CN110596890B - 一种三维目标光场强度重构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维目标光场强度重构的方法，其核心在于初始源平面上光束的特性形式关联结构中的参数与目标焦场强度分布的对于关系，反演出关联结构分布，通过关联结构达到精确控制光束在沿光轴传输过程中多点聚焦的三维空间位置，在焦场处形成需要的三维结构分布。本发明可以对光束在传输过程中多焦点的聚焦位置进行精确控制，进而获得需要的焦场强度分布。

Description

一种三维目标光场强度重构的方法
技术领域
本发明涉及光束焦场强度调控技术，具体涉及一种三维目标光场强度重构的方法。
背景技术
在过去的十年中，如何去设计和调控部分相干光的关联结构受到了广泛关注，其中非均匀关联光束由于其特殊的自聚焦特性，使得这种特殊关联光束在大气湍流、海洋湍流等随机介质中具有更低的闪烁特性获得更高的光强引起人们的兴趣。不同与均匀关联光束，这种非均匀关联结构使得光学系统必须是具有对光束进行高阶傅立叶形式变换，这种光学系统可以通过空间光调制器模拟。
光束焦场强度的调控可广泛应用于研究囚禁原子的反铁磁和顺磁性质，偏振梯度冷却与囚禁的动力学，Raman冷却和绝热冷却，波包动力学、量子传输与隧道效应以及光通过原子光学晶格的Bragg衍射等。同时，光学点阵还可以应用于高密度存储、材料热加工以及生物等领域。光束焦场强度控制的广泛应用前景，使如何灵活产生合适的焦场强度分布具有很高的实用价值。
在近几十年中，对于焦场强度分布的光学三维重构大多是通过计算全息的方式实现，然而这一方法需要复杂的循环计算，并且存在结果往往存在较多的干涉杂斑，在一定程度上限制了其应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维目标光场强度重构的方法，操控光束向不同的位置多点聚焦，通过多个焦点组成需要的焦场强度三维空间分布。
实现本发明目的的技术方案为：一种三维目标光场强度重构的方法，利用目标三维空间强度分布与部分相干光束的高阶非均匀关联和谢尔模型关联结构对应关系，反演出具体空间关联结构，通过该关联结构来实现目标光场强度的重构；首先对三维目标空间结构进行点的离散化，形成离散空间位置(xn,yn,zn)集合；在源场处产生具有关联特性
Figure BDA0002170438780000011
关联结构的光束，具有该关联特性的光束可在自由传输过程中自聚焦，在焦场产生任意三维结构的光强分布，其中焦斑中心空间坐标就是目标离散点集合(xn,yn,zn)，(xn,yn,zn)与关联结构中的参数vxn、vyn、vzn存在对应关系，即：xn＝znvxn，yn＝znvyn，
Figure BDA0002170438780000021
由此给出完整的关联结构形式；最后经过自由空间传输通过离散焦点的重构出三维目标分布；其中w0表示光束宽度，r1＝(x1,y1)，r2＝(x2,y2)表示源平面上两点的位置矢量，σ1和σ2分别表示谢尔模型关联和高阶非均匀关联的关联宽度，k是光束波数，vxn、vyn、vzn是可调控的三个位移参数，分别调控光场焦点三维坐标位，N表示焦点个数，Fn表示不同焦点的强度密度分布。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明对需要的焦场强度分布分解成独立的点的集合，通过部分相干光束关联结构中的可调参数vxn、vyn、vzn与焦斑中心空间坐标(xn,yn,zn)的对应关系，可以对光束在传输过程中多焦点的聚焦位置进行精确控制，进而获得需要的焦场强度分布。
附图说明
图1为三维目标光场强度重构装置示意图。
图2(a)为需要重构焦场强度的分立点集合示意图。
图2(b)为对图2(a)重构实验结果图。
具体实施方式
本发明提供一种新的三维目标光场强度重构的方法，通过给初始光束加载特殊形式的关联结构，通过关联结构中的相应参数与目标焦场强度分布的对应关系，可以实现各种需要的焦场强度分布的强度重构。
如图1所示，一种三维目标光场强度重构的方法，利用目标三维空间强度分布与部分相干光束的高阶非均匀关联和谢尔模型关联结构对应关系，反演出具体空间关联结构，通过该关联结构来实现目标光场强度的重构；首先对三维目标空间结构进行点的离散化，形成离散空间位置(xn,yn,zn)集合；在源场处产生具有关联特性
Figure BDA0002170438780000022
关联结构的光束，具有该关联特性的光束可在自由传输过程中自聚焦，在焦场产生任意三维结构的光强分布，其中焦斑中心空间坐标就是目标离散点集合(xn,yn,zn)，(xn,yn,zn)与关联结构中的参数vxn、vyn、vzn存在对应关系，即：xn＝znvxn，yn＝znvyn，
Figure BDA0002170438780000031
由此给出完整的关联结构形式；最后经过自由空间传输通过离散焦点的重构出三维目标分布；其中w0表示光束宽度，r1＝(x1,y1)，r2＝(x2,y2)表示源平面上两点的位置矢量，σ1和σ2分别表示谢尔模型关联和高阶非均匀关联的关联宽度，k是光束波数，vxn、vyn、vzn是可调控的三个位移参数，分别调控光场焦点三维坐标位，N表示焦点个数，Fn表示不同焦点的强度密度分布。
在产生具有该关联特性的光束后，光束可以直接通过自由空间传输产生如双螺旋结构、多层类石墨烯分子结构、圆环结构等任意三维光强分布的焦场结构；vxn、vyn、vzn分别调控光场焦点中心三维坐标位置，N控制焦点个数；σ1和σ2控制单个焦点光斑的横向和纵向宽度；当σ1和σ2值越小，单个焦点光斑的横向和纵向宽度增加；当σ1和σ2值越大，单个焦点光斑的横向和纵向宽度收缩。
调制后光束的交叉谱密度(CSD)表达式为：
Figure BDA0002170438780000032
下面结合实施例对本发明进行详细描述。
实施例
如图1所示，首先He-Ne激光器发出的光束经过一线偏振片，形成完全相干的线偏振光束，再经过一扩束镜控制光斑尺度大小，接着通过空间光调制器对光束进行相位调制，获得需要的关联结构，接着让调制的部分相干光束传输，并在焦场处进行空间滤波，再通过4F光学系统对光束焦场进行进一步滤波和成像，最后通过可前后移动光束分析仪记录光束焦场强度的三维分布。
本发明的核心是给部分相干光束加载初始关联结构为：
Figure BDA0002170438780000033
而(1)式中的关联结构通过空间光调制器对光束进行随机相位的调制获得，随机相位调制的表达式为：
ψ(r,v)＝exp[ik(x·vx+y·vy+r2vz)] (2)
这里随机数v＝(vx,vy,vz)的概率分布通过计算机程序控制，其数学表达式为：
Figure BDA0002170438780000041
通过空间光调制器以(3)式的概率分布对光束进行(3)式的相位调制，即可使初始光束获得(1)式的关联结构。
本发明的推导过程为：
首先将需要的焦场强度三维空间结构分解成可数的分立焦点的集合，数学形式为：
Figure BDA0002170438780000042
其中，r＝(x,y,z)，rn＝(xn,yn,zn)分别表示空间坐标和焦点位置，δ表示狄拉克函数。
部分相干光束的随机场强数学表达形式为：
Figure BDA0002170438780000043
这里v＝(vx,vy,vz)是三个独立的随机数，为重构所需光强分布，它们的概率分布为：
Figure BDA0002170438780000044
其中C表示归一化参数，
Figure BDA0002170438780000045
这种部分相干光束的交叉谱密度为：
w(r1,r2)＝∫P(v)K*(r1,v)K(r2,v)dv,
其中*表示复共轭，交叉谱密度表达式即为：
Figure BDA0002170438780000046
；
具有这种交叉谱密度的部分相干光束便可重构需要的焦场强度分布。
本实施例中各参数取：w0≈0.8mm，σ1＝8mm，σ2＝16mm，其它参数根据需要的重构光场强度分布来确定。如图1所示，为实验装置的示意图，激光光束经过线偏振片，再经过扩散，通过反射镜打到SLM上，经过自由空间传输，再透镜1的前焦距附近形成三维目标强度分布，透镜1和透镜2形成4F放大系统，在光束分析仪附近形成放大后的三维目标强度方便测量；其中透镜1的焦距为100mm，透镜2焦距为150mm，其中SLM到PH1的距离约为50mm，PH1到L1的距离为100mm，L1到L2的距离为250mm。图2(a)是将完整的泳圈结构分解为多个点的集合图。图2(b)是通过图1的实验装置和图2(a)中提供的点强度和空间坐标进行焦场强度为泳圈形状的重构，再经过4F光学系统成像后的测量结果，其中z为光束的传输方向，图2(b)中表面光强为0.28，焦场最大光强为1，为方便观察强度分布，光强小于0.28的位置全部被裁剪去。结果说明本发明可通过以上对光束的调控方法，对光束目标焦场强度进行重构。

Claims (3)

1.一种三维目标光场强度重构的方法，其特征在于，利用目标三维空间强度分布与部分相干光束的高阶非均匀关联和谢尔模型关联结构对应关系，反演出具体空间关联结构，通过该关联结构来实现目标光场强度的重构；首先对三维目标空间结构进行点的离散化，形成离散空间位置(xn,yn,zn)集合；在源场处产生具有关联特性
Figure FDA0003167456420000011
关联结构的光束，具有该关联特性的光束可在自由传输过程中自聚焦，在焦场产生任意三维结构的光强分布，其中焦斑中心空间坐标就是目标离散点集合(xn,yn,zn)，(xn,yn,zn)与关联结构中的参数vxn、vyn、vzn存在对应关系，即：xn＝znvxn，yn＝znvyn，
Figure FDA0003167456420000012
由此给出完整的关联结构形式；最后经过自由空间传输通过离散焦点的重构出三维目标分布；其中w0表示光束宽度，r1＝(x1,y1)，r2＝(x2,y2)表示源平面上两点的位置矢量，σ1和σ2分别表示谢尔模型关联和高阶非均匀关联的关联宽度，k是光束波数，vxn、vyn、vzn是可调控的三个位移参数，分别调控光场焦点三维坐标位置，N表示焦点个数，Fn表示不同焦点的强度密度分布。
2.根据权利要求1所述的三维目标光场强度重构的方法，其特征在于，在产生具有该关联特性的光束后，光束可通过自由空间传输产生任意三维光强分布的焦场结构；vxn、vyn、vzn分别调控光场焦点中心三维坐标位置，N控制焦点个数；σ1和σ2控制单个焦点光斑的横向和纵向宽度。
3.根据权利要求2所述的三维目标光场强度重构的方法，其特征在于，调制后光束的交叉谱密度表达式为：
Figure FDA0003167456420000013
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