CN111537088B - 动态光场有效空间相干分布的测量方法及测量系统 - Google Patents

动态光场有效空间相干分布的测量方法及测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动态光场有效空间相干分布的测量方法及测量系统，包括以下步骤：在待测动态光场的一侧依次设置傅里叶变换透镜和光探测器，所述傅里叶变换透镜的焦距为f,所述傅里叶变换透镜与待测光场的光源距离为f，所述傅里叶变换透镜与光探测器的距离为f；所述光探测器采集待测动态光场经过傅里叶变换透镜聚焦后的焦点处的光谱密度分布；使用光探测器测试获得动态光场在光源处的光强分布；计算获得待测动态光场的相干分布。其可以测量具有任意统计特性的动态光场的有效相干分布，步骤简单，测量速度快，成本低。

Description

动态光场有效空间相干分布的测量方法及测量系统
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种动态光场有效空间相干分布的测量方法及测量系统。
背景技术
由于受激辐射过程中的量子随机效应等不可避免的物理现象，自然界中所有光场，包括实验室中的人造光场，它们都是动态随机涨落的。研究动态随机涨落光场的随机性，本质上是研究这些动态光场的时空统计相干特性。动态光场空间相干分布是指光场横截面上任意两点之间的交叉谱密度函数的分布，以往人们研究的动态光场横截面上任意两点之间的交叉谱密度函数满足高斯分布，这种光场也被称为具有高斯空间相干分布的动态光场。
近年来，研究人员发现动态光场的空间相干分布并不仅仅局限于高斯分布，2007年，意大利科学家F.Gori等人研究了构建具有任意空间相干分布动态光场的可能性。之后，研究人员在试图构建不同分布的空间相干分布的过程中发现，通过构建光场空间相干分布可以方便有效的实现光场调控，实现一些奇特的传输特性。比如：2011年，Lajunen等人构建了一种具有非均匀空间相干分布的动态光场，这种光场在传输过程中表现出自聚焦特性。2014年，陈亚红等人提出了一种具有特殊空间相干分布分布的部分相干矢量动态光场，这种光场能够有效的调控光场的偏振态分布，比如产生径向偏振，角向偏振的光场。之后，陈亚红等人通过调控动态光场的空间相干分布产生了一种自分裂光场，这种光场在多粒子俘获与操控中具有重要的应用前景。
实际上，在上述光场空间相干分布实现光场调控的具体实例中，起到决定性作用的是光场的有效空间相干分布，光场的有效空间相干分布取决于实际光斑大小，光斑越大光场有效空间相干分布越广，光斑越小光场的有效空间相干分布越窄。因此，如何测量动态光场的有效相干分布显得尤为重要。
由于动态光场有效空间相干分布在光场调控中起到的重要作用，使得对动态光场有效空间相干分布的测量成了本研究领域的重点与难点问题。
到目前为止，实现测量光场有效空间相干分布的方法主要有三种：
第一、文献(F.Wang and Y.Cai,"Experimental observation of fractionalFourier transform for a partially coherent optical beam with Gaussianstatistics,"J.Opt.Soc.Am.A 24,1937-1944(2007))中提到的通过两个单光子探测器在动态光场光源处的横截面上逐点扫描测量两点之间的光强四阶关联函数恢复出动态光场的有效空间相干分布，该方法中的逐点扫描法非常耗时，并且这种方法只能用于测量出有效空间相干分布的一维分布，不能测量有效空间相干分布的二维结构。
第二、文献(Y.Chen,F.Wang,L.Liu,C.Zhao,Y.Cai,and O.Korotkova,“Generation and propagation of a partially coherent vector beam with specialcorrelation functions,”Phys.Rev.A 89,013801(2014).)中，其通过电荷耦合器件(简称：CCD)拍摄出一组(实验中一组为2000张)动态光场在光源处的瞬时光强分布图，通过MATLAB软件提取拍摄光强分布图的数据，并对其进行互关联处理，得到光场有效空间相干分布的模的平方的分布，相对于第一种方法，通过CCD拍摄实现测量光场有效空间相干分布的方法在耗时上少了很多，并且能够测量出光场有效空间相干分布的模的平方的二维空间分布；但是第二种方法也存在着一定的缺陷，一方面，其对光路搭建要求较高，另一方面，其只能测量出光场有效空间相干分布的振幅信息，不能测出有效空间相干分布的相位信息。
第三、中国专利号CN201910791478.3公开了一种利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，其能够测量出动态光场相干分布的振幅和相位，但是只局限于测量具有高斯统计分布的动态光场，对于任意统计分布的动态光场不再适用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种动态光场有效空间相干分布的测量方法及测量系统，其可以测量具有任意统计特性的动态光场的有效相干分布，步骤简单，测量速度快，成本低。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种动态光场有效空间相干分布的测量方法及测量系统，包括以下步骤：
S1、在待测动态光场的一侧依次设置傅里叶变换透镜和光探测器，所述傅里叶变换透镜的焦距为f,所述傅里叶变换透镜与待测光场的光源距离为f，所述傅里叶变换透镜与光探测器的距离为f；所述光探测器采集待测动态光场经过傅里叶变换透镜聚焦后的焦点处的光谱密度分布I(ρ)；
S2、使用光探测器测试获得动态光场在光源处的光强分布I(r)；
S3、计算获得待测动态光场的相干分布
Figure BDA0002507596960000031
其中，λ为待测动态光场的波长，
Figure BDA0002507596960000032
为
Figure BDA0002507596960000033
的傅里叶变换。
作为优选的，所述S2包括：
将S1中的傅里叶变换透镜替换为成像透镜，所述光探测器测试获得待测动态光场的光强分布I(r)。
作为优选的，所述成像透镜的焦距为f/2。
作为优选的，所述光探测器为CCD。
作为优选的，所述光探测器为CMOS。
本发明公开了一种动态光场有效空间相干分布的测量系统，基于上述的动态光场有效空间相干分布的测量方法，包括数据获取模块，所述数据获取模块存储第一数据集和第二数据集，所述第一数据集为待测动态光场经过傅里叶变换透镜聚焦后的焦点处的光谱密度分布I(ρ)，所述第二数据集为动态光场在光源处的光强分布I(r)。
作为优选的，还包括数据运算模块，所述数据运算模块存储S3中的运算公式。
本发明的有益效果：
1、本发明测量装置简单，节约了动态光场有效相干分布测量的成本。
2、本发明测量步骤简单，测量速度快，只需要测量待测动态光场光源光场分布和远场光谱密度分布便可恢复出动态光场的有效相干分布结构。
3、本发明可以测量具有任意统计特性的动态光场的有效相干分布，因此具有普适适用性。
附图说明
图1为本发明光路搭建示意图
图中标号说明：1、待测动态光场的光源；2、傅里叶变换透镜；4、光探测器；5、计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明公开了一种动态光场有效空间相干分布的测量方法，包括以下步骤：
S1、在待测动态光场的一侧依次设置傅里叶变换透镜2和光探测器4，所述傅里叶变换透镜2的焦距为f,所述傅里叶变换透镜2与待测光场的光源1距离为f，所述傅里叶变换透镜2与光探测器4的距离为f；所述光探测器4采集待测动态光场经过傅里叶变换透镜聚焦后的焦点处的光谱密度分布I(ρ)；
S2、使用光探测器测试获得动态光场在光源处的光强分布I(r)，具体包括：
将S1中的傅里叶变换透镜替换为成像透镜，所述光探测器测试获得待测动态光场的光强分布I(r)。所述成像透镜的焦距为f/2。
S3、计算获得待测动态光场的相干分布
Figure BDA0002507596960000051
其中，λ为待测动态光场的波长，
Figure BDA0002507596960000052
为
Figure BDA0002507596960000053
的傅里叶变换。
所述光探测器为CCD或CMOS。光探测器3将采集的数据传输至计算机4。
本发明公开了一种动态光场有效空间相干分布的测量系统，基于上述的动态光场有效空间相干分布的测量方法，包括数据获取模块，所述数据获取模块存储第一数据集和第二数据集，所述第一数据集为待测动态光场经过傅里叶变换透镜聚焦后的焦点处的光谱密度分布I(ρ)，所述第二数据集为动态光场在光源处的光强分布I(r)。本发明还包括数据运算模块，所述数据运算模块存储S3中的运算公式。
本发明的测量原理如下：
参考文献(E.Wolf,Introduction to the Theory of Coherence andPolarization of Light(Cambridge University,2007).)可知动态光场的统计特性可以通过两点间互相干函数表示，它在光源处互相干函数可以表示为：
Figure BDA0002507596960000061
公式(1)中I(r1)，I(r2)分别表示光源面上r1和r2两点处的光强分布，γ(r1-r2)表示r1和r2两点间的互相干函数，也就动态光场的相干分布结构。
上述动态光场经过一聚焦为f的傅里叶变换透镜聚焦之后，在焦点处的光谱密度分布可以表示为：
Figure BDA0002507596960000062
其中
Figure BDA0002507596960000063
为
Figure BDA0002507596960000064
的傅里叶变换，
Figure BDA0002507596960000065
为γ(r1-r2)的傅里叶变换。
Figure BDA0002507596960000066
表示卷积。根据卷积定理，公式(2)可以表示为：
Figure BDA0002507596960000067
在公式(3)中，
Figure BDA0002507596960000068
将公式(3)做适当的变换，可以得到关于动态光场的空间相干分布结构的表达式：
Figure BDA0002507596960000071
从公式(5)中可以看出，可以通过测量动态光场在光源处的光强分布I(r)，以及经过傅里叶变换透镜聚焦以后在焦点处的光谱密度分布I(ρ)，来确定待测动态光场的有效空间关联结构分布，并同时测量出有效空间相干分布结构的振幅以及相位分布。
本实施例的具体操作步骤：本发明根据【陈亚红,王飞,蔡阳健，自分裂光束的产生装置及其产生方法，专利号CN201410399805.8】中提出的方案，制备具有自分裂特性有效相干分布结构的待测动态光场光源1。
可用一电荷耦合器件(CCD)记录并保存被测动态光场在光源处光强分布的二维灰度图，具体的，这里用到的CCD为Point Grey公司研发的Grasshopper3系列专业CCD，具体型号为GS3-U3-14S5M，具体参数为水平分辨率1384，垂直分辨率1036，帧频/行频30fps。
将被测动态光场照射到一聚焦为400毫米的傅里叶透镜2上，其中被测动态光场光源面到上述薄透镜面的距离为400毫米；之后在距离薄透镜后距离为400毫米的焦平面处，放置前一步骤中所用到的专业CCD，用以测量并保存被测动态光场经过聚焦以后的光谱密度分布的二维灰度图。将上述两步骤中所保存的两张二维灰度图导入到MATLAB中，分别进行快速傅里叶变换，以及相应的处理(计算过程见测量原理)之后，便可得到被测动态光场的有效相干分布结构的振幅以及相位分布。
CCD记录并保存步骤为：首先将CCD通过USB 3.0接口连接到一台带有专业版Windows 10系统的台式电脑，其中默认该台式电脑已经安装了Point Grey公司提供的名为Point Grey的软件，上述软件用来观察以及保存CCD接收的图像；CCD连接到电脑之后，将CCD对准被测光束，打开Point Grey软件记录并保存CCD接收的图像。
本发明的工作原理如下：
1、本发明测量装置简单，节约了动态光场有效相干分布测量的成本。
2、本发明测量步骤简单，测量速度快，只需要测量待测动态光场光源光场分布和远场光谱密度分布便可恢复出动态光场的有效相干分布结构。
3、本发明可以测量具有任意统计特性的动态光场的有效相干分布，因此具有普适适用性。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种动态光场有效空间相干分布的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在待测动态光场的一侧依次设置傅里叶变换透镜和光探测器，所述傅里叶变换透镜的焦距为f,所述傅里叶变换透镜与待测光场的光源距离为f，所述傅里叶变换透镜与光探测器的距离为f；所述光探测器采集待测动态光场经过傅里叶变换透镜聚焦后的焦点处的光谱密度分布I(ρ)；
S2、将S1中的傅里叶变换透镜替换为成像透镜，所述光探测器测试获得待测动态光场的光强分布I(r)；
S3、计算获得待测动态光场的相干分布
Figure FDA0003131753200000011
其中，λ为待测动态光场的波长，
Figure FDA0003131753200000012
为
Figure FDA0003131753200000013
的傅里叶变换。
2.如权利要求1所述的动态光场有效空间相干分布的测量方法，其特征在于，所述成像透镜的焦距为f/2。
3.如权利要求1所述的动态光场有效空间相干分布的测量方法，其特征在于，所述光探测器为CCD。
4.如权利要求1所述的动态光场有效空间相干分布的测量方法，其特征在于，所述光探测器为CMOS。
5.一种动态光场有效空间相干分布的测试光路，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的动态光场有效空间相干分布的测量方法。
6.一种动态光场有效空间相干分布的测量系统，基于权利要求1-5任一项所述的动态光场有效空间相干分布的测量方法，其特征在于，包括数据获取模块，所述数据获取模块存储第一数据集和第二数据集，所述第一数据集为待测动态光场经过傅里叶变换透镜聚焦后的焦点处的光谱密度分布I(ρ)，所述第二数据集为动态光场在光源处的光强分布I(r)。
7.如权利要求6所述的动态光场有效空间相干分布的测量系统，其特征在于，还包括数据运算模块，所述数据运算模块存储S3中的运算公式。
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