CN112505934B - 一种相干度和偏振度可调的光源系统及其调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了相干度和偏振度可调的光源系统及其调控方法，采用激光器发出相干光束；在激光器旁间隔设置第一透镜，将相干光通过第一透镜后形成会聚光；在第一透镜旁间隔设置粗糙波片，将会聚光照射到粗糙波片上；调整粗糙波片的位置和高度，使会聚光的会聚点位于粗糙波片的上半部分、且使会聚光轴垂直于粗糙波片的表面；将粗糙波片可拆卸连接一电机，电机带动粗糙波片自转；通过自转粗糙波片的会聚光形成部分相干部分偏振的光斑；在粗糙波片旁间隔设置第二透镜，使光斑经过第二透镜会聚为平行光斑；更换不同粗糙度的粗糙波片，即实现通过光束的相干度和偏振度的调控。解决了现有技术生成的部分相干光无法调控其相干度和偏振度的问题。

Description

一种相干度和偏振度可调的光源系统及其调控方法
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种相干度和偏振度可调的光源系统及其调控方法。
背景技术
随着科学技术的发展，激光因具有单色性、高相干性、高强度和良好的方向性等一系列优点，被广泛应用于工业加工、非接触测量、显微成像等领域。但是激光应用的范围越来越广泛，对激光器的要求也越来越高，激光的高相干性虽然在很多方面有用，但是在有些应用方面，激光的高相干性会产生不利影响，例如在生物成像等领域时，高相干性的激光会产生较为严重的相干噪声与散斑噪声。而为了消除相干噪声与散斑噪声，人们通常采用部分相干光进行成像，以此提高成像分辨率，实现较大的显微深度。
目前，部分相干光主要通过腔外调制和腔内调制两种方法生成。其中，腔外调制法是将激光器输出的光束进行扩束后，再使其通过动态散射体来控制光束的相干性；而腔内调制法是通过控制激光谐振腔中的损耗来输出空间多模激光。但是，现有的这些方法生成的部分相干光都是时间和空间稳定分布的部分相干光。
发明内容
本发明的目的是提供一种相干度和偏振度可调的光源系统及其调控方法，以解决现有技术生成的部分相干光无法调控其相干度和偏振度的问题。
本发明采用以下技术方案：一种相干度和偏振度可调的光源系统的调控方法，包括下述步骤：
采用激光器发出相干光束；
在激光器旁间隔设置第一透镜，将相干光通过第一透镜后形成会聚光；
在第一透镜旁间隔设置粗糙波片，将会聚光照射到粗糙波片上；同时，调整粗糙波片的位置和高度，使会聚光的会聚点位于粗糙波片的上半部分、且使会聚光轴垂直于粗糙波片的表面；
将粗糙波片可拆卸连接一电机，电机连接稳压电源，稳压电源为电机提供电源，电机带动粗糙波片自转；通过自转粗糙波片的会聚光形成部分相干部分偏振的光斑；
在粗糙波片旁间隔设置第二透镜，使光斑经过第二透镜汇聚为平行光斑；
更换不同粗糙度的粗糙波片，即实现通过光束的相干度和偏振度的调控；
其中，粗糙波片为双折射材料制成。
本发明采用的第二种技术方案是，一种相干度和偏振度可调的光源系统，包括依次间隔设置的激光器、第一透镜和粗糙波片，具体的：
激光器，用于提供相干光束；
第一透镜，用于会聚相干光束形成会聚光；
粗糙波片，可拆卸连接有转动机构，并在转动机构的带动下自转；用于接收会聚光，并使会聚光从其上半部分通过后形成光斑；
第二透镜，用于接收光斑，并将其会聚形成部分相干光；
其中，粗糙波片为双折射材料制成。
进一步的，转动机构为：
一电机，与粗糙波片可拆卸连接，用于提供粗糙波片旋转的动力；
一稳压电源，与电机电连接。
进一步的，粗糙波片的中心设置有单层齿轮，单层齿轮的中心孔与电机的转轴可拆卸连接。
进一步的，粗糙波片的中心设置有通孔，粗糙波片与电机的转轴通过夹片可拆卸连接。
本发明的有益效果是：1、本发明的调控方案所使用的设备简单，是在相干度调控的基础上，利用粗糙波片对偏振态的影响来实现对偏振度的调控，该系统包括频率和功率稳定的氦氖激光器以及沿所述激光器的发射光路方向设置的调控系统组成，调控系统包括固定在旋转装置上的粗糙波片以及电机和控制器组成。弥补了激光器在偏振度调控方面的空白。
2、通过光学传递矩阵的方法来计算经过调控后的光束的相干度和偏振度，最终的结果也证明可以通过这种方法来调控出射光束的相干度和偏振度。
3、本发明提供的激光光源可以应用在激光核聚变、大气激光通信、光束整形、微粒俘获、非线性光学、相干衍射成像、原子冷却等众多领域。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种实现任意相干度任意偏振度调控系统结构示意图；
图2是本发明一种实现任意相干度任意偏振度调控系统生成光束与粗糙波片粗糙度之间影响的关系曲线。
其中，1.激光器，2.第一透镜，3.粗糙波片，4.电机，5.稳压电源，6.第二透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种相干度和偏振度可调的光源系统的调控方法，包括下述步骤：
采用激光器1发出相干光束。在激光器1旁间隔设置第一透镜2，将所述相干光通过第一透镜2后形成会聚光；在第一透镜2旁间隔设置粗糙波片3，将所述会聚光照射到粗糙波片3上；同时，调整粗糙波片3的位置和高度，使会聚光的会聚点位于粗糙波片3的上半部分、且使会聚光轴垂直于粗糙波片3的表面。
将粗糙波片3可拆卸连接一电机4，电机4连接稳压电源5，所述稳压电源5为电机4提供电源，电机4带动粗糙波片3自转；通过自转粗糙波片3的会聚光形成部分相干部分偏振的光斑。在粗糙波片3旁间隔设置第二透镜6，使所述光斑经过第二透镜6汇聚为平行光斑。更换不同粗糙度的粗糙波片3，即实现通过光束的相干度和偏振度的调控。
其中，粗糙波片3的技术参数要求如下：
粗糙波片3为双折射材料制成，形状为圆形，适合应用波长从紫外波段到近红外波段的应用，其光轴平行于表面，两个表面都是平面，单面抛光，另一面细磨，表面的粗糙度σd与和平均入射波长λ有关，表面粗糙度与波长大小的比值σd/λ和产生的光束偏振度的关系可以从图2确定；当安装粗糙波片3时，磨砂抛光面应该朝向光源的反方向。
本发明还提供了一种相干度和偏振度可调的光源系统，如图1所示，包括依次间隔设置的激光器1、第一透镜2和粗糙波片3。激光器1用于提供相干光束；第一透镜2用于会聚所述相干光束形成会聚光；粗糙波片3可拆卸连接有转动机构，并在所述转动机构的带动下自转；用于接收所述会聚光，并使会聚光从其上半部分通过后形成光斑；第二透镜6，用于接收所述光斑，并将其会聚形成部分相干光。光束通过粗糙波片3后，被粗糙波片3散射成为杂乱无章的散斑束，由于粗糙波片的高速转动，变成“均匀”的光斑，光斑经过第二透镜6后形成光束。
转动机构包括电机4和稳压电源5。电机4与所述粗糙波片3可拆卸连接，用于提供所述粗糙波片3旋转的动力。稳压电源5与所述电机4电连接。
粗糙波片3为双折射材料制成，形状为圆形，适合应用波长从紫外波段到近红外波段的应用，其光轴平行于表面，两个表面都是平面，单面抛光，另一面细磨，表面的粗糙度σd与和平均入射波长λ有关，表面粗糙度与波长大小的比值σd/λ和产生的光束偏振度的关系可以从图2确定；当安装粗糙波片3时，磨砂抛光面应该朝向光源的反方向。
粗糙波片3使用双折射材料制成，并会提前预制多个型号，不同型号的粗糙波片3的粗糙度不同。由于激光器1发出的光照在粗糙波片3表面，不同粗糙度的表面会有随机的高度起伏，石英晶体表面会有波片会产生不一样的相位延迟，使经过散射的光产生不同的偏振态，所以整束光的偏振度也会发生改变。如图2所示，鉴于光源的偏振度和相干度与双折射材料粗糙度之间存在的特殊关系，通过切换不同型号的粗糙波片3，就能实现对激光的调控，来达到想要任意相干度和偏振度的结果。每个粗糙波片3与电机4均为可拆卸连接，目的是便于更换系统中所使用的粗糙波片3的型号。
不同型号的粗糙波片3的切换形式有很多种，比如：粗糙波片3的中心设置有单层齿轮，所述单层齿轮的中心孔与所述电机4的转轴可拆卸连接；或者，粗糙波片3的中心设置有通孔，所述粗糙波片3与所述电机4的转轴通过夹片可拆卸连接。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种可以实现任意相干度任意偏振度调控的系统，该系统包括激光光源以及沿光源发射光路方向依次设置的光源调制组件这两部分组成。激光器选用的是Newport的波长为633nm、功率为1.5mW的He-Ne激光器，在距离激光器100mm处设置一个焦距为50mm的透镜2，通过透镜2来调节照射到粗糙波片3上的光斑宽度大小，实验用的粗糙波片3由石英晶体材料加工，折射率为nx＝1.468,ny＝1.658，粗糙度为125um，厚度为2mm，此时光束通过粗糙波片3后，形成了杂乱无章的散斑光束，然后在距离粗糙波片3为50mm处放置一个焦距为50mm的透镜6来准直光束，使散斑汇聚成为一个方向性较好的光斑，最后接通电源并调整电压为5v，此时由于粗糙波片的转动，通过透镜6的光束就变成一个部分相干部分偏振的“均匀”光斑。
本发明使用双折射材料作为动态散射体，即粗糙波片3。根据入射光和双折射材料琼斯矩阵，来计算经过粗糙波片3后的光的琼斯矩阵，而散射光的偏振度可以通过光的琼斯矩阵计算得到，通过双折射材料引入表面粗糙度和出射光束的偏振度之间的关系，最终计算得到两者间的关系曲线如图2所示，其中横坐标σd/λ表示粗糙波片的表面粗糙度与波长大小的比值，纵坐标Pt表示经过散射体后的光束的偏振度。
本发明的一种相干度和偏振度可调的光源系统在使用过程中，首先根据粗糙波片3的表面粗糙度与波长大小的比值σd/λ与出射光偏振度的关系图2，在纵坐标上选择所需光束的偏振度Pt，确定所对应的横坐标σd/λ值，再根据所用的激光器的入射波长λ来确定所需偏振度对应的双折射材料的粗糙度，更换电机4上安装的粗糙波片3，然后调整光路。首先让激光器1发出相干光束通过一个焦距为f的第一透镜2，通过第一透镜2来调节照射到旋转粗糙波片3上的光斑宽度大小，光束通过粗糙波片3后，被粗糙波片3散射成为杂乱无章的散斑束，再接通电机电源，由于粗糙波片3的高速转动，通过的光束变成“均匀”的光斑，最后在粗糙波片3后用一个焦距为f的第二透镜6来准直光束，使之汇聚为平行光斑；通过改变粗糙波片3的粗糙度，就可以用普通的激光器产生出一个相干度和偏振度可调的光束。
目前常用的部分相干光主要通过腔外调制的方法来生成。是将激光器输出的光束进行扩束后，再使其通过动态散射体来控制光束的相干性；本发明在此基础上，使用双折射材料作为动态散射体的粗糙波片3，从原理上支持了此方案的可行性。根据此性质，探究了不同粗糙度的石英晶体对光束偏振态的影响关系，以此对激光光源进行有效控制，来达到有效控制激光光源的相干度和偏振度的目的，从而使激光光源可以满足不同使用环境对相干度和偏振度的需求，为激光光源更广泛的应用奠定基础。

Claims (1)

1.一种相干度和偏振度可调的光源系统的调控方法，其特征在于，包括下述步骤：
采用激光器(1)发出相干光束；
在激光器(1)旁间隔设置第一透镜(2)，将所述相干光通过第一透镜(2)后形成会聚光；
在第一透镜(2)旁间隔设置粗糙波片(3)，将所述会聚光照射到粗糙波片(3)上；同时，调整粗糙波片(3)的位置和高度，使会聚光的会聚点位于粗糙波片(3)的上半部分、且使会聚光轴垂直于粗糙波片(3)的表面；
将粗糙波片(3)可拆卸连接一电机(4)，电机(4)连接稳压电源(5)，所述稳压电源(5)为电机(4)提供电源，电机(4)带动粗糙波片(3)自转；通过自转粗糙波片(3)的会聚光形成部分相干部分偏振的光斑；
在粗糙波片(3)旁间隔设置第二透镜(6)，使所述光斑经过第二透镜(6)会聚为平行光斑；
更换不同粗糙度的粗糙波片(3)，即实现通过光束的相干度和偏振度的调控；
其中，所述粗糙波片(3)为双折射材料制成。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000356758A (ja) * 1999-03-15 2000-12-26 Citizen Watch Co Ltd 光学装置
CN103123419A (zh) * 2013-01-28 2013-05-29 山西傲维光视光电科技有限公司 基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置
CN104266983A (zh) * 2014-10-10 2015-01-07 西安石油大学 一种基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头及其制备方法
CN107505695A (zh) * 2017-07-24 2017-12-22 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 结构光照明装置及产生条纹结构光的方法
CN208984905U (zh) * 2018-10-31 2019-06-14 湖南大学 矢量光束电控产生装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1034530C (zh) * 1992-05-16 1997-04-09 中国科学院长春光学精密机械研究所 激光外差共路干涉光学系统
JP6330500B2 (ja) * 2014-06-12 2018-05-30 富士通株式会社 増幅装置、受信装置、及び増幅方法
CN109212767B (zh) * 2018-09-30 2020-11-06 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种激光合束系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000356758A (ja) * 1999-03-15 2000-12-26 Citizen Watch Co Ltd 光学装置
CN103123419A (zh) * 2013-01-28 2013-05-29 山西傲维光视光电科技有限公司 基于旋转反射面和散射体的匀场消相干装置
CN104266983A (zh) * 2014-10-10 2015-01-07 西安石油大学 一种基于锥形微纳光纤倏逝场效应的气体传感探头及其制备方法
CN107505695A (zh) * 2017-07-24 2017-12-22 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 结构光照明装置及产生条纹结构光的方法
CN208984905U (zh) * 2018-10-31 2019-06-14 湖南大学 矢量光束电控产生装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于等厚干涉的轴向空间相干度分析及其在表面形状测量中的可行性探讨;段志辉;《实验力学》;20021230;第17卷(第4期);403-411 *

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