经过第三透镜，最终在电荷耦合器件中成像；偏振片的目的为通过调整偏振光轴方向，检测目标光束是否实现偏振整形。
本发明提供的这种用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法及其光路，利用正交分解、琼斯矩阵分析计算光束模型，以及对应的光路设置，可以控制光场中任一点的振幅、相位和偏振态，实现任意形状、相位分布和偏振态的光束整形；同时，本发明方法得到的是一个纯相位全息图，方便使用空间光调制器或制成衍射光元件、位相片来实现，完成对光束振幅和相位的整形；方法快速，整形效果好，且适用光路及设备仪器简单；同时本发明提供的光路具有设置和校准简单等优点，最终能够实现任意振幅、相位和偏振态的目标光束整形。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明方法的目标光束的的示意图。
图3为本发明方法的近场衍射模拟结果的示意图。
图4为本发明方法的远场衍射模拟结果的示意图。
图5为本发明方法的光路示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，包括如下步骤：
S1.设置光束整形参数；具体包括光束输入平面的约束振幅A0，入射光的初始相位P0，整形迭代次数为N，并随机获得入射光的初始相位；整形迭代次数为步骤S7所述的事先设定的条件；光束输入平面的约束振幅A0为平面型或高斯型；
S2.根据步骤S1设置的参数，计算得到输入平面的复振幅；具体为输入平面的复振幅为A0·exp(i·P0)；其中A0为光束输入平面的约束振幅，P0为入射光的初始相位，i为虚数单位，exp()为以e为底数的指数函数；
S3.根据步骤S2得到的输入平面的复振幅，计算得到输出平面的复振幅；具体为采用正向传播函数计算得到输出平面的复振幅Uc＝T[A0·exp(i·P0)]，并计算得到输出平面的振幅Ac＝|Uc|和相位Pc＝angle(Uc)；其中，A0为光束输入平面的约束振幅，P0为入射光的初始相位，i为虚数单位，exp()为以e为底数的指数函数，T[]为正向传播函数，angle()为求相位角函数；
S4.根据正交分解，将目标振幅分解为两个相互垂直方向上的分量，再根据每个点的目标偏振态，确定两个方向上的相位差；具体为采用如下算式计算两个方向上的相位差：
At＝At·Sx·cos(at)+At·Sy·sin(at)
Pt＝(Pt+b)·Sx+(Pt-b)·Sy
Ut＝[At·Sx·cos(at)+At·Sy·sin(at)]·exp{i·[(Pt+b)·Sx+(Pt-b)·Sy]}
式中At为目标振幅，Sx为x方向上的约束矩阵，at为目标振幅在x和y方向矢量分解的夹角，Sy为y方向上的约束矩阵，Pt为目标相位，b为x和y方向的相位差，i为虚数单位，exp()为以e为底数的指数函数，Ut为实际整形中的目标复振幅，x和y为两个相互垂直的方向；
S5.根据实际整形的目标复振幅和输入光束的复振幅，得到修正复振幅；具体为计算修正复振幅U2为U2＝Ut+Ac·(I-Sx-Sy)·exp(i·Pc)；其中，Ut为实际整形的目标复振幅，Ac为输出平面的振幅，I为全1矩阵，Sx为x方向上的约束矩阵，Sy为y方向上的约束矩阵，Pc为输出平面的相位，i为虚数单位，exp()为以e为底数的指数函数；
S6.根据步骤S5得到的修正复振幅，计算得到输入平面的相位；具体为根据步骤S5得到的修正复振幅，采用逆向传播函数计算得到输入平面的相位P＝angle[T-1(U2)]；其中，T-1()为逆向传输函数，angle[]为求相位角函数；
S7.将步骤S6得到的输入平面的相位带入步骤S3中的输入平面的复振幅，并重复步骤S3～S6，直至满足事先设定的条件(比如重复次数达到设定值)，并输出最终的步骤S6得到的输入平面的相位作为纯相位全息图；
S8.将经过整形后具有特定振幅和相位的偏振光束，在棱镜的作用下被分割成两束，分别在半波片的作用下调整偏振方向，最终在合束器中复合，得到目标光束。
在具体实施时，正向传播函数为正向菲涅尔衍射变换，且逆向传播函数为逆向菲涅尔衍射变换；或者正向传播函数为正向傅立叶变换，且逆向传播函数为逆向傅立叶变换。
同时，可以采用如下算式计算衍射效率η，并用衍射效率评估所述整形算法的效果：
Figure BDA0002055994270000101
式中Nx0和Ny0分别表示目标光束在输出平面x0和y0方向的总像素点数目；W(kx0,ky0)为窗函数，其取值规则为：目标振幅不为零的区域中，若某个像素点的目标振幅为零，则窗函数在该点的值为“0”，否则为“1”；Ax+y(kx0,ky0)为在与光传播方向垂直的平面中，x和y分解方向上两个振幅平面合成得到的整形目标振幅；在评估所述整形算法的效果时，衍射效率越高，则整形算法的效率越高。
可以采用如下算式计算振幅相对误差εA，并用振幅相对误差评估光束振幅整形的效果：
Figure BDA0002055994270000102
式中Nx0和Ny0分别表示目标光束在输出平面x0和y0方向的总像素点数目；W(kx0,ky0)为窗函数，其取值规则为：目标振幅不为零的区域中，若某个像素点的目标振幅为零，则窗函数在该点的值为“0”，否则为“1”；At(kx0,ky0)实际目标振幅；Ax+y(kx0,ky0)为在与光传播方向垂直的平面中，x和y分解方向上两个振幅平面合成得到的整形目标振幅；
Figure BDA0002055994270000111
为x和y分解方向上的两个振幅平面，经过外部光路叠加复合得到的重建振幅；在评估光束振幅整形的效果时，振幅相对误差越小，则光束振幅整形的效果越好。
可以采用如下算式计算相位相对误差εP，并用相位相对误差评估光束相位整形的效果：
Figure BDA0002055994270000112
式中Nx0和Ny0分别表示目标光束在输出平面x0和y0方向的总像素点数目；W(kx0,ky0)为窗函数，其取值规则为：目标振幅不为零的区域中，若某个像素点的目标振幅为零，则窗函数在该点的值为“0”，否则为“1”；Pt(kx0,ky0)为在点(kx0,ky0)处的目标相位；Px(kx0,ky0)为点(kx0,ky0)在与光传播方向垂直的平面中，x方向上的重建相位；在评估光束相位整形的效果时，相位相对误差越小，则光束相位整形的效果越好。
可以采用如下算式计算偏振相对误差εPL，并用偏振相对误差评估光束偏振整形的效果：
Figure BDA0002055994270000113
Figure BDA0002055994270000121
Figure BDA0002055994270000122
Figure BDA0002055994270000123
Eout0＝G·Et
Eout＝G·Erecon
式中Nx0和Ny0分别表示目标光束在输出平面x0和y0方向的总像素点数目；W(kx0,ky0)为窗函数，其取值规则为：目标振幅不为零的区域中，若某个像素点的目标振幅为零，则窗函数在该点的值为“0”，否则为“1”；Eout(kx0,ky0)为重建复振幅在偏振片作用下在点(kx0,ky0)处的复振幅；Eout0(kx0,ky0)为目标复振幅在偏振片作用下在点(kx0,ky0)处的复振幅；Et为目标复振幅的矢量形式；Erecon为重建复振幅的矢量形式；Axt、Ayt为目标振幅在x和y正交方向上的分解分量；Ax、Ay为重建振幅在x和y正交方向上的分解分量；Pxt、Pyt为目标振幅在x和y正交方向上的相位；Px、Py为重建振幅在x和y正交方向上的相位；i为虚数单位；exp()为以e为底数的指数函数；G为偏振片的琼斯矩阵；φ为偏振片光轴与水平方向的夹角；在评估光束偏振整形的效果时，偏振相对误差越小，则光束偏振整形的效果越好。
在仿真实验中，输入平面和输出平面网格为Nx0＝960，Ny0＝1920，每个像素的长度与宽度均为pitch＝8μm，波长λ＝532nm，衍射光学元件的长为L＝1920×pitch，宽为W＝960×pitch，迭代次数为150。如图2，设计了具有均匀振幅、相位梯度的光束，分别在近场实现径向偏振和远场实现切向偏振，作为整形的目标光束。这个具有相位梯度的目标光束可以捕获微粒并驱动微粒，而具有特定偏振分布的光场在捕捉介电球和金属粒子上较其它光场更具优势。因此，具有振幅、相位和偏振态同时可控的光束，可以在光镊等领域有广泛的应用。
图2中，(a)为近场目标振幅；(b)近场目标相位；(c)近场偏振分布；(d)远场目标光束；(e)远场目标相位；(f)远场偏振分布。
先用平面角谱方法来模拟近场衍射下的矢量光束。近场衍射的光束整形结果如图3所示。图3(a)为重建光束的振幅，和目标振幅图2(a)非常接近，振幅相对误差εA小于1.2％，相位相对误差εP小于1％，偏振对误差εPL小于1％，衍射效率为64.9％。图3(b)为重建光束的相位。图3(c)-(f)为模拟偏振片光轴与水平方向的夹角分别为0°、30°、45°和90°得到的图像。图3(g)为得到的纯相位全息图。图3(h)为经过纯相位元件调制后两束光束振幅的模拟3D图。由此，该算法同时编码了目标振幅和目标相位信息，并通过外部光路复合，得到符合设计的振幅、相位和偏振态。
然后用傅里叶变换来模拟远场衍射下的矢量光束。图4为远场衍射的光束整形结果。图4(a)为重建振幅，整个轮廓和目标振幅图2(d)是一致的，振幅相对误差εA小于2.1％，相位相对误差εP小于1％，偏振对误差εPL小于2％，衍射效率为65.69％。图4(b)为重建相位。图4(c)-(f)模拟偏振片光轴与水平方向的夹角分别为0°、30°、45°和90°得到的图像。图4(g)为得到的纯相位全息图。图4(h)为经过纯相位元件调制后两束光束振幅的模拟3D图。
从图3和图4可以看到，无论是近场衍射还是远场衍射，整形后的光束符合设计的振幅、相位和偏振特性。
如图5所示为本发明提供的一种实现所述用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法的光路，包括电荷耦合器件、第三透镜、偏振片、第三反射镜、第四反射镜、合束器、第二半波片、第三半波片、棱镜、第一反射镜、第二反射镜、激光器、第一半波片、第一透镜、第二透镜和空间光调制器；激光器、第一半波片、第一透镜和第二透镜连接；电荷耦合器件、第三透镜、偏振片和合束器连接；合束器的两个输出端分别连接第三反射镜和第四反射镜；第三反射镜、第二半波片、第一反射镜和棱镜依次连接；第四反射镜、第三半波片、第二反射镜和棱镜依次连接；棱镜的输出端和第二透镜的输出端同时连接空间光调制器；激光器发出的激光先通过第一半波片调整光束的偏振方向，再通过第一透镜和第二透镜进行放大焦斑，输入到空间光调制器的输入端；目标光束的振幅和相位，经过x和y正交分解后得到整形目标振幅和整形目标相位，并通过整形算法和衍射理论得到纯相位全息图，加载于空间光调制器中；激光经空间光调制器整形反射后，入射棱镜；光束经棱镜反射分束成分别有特定振幅和相位分布的两束光束，分别经过第一反射镜和第二反射镜反射，再分别经过不同光轴方向的第二半波片和第三半波片，调整两束光的偏振方向；两束光束最后再经过第三反射镜和第四反射镜，最终在合束器中复合成目标光束；在x和y方向的两束重建光束，在空间光调制器后的外部光路的作用下最终复合得到目标光束；目标光束经过第三透镜，最终在电荷耦合器件中成像；偏振片的目的为通过调整偏振光轴方向，检测目标光束是否实现偏振整形。

Claims (10)

1.一种用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，包括如下步骤：
S1.设置光束整形参数；
S2.根据步骤S1设置的参数，计算得到输入平面的复振幅；
S3.根据步骤S2得到的输入平面的复振幅，计算得到输出平面的复振幅；
S4.根据正交分解，将目标振幅分解为两个相互垂直方向上的分量，再根据每个点的目标偏振态，确定两个方向上的相位差；
S5.根据实际整形的目标复振幅和输入光束的复振幅，得到修正复振幅；
S6.根据步骤S5得到的修正复振幅，计算得到输入平面的相位；
S7.将步骤S6得到的输入平面的相位带入步骤S3中的输入平面的复振幅，并重复步骤S3～S6，直至满足事先设定的条件，并输出最终的步骤S6得到的输入平面的相位作为纯相位全息图；
S8.将经过整形后具有特定振幅和相位的偏振光束，在棱镜的作用下被分割成两束，分别在半波片的作用下调整偏振方向，最终在合束器中复合，得到目标光束。
2.根据权利要求1所述的用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，其特征在于步骤S1所述的光束整形参数，具体包括光束输入平面的约束振幅A0，入射光的初始相位P0，整形迭代次数为N，并随机获得入射光的初始相位；整形迭代次数为步骤S7所述的事先设定的条件；所述的光束输入平面的约束振幅A0为平面型或高斯型。
3.根据权利要求2所述的用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，其特征在于步骤S2所述的计算得到输入平面的复振幅，具体为输入平面的复振幅为A0·exp(i·P0)；其中A0为光束输入平面的约束振幅，P0为入射光的初始相位，i为虚数单位，exp()为以e为底数的指数函数。
4.根据权利要求3所述的用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，其特征在于步骤S3所述的计算得到输出平面的复振幅，具体为采用正向传播函数计算得到输出平面的复振幅Uc＝T[A0·exp(i·P0)]，并计算得到输出平面的振幅Ac＝|Uc|和相位Pc＝angle(Uc)；其中，A0为光束输入平面的约束振幅，P0为入射光的初始相位，i为虚数单位，exp()为以e为底数的指数函数，T[]为正向传播函数，angle()为求相位角函数。
5.根据权利要求1～4之一所述的用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，其特征在于步骤S4所述的确定两个方向上的相位差，具体为采用如下算式计算两个方向上的相位差：
At＝At·Sx·cos(at)+At·Sy·sin(at)
Pt＝(Pt+b)·Sx+(Pt-b)·Sy
Ut＝[At·Sx·cos(at)+At·Sy·sin(at)]·exp{i·[(Pt+b)·Sx+(Pt-b)·Sy]}
式中At为目标振幅，Sx为x方向上的约束矩阵，at为目标振幅在x和y方向矢量分解的夹角，Sy为y方向上的约束矩阵，Pt为目标相位，b为x和y方向的相位差，i为虚数单位，exp()为以e为底数的指数函数，Ut为实际整形中的目标复振幅，x和y为两个相互垂直的方向。
6.根据权利要求5所述的用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，其特征在于步骤S5所述的得到修正复振幅，具体为计算修正复振幅U2为U2＝Ut+Ac·(I-Sx-Sy)·exp(i·Pc)；其中，Ut为实际整形的目标复振幅，Ac为输出平面的振幅，I为全1矩阵，Sx为x方向上的约束矩阵，Sy为y方向上的约束矩阵，Pc为输出平面的相位，i为虚数单位，exp()为以e为底数的指数函数。
7.根据权利要求5所述的用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，其特征在于步骤S6所述的计算得到输入平面的相位，具体为根据步骤S5得到的修正复振幅，采用逆向传播函数计算得到输入平面的相位P＝angle[T-1(U2)]；其中，T-1()为逆向传播函数，angle[]为求相位角函数。
8.根据权利要求7所述的用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，其特征在于正向传输函数为正向菲涅尔衍射变换，且逆向传输函数为逆向菲涅尔变换；或者正向传输函数为正向傅立叶变换，且逆向传输函数为逆向傅立叶变换。
9.根据权利要求1～4之一所述的用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法，其特征在于采用如下算式计算衍射效率η，并用衍射效率评估所述整形算法的效果：
Figure FDA0002055994260000031
式中Nx0和Ny0分别表示目标光束在输出平面x0和y0方向的总像素点数目；W(kx0,ky0)为窗函数，其取值规则为：目标振幅不为零的区域中，若某个像素点的目标振幅为零，则窗函数在该点的值为“0”，否则为“1”；Ax+y(kx0,ky0)为在与光传播方向垂直的平面中，x和y分解方向上两个振幅平面合成得到的整形目标振幅；在评估所述整形算法的效果时，衍射效率越高，则整形算法的效率越高；
采用如下算式计算振幅相对误差εA，并用振幅相对误差评估光束振幅整形的效果：
Figure FDA0002055994260000041
式中Nx0和Ny0分别表示目标光束在输出平面x0和y0方向的总像素点数目；W(kx0,ky0)为窗函数，其取值规则为：目标振幅不为零的区域中，若某个像素点的目标振幅为零，则窗函数在该点的值为“0”，否则为“1”；Ax+y(kx0,ky0)为在与光传播方向垂直的平面中，x和y分解方向上两个振幅平面合成得到的整形目标振幅；
Figure FDA0002055994260000042
为x和y分解方向上的两个振幅平面，经过外部光路叠加复合得到的重建振幅；在评估光束振幅整形的效果时，振幅相对误差越小，则光束振幅整形的效果越好；
采用如下算式计算相位相对误差εP，并用相位相对误差评估光束相位整形的效果：
Figure FDA0002055994260000043
式中Nx0和Ny0分别表示目标光束在输出平面x0和y0方向的总像素点数目；W(kx0,ky0)为窗函数，其取值规则为：目标振幅不为零的区域中，若某个像素点的目标振幅为零，则窗函数在该点的值为“0”，否则为“1”；Pt(kx0,ky0)为在点(kx0,ky0)处的目标相位；Px(kx0,ky0)为点(kx0,ky0)在x方向上的重建相位；在评估光束相位整形的效果时，相位相对误差越小，则光束相位整形的效果越好；
采用如下算式计算偏振相对误差εPL，并用偏振相对误差评估光束偏振整形的效果：
Figure FDA0002055994260000051
Figure FDA0002055994260000052
Figure FDA0002055994260000053
Figure FDA0002055994260000054
Eout0＝G·Et
Eout＝G·Erecon
式中Nx0和Ny0分别表示目标光束在输出平面x0和y0方向的总像素点数目；W(kx0,ky0)为窗函数，其取值规则为：目标振幅不为零的区域中，若某个像素点的目标振幅为零，则窗函数在该点的值为“0”，否则为“1”；Eout(kx0,ky0)为重建复振幅在偏振片作用下在点(kx0,ky0)处的复振幅；Eout0(kx0,ky0)为目标复振幅在偏振片作用下在点(kx0,ky0)处的复振幅；Et为目标复振幅的矢量形式；Erecon为重建复振幅的矢量形式；Axt、Ayt为目标振幅在x和y正交方向上的分解分量；Ax、Ay为重建振幅在x和y正交方向上的分解分量；Pxt、Pyt为目标振幅在x和y正交方向上的相位；Px、Py为重建振幅在x和y正交方向上的相位；i为虚数单位；exp()为以e为底数的指数函数；G为偏振片的琼斯矩阵；φ为偏振片光轴与水平方向的夹角；在评估光束偏振整形的效果时，偏振相对误差越小，则光束偏振整形的效果越好。
10.一种实现权利要求1～9之一所述的用于任意光束的振幅、相位和偏振的整形算法的光路，包括电荷耦合器件、第三透镜、偏振片、第三反射镜、第四反射镜、合束器、第二半波片、第三半波片、棱镜、第一反射镜、第二反射镜、激光器、第一半波片、第一透镜、第二透镜和空间光调制器；激光器、第一半波片、第一透镜和第二透镜连接；电荷耦合器件、第三透镜、偏振片和合束器连接；合束器的两个输出端分别连接第三反射镜和第四反射镜；第三反射镜、第二半波片、第一反射镜和棱镜依次连接；第四反射镜、第三半波片、第二反射镜和棱镜依次连接；棱镜的输出端和第二透镜的输出端同时连接空间光调制器；激光器发出的激光先通过第一半波片调整光束的偏振方向，再通过第一透镜和第二透镜进行放大焦斑，输入到空间光调制器的输入端；目标光束的振幅和相位，经过x和y正交分解后得到整形目标振幅和整形目标相位，并通过整形算法和衍射理论得到纯相位全息图，加载于空间光调制器中；激光经空间光调制器整形反射后，入射棱镜；光束经棱镜反射分束成分别有特定振幅和相位分布的两束光束，分别经过第一反射镜和第二反射镜反射，再分别经过不同光轴方向的第二半波片和第三半波片，调整两束光的偏振方向；两束光束最后再经过第三反射镜和第四反射镜，最终在合束器中复合成目标光束；在x和y方向的两束重建光束，在空间光调制器后的外部光路的作用下最终复合得到目标光束；目标光束经过第三透镜，最终在电荷耦合器件中成像；偏振片的目的为通过调整偏振光轴方向，检测目标光束是否实现偏振整形。
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