CN111736334B - 一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置 - Google Patents

一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置。对激光器出射的高斯光束进行准直、偏振调节和扩束处理，扩束后的光束经分光镜分成两路，一路光束经空间光调制器进行光场调控，对调制后的出射光束进行空间滤波处理，选取一级衍射分量，在相位图的共轭像平面上得到特殊空间结构光场。将生成光场与另一路未经调制的光束进行空间干涉，通过干涉原理可以恢复生成光场的相位分布信息。利用峰值信噪比对光场的强度分布质量进行评价，以目标光场的强度分布为参考图像，PSNR值越大，生成光场与目标光场的强度分布越相似。该装置结构简单，易于调整，可以产生任意复振幅光场，并通过图像采集系统对光场的强度和相位分布进行分析评价。

Description

一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置
技术领域
本发明涉及光场调控领域，具体涉及一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置。
背景技术
将常规高斯光束整形成具有一定强度和相位分布的特殊光场，由于光束独特的物理效应和现象，在光学领域吸引了广泛关注。传统折射型器件也就是几何光学透镜很难产生空间结构光场，如果想要得到满足特定空间分布的光场，需要利用衍射型器件对入射光束进行空间调制，其中液晶空间光调制器由于可编程控制，具有极强灵活性，可以实现激光模场的动态精细调控。
液晶空间光调制器通过控制其内部液晶分子的电光效应对确定线偏振光进行相位调制，通过改变像素单元电压便可控制液晶分子的偏转以改变液晶分子的双折射，从而引入可控的相位延迟。商用液晶空间光调制器一般为纯相位型，仅能对输入光场的空间相位进行调控，适用于可利用解析法求得的光场。从目标光场出发，通过正确、适当的计算方式，构造出传递函数，求解光场调控所需的相位分布即可获得在空间光调制器上需要加载的相位图。光束在自由空间传播时，传播特性主要由振幅、相位、偏振多参量表征，纯相位单参量调控所产生光场具有单一的空间分布，这样极大限制了复杂光场的生成。
利用两个级联的空间光调制器结合偏振敏感器件可对入射光场的相位和振幅进行独立操控，但该方法实验装置复杂，实验操作相对困难。因此在实际应用中，希望基于单个相位型空间光调制器产生任意复振幅光场并对光场质量进行评估。
现有技术的技术方案
方案基本原理为：光场的振幅和相位信息同时编码在一个相位函数中，在相位信息中附加相位光栅，利用衍射理论，通过改变相位调制深度控制零级与一级衍射光场功率比，引入振幅调制。然后利用空间滤波技术选取正一级衍射分量作为生成目标光束所需要的复光场。
现有技术问题：
对于该复振幅调控装置，在光路调节过程中，保证光束入射到液晶空间光调制器中心位置，并使出射光束的一级衍射光路位于4f 系统主光轴上，需要联合调节反射镜和空间光调制器。此外，为了获得较为准确的相位调制，还需要严格控制斜入射角度，实验操作比较困难。此方案利用不同传播距离的光强分布变化判断相位分布的准确性，缺少对生成光场相位的直接测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置，包括半导体激光器、带有偏振控制器的单模光纤、准直透镜、起偏器、扩束镜、分光镜A、空间光调制器、反射镜A、傅里叶变换透镜A、小孔滤波装置、傅里叶变换透镜B、分光镜B、图像采集装置、反射镜B；所述半导体激光器发出的高斯光束经一段带有偏振控制器的单模光纤传输，利用准直透镜对光纤出射光束进行准直，再进行偏振调节，利用光纤偏振控制器和起偏器联合调控输入光束的偏振态，调节光纤偏振控制器改变单模光纤中传输光的偏振态，起偏器控制光纤输出光场的偏振态，使入射到液晶空间光调制器的光场具有特定的偏振方向和较高的功率值；
所述扩束镜对光束进行扩束处理，以匹配空间光调制器的液晶面板，经扩束后的线偏振光通过分光镜A，其中一路光束斜入射到液晶空间光调制器上进行相位调制，先调节SLM的倾角，使入射光束以较小的角度斜入射到SLM中心位置，然后调节反射镜A变动出射光路的空间位置，带有调制信息的输出光束经反射镜A反射后依次通过傅里叶变换透镜A、小孔滤波装置、傅里叶变换透镜B、分光镜B和图像采集装置；
在液晶空间光调制器上加载相位全息图，然后微调反射镜A使一级衍射分量经傅里叶变换透镜A和傅里叶变换透镜B组成的4f系统的光轴，然后调节小孔光阑的大小，仅保证正一级衍射分量通过，经分光镜A反射的未调制光束经反射镜B反射至分光镜B与调制光束进行干涉，通过图像采集装置记录干涉光场的强度信息，通过干涉原理可以恢复生成光场的相位分布信息。
所述的起偏器偏振方向与空间光调制器7液晶分子的排列方向一致。
所述的空间光调制器经反射镜A到傅里叶变换透镜A之间的距离为透镜焦距长。
所述的小孔滤波装置在傅里叶变换透镜A的焦点位置处，保证正一级衍射分量通过；所述的图像采集装置在傅里叶变换透镜B的焦平面上，即全息图的共轭像平面上，用于采集光场信息。
利用相位型空间光调制器实现复振幅调控需要将振幅和相位信息同时编码到一个相位函数，对一个普通的复振幅函数进行编码：
Figure 417675DEST_PATH_IMAGE002
（1）；
其中，
Figure 334816DEST_PATH_IMAGE004
代表要编码的振幅分布，
Figure 52236DEST_PATH_IMAGE006
代表相位分布；
将复振幅函数表示为纯相位函数：
Figure 447445DEST_PATH_IMAGE008
（2）；
其中，
Figure 202430DEST_PATH_IMAGE010
是与所需振幅分布
Figure 24893DEST_PATH_IMAGE004
相关联的相位调制函数，并且
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为线性相位光栅；
将相位函数展开，选取一级衍射分量，得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE016
（3）；
忽略其中的指数项，通过数值反演求得相位调制函数，最终加载的计算全息图表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
（4）；
光场质量评价选择峰值信噪比（PSNR）作为衡量图像失真或噪声水平的客观标准，表示信号最大可能功率和影响它的表示精度的破坏性噪声功率的比值，对于两个m×n的单色图像I和K，如果一个为另外一个的噪声近似，采集图像二维矩阵数据并进行归一化处理，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，以目标光场为参考，其归一化强度分布记为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，那么它们的均方误差定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
（5）；
然后PSNR定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
（6）；
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为图片可能的最大像素值；利用峰值信噪比PSNR对生成光场的强度分布进行评价，以目标光场的强度分布为参考图像，两者之间PSNR值越大，表示图像失真越小，生成光场与目标光场的强度分布越相似。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于空间光调制器利用复振幅调控技术，实现了任意复振幅光场的调控变换，具有应用扩展性；基于峰值信噪比对空间光场的强度分布进行评价，简单可靠；将产生空间光场的调制光束与另一路未经调制的光束进行干涉，可以利用干涉原理恢复光场的相位信息。
附图说明
图1为本发明复振幅光场调控及光场质量评价装置原理结构示意图；
图2为以高阶贝塞尔光束为例，不同PSNR值下的光场强度分布。
图中：半导体激光器1、带有偏振控制器的单模光纤2、准直透镜3、起偏器4、扩束镜5、分光镜A6、空间光调制器7、反射镜A8、傅里叶变换透镜A9、小孔滤波装置10、傅里叶变换透镜B11、分光镜B12、图像采集装置13、反射镜B14。
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、完整的阐述。
如图1所示，一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置包括半导体激光器1、带有偏振控制器的单模光纤2、准直透镜3、起偏器4、扩束镜5、分光镜A6、空间光调制器7、反射镜A8、傅里叶变换透镜A9、小孔滤波装置10、傅里叶变换透镜B11、分光镜B12、图像采集装置13、反射镜B14；
所述半导体激光器1发出的高斯光束经一段带有偏振控制器的单模光纤2传输，利用准直透镜3对光纤出射光束进行准直，再进行偏振调节，利用光纤偏振控制器和起偏器4联合调控输入光束的偏振态，调节光纤偏振控制器改变单模光纤中传输光的偏振态，起偏器4控制光纤输出光场的偏振态，使入射到液晶空间光调制器7的光场具有特定的偏振方向和较高的功率值；
所述扩束镜5对光束进行扩束处理，以匹配空间光调制器的液晶面板，经扩束后的线偏振光通过分光镜A6，其中一路光束斜入射到液晶空间光调制器7上进行相位调制，先调节SLM的倾角，使入射光束以较小的角度斜入射到SLM中心位置，然后调节反射镜A8变动出射光路的空间位置，带有调制信息的输出光束经反射镜A8反射后依次通过傅里叶变换透镜A9、小孔滤波装置10、傅里叶变换透镜B11、分光镜B12和图像采集装置13；
在液晶空间光调制器7上加载相位全息图，然后微调反射镜A8使一级衍射分量经傅里叶变换透镜A9和傅里叶变换透镜B11组成的4f系统的光轴，然后调节小孔光阑的大小，仅保证正一级衍射分量通过，经分光镜A6反射的未调制光束经反射镜B14反射至分光镜B12与调制光束进行干涉，通过图像采集装置13记录干涉光场的强度信息，通过干涉原理可以恢复生成光场的相位分布信息。
所述的起偏器4偏振方向与空间光调制器7液晶分子的排列方向一致。所述的空间光调制器7经反射镜A8到傅里叶变换透镜A9之间的距离为透镜焦距长。所述的小孔滤波装置10在傅里叶变换透镜A9的焦点位置处，保证正一级衍射分量通过；所述的图像采集装置13在傅里叶变换透镜B11的焦平面上，即全息图的共轭像平面上，用于采集光场信息。
利用相位型空间光调制器实现复振幅调控需要将振幅和相位信息同时编码到一个相位函数，对一个普通的复振幅函数进行编码：
Figure 980341DEST_PATH_IMAGE029
（1）；
其中，
Figure 382504DEST_PATH_IMAGE004
代表要编码的振幅分布，
Figure 51383DEST_PATH_IMAGE006
代表相位分布；
将复振幅函数表示为纯相位函数：
Figure 982430DEST_PATH_IMAGE008
（2）；
其中，
Figure 671512DEST_PATH_IMAGE010
是与所需振幅分布
Figure 408524DEST_PATH_IMAGE004
相关联的相位调制函数，并且
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 869593DEST_PATH_IMAGE014
为线性相位光栅；
将相位函数展开，选取一级衍射分量，得到：
Figure 174803DEST_PATH_IMAGE016
（3）；
忽略其中的指数项，通过数值反演求得相位调制函数，最终加载的计算全息图表达式为：
Figure 416429DEST_PATH_IMAGE018
（4）；
光场质量评价选择峰值信噪比（PSNR）作为衡量图像失真或噪声水平的客观标准，表示信号最大可能功率和影响它的表示精度的破坏性噪声功率的比值，对于两个m×n的单色图像I和K，如果一个为另外一个的噪声近似，采集图像二维矩阵数据并进行归一化处理，记为
Figure 629235DEST_PATH_IMAGE020
，以目标光场为参考，其归一化强度分布记为
Figure 944810DEST_PATH_IMAGE022
，那么它们的均方误差定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
（5）；
然后PSNR定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
（6）；
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为图片可能的最大像素值；利用峰值信噪比PSNR对生成光场的强度分布进行评价，以目标光场的强度分布为参考图像，两者之间PSNR值越大，表示图像失真越小，生成光场与目标光场的强度分布越相似。以30dB为基准，30dB以下的图像劣化较为明显。图2是评价高阶贝塞尔光束的光强分布的典型例子，PSNR值高于30dB的光场强度分布与参考光场较为相似。
以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置，其特征在于，包括半导体激光器（1）、带有偏振控制器的单模光纤（2）、准直透镜（3）、起偏器（4）、扩束镜（5）、分光镜A（6）、空间光调制器（7）、反射镜A（8）、傅里叶变换透镜A（9）、小孔滤波装置（10）、傅里叶变换透镜B（11）、分光镜B（12）、图像采集装置（13）、反射镜B（14）；
所述半导体激光器（1）发出的高斯光束经一段带有偏振控制器的单模光纤（2）传输，利用准直透镜（3）对光纤出射光束进行准直，再进行偏振调节，利用光纤偏振控制器和起偏器（4）联合调控输入光束的偏振态，调节光纤偏振控制器改变单模光纤中传输光的偏振态，起偏器（4）控制光纤输出光场的偏振态，使入射到空间光调制器（7）的光场具有特定的偏振方向和较高的功率值；
所述扩束镜（5）对光束进行扩束处理，以匹配空间光调制器的液晶面板，经扩束后的线偏振光通过分光镜A（6），其中一路光束斜入射到空间光调制器（7）上进行相位调制，先调节空间光调制器（7）的倾角，使入射光束以较小的角度斜入射到空间光调制器（7）中心位置，然后调节反射镜A（8）变动出射光路的空间位置，带有调制信息的输出光束经反射镜A（8）反射后依次通过傅里叶变换透镜A（9）、小孔滤波装置（10）、傅里叶变换透镜B（11）、分光镜B（12）和图像采集装置（13）；
在空间光调制器（7）上加载相位全息图，然后微调反射镜A（8）使一级衍射分量经傅里叶变换透镜A（9）和傅里叶变换透镜B（11）组成的4f系统的光轴，然后调节小孔光阑的大小，仅保证正一级衍射分量通过，经分光镜A（6）反射的未调制光束经反射镜B（14）反射至分光镜B（12）与调制光束进行干涉，通过图像采集装置（13）记录干涉光场的强度信息，通过干涉原理恢复生成光场的相位分布信息。
2.如权利要求1所述的一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置，其特征在于，所述的起偏器（4）偏振方向与空间光调制器（7）液晶分子的排列方向一致。
3.如权利要求1所述的一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置，其特征在于，所述的空间光调制器（7）经反射镜A（8）到傅里叶变换透镜A（9）之间的距离为透镜焦距长。
4.如权利要求1所述的一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置，其特征在于，所述的小孔滤波装置（10）在傅里叶变换透镜A（9）的焦点位置处，保证正一级衍射分量通过；所述的图像采集装置（13）在傅里叶变换透镜B（11）的焦平面上，即全息图的共轭像平面上，用于采集光场信息。
5.如权利要求1所述的一种基于空间光调制器实现复振幅光场调控的装置，其特征在于，利用相位型空间光调制器实现复振幅调控需要将振幅和相位信息同时编码到一个相位函数，对一个普通的复振幅函数进行编码：
Figure 30697DEST_PATH_IMAGE002
（1）；
其中，
Figure 478996DEST_PATH_IMAGE004
代表要编码的振幅分布，
Figure 163793DEST_PATH_IMAGE006
代表相位分布；
将复振幅函数表示为纯相位函数：
Figure 90161DEST_PATH_IMAGE008
（2）；
其中，
Figure 311058DEST_PATH_IMAGE010
是与所需振幅分布
Figure DEST_PATH_IMAGE011
相关联的相位调制函数，并且
Figure 71203DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 869395DEST_PATH_IMAGE015
为线性相位光栅；
将相位函数展开，选取一级衍射分量，得到：
Figure 474820DEST_PATH_IMAGE017
（3）；
忽略其中的指数项，通过数值反演求得相位调制函数，最终加载的计算全息图表达式为：
Figure 674857DEST_PATH_IMAGE019
（4）；
光场质量评价选择峰值信噪比（PSNR）作为衡量图像失真或噪声水平的客观标准，表示信号最大可能功率和影响它的表示精度的破坏性噪声功率的比值，对于两个m×n的单色图像I和K，如果一个为另外一个的噪声近似，采集图像二维矩阵数据并进行归一化处理，记为
Figure 841789DEST_PATH_IMAGE021
，以目标光场为参考，其归一化强度分布记为
Figure 2643DEST_PATH_IMAGE023
，那么它们的均方误差定义为：
Figure 270814DEST_PATH_IMAGE025
（5）；
然后PSNR定义为：
Figure 200724DEST_PATH_IMAGE027
（6）；
其中
Figure 161726DEST_PATH_IMAGE029
为图片可能的最大像素值；利用峰值信噪比（PSNR）对生成光场的强度分布进行评价，以目标光场的强度分布为参考图像，两者之间峰值信噪比（PSNR）值越大，表示图像失真越小，生成光场与目标光场的强度分布越相似。
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