CN112539918B - 基于双涡旋光的径向剪切干涉空间光调制器定标方法 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种基于双涡旋光的径向剪切干涉空间光调制器定标方法，先生成一对涡旋光的相位图，将两幅相位图叠加后加载于空间光调制器上，经相干光照射后在CCD上生成花瓣型干涉光斑，其次通过改变空间光调制器上加载的灰度值使其中一个涡旋光的相位发生变化，此时CCD上的干涉光斑会发生旋转，在空间光调制器上加载的涡旋光相位前乘以特定系数使得光斑转动角度与涡旋光相位改变量相等，最后，将空间光调制器上的灰度值从0逐渐增加至255，得到一系列干涉图，采用旋转角度算法获得每幅干涉途中光斑的转动角度，与空间光调制器上所加载灰度值相对应，实现对空间光调制器的定标，本发明具有精度高，光路简单，处理方便的优点。

Description

基于双涡旋光的径向剪切干涉空间光调制器定标方法

技术领域

本发明涉及空间光调制器，特别是一种空间光调制器定标的方法。

背景技术

目前的空间光调制器定标方法主要分为利用干涉原理通过检测干涉条纹移动量的干涉测量法和在空间光调制器上加载二维光栅检测光强变化量的光强测量法。干涉测量法按照光路设计又分分波面公光路和分振幅双光路两种。典型的分波面公光路方法有双缝干涉法、径向剪切干涉法和横向剪切干涉法。这类方法的特点是不易受实验环境的影响，但存在数据处理复杂、精度不高的缺点。分振幅双光路方法主要有迈克尔逊干涉法、泰曼格林干涉法和马赫曾德干涉法。这类方法对实验装置的稳定性要求很高，易受外界干扰。光强测量法的基本原理是在空间光调制器上加载特定光场作为一个二维相位光栅，经相干光照明后在透镜后焦面的光强分布相当于该相位光栅傅里叶变换的平方。改变光栅的相位对比度，位于透镜后焦面的零级衍射光斑光强也会随之改变，从而达到对空间光调制器定标的目的。这种方法光路简单，不易受外界环境干扰，但也有精度不够高，不适用于所有空间光调制器的缺点。

我们提出了一种基于双涡旋光的径向剪切干涉新方法，通过测量光斑转动角度来验证空间光调制器的相位调制特性。该方法光路简单，对实验环境要求低，抗干扰能力强，数据处理简便且精度较高。

发明内容

本发明提出一类新方法，即基于一对涡旋光产生一组旋转花瓣型干涉光斑，通过光斑的旋转角度和空间光调制器上加载的灰度值建立映射关系，达到对空间光调制器定标的目的。

本发明的技术方案如下：

一种基于双涡旋光的径向剪切干涉空间光调制器定标方法，其特点在于，包含以下步骤：

1)搭建合适光路，设置相干光源，沿该相干光源的光束输出方向依次设置扩束器、偏振片、BS、空间光调制器，在所述的BS反射光方向设置CCD，所述的CCD的输出端与计算机的输入端相连，所述的计算机的输出端与所述的空间光调制器的控制端相连；

2)制作特定的相位图，利用所述的计算机编程，模拟生成一对涡旋光的相位图，从每张相位图中随机选取一半的信息组成一个新的组合相位图，将这张组合相位图加载到所述的空间光调制器上；

3)生成涡旋光干涉图：

启动所述的相干光源，该相干光源输出的准直光束经所述的扩束器、偏振片、BS照射在加载了组合相位图的空间光调制器上，反射后的光即为一对涡旋光，选取该一对涡旋光的一束作为参考光，并令该参考光的相位调制量为nα，改变空间光调制器上加载相位图对应于每个像素点的灰度值来调控该像素点上的电压，从而实现对所述参考光的相位改变，另一束涡旋光选作为物光，两束涡旋光经所述的BS反射后在所述的CCD上发生径向剪切干涉，生成涡旋光干涉图，所述的参考光的相位调制量nα，当n＝0、1、2、3、…、 N时，nα由0升至2π，获得一组N幅对应于不同参考光相位的干涉图并输入所述的计算机；通过在参考光的相位前乘以与涡旋光拓扑荷值相匹配的系数，使所述的参考光的相位调制量与涡旋光干涉光斑的旋转角度相等；

4)通过质心定位算法，对所述的干涉图中每个花瓣型光斑的质心进行定位，将所有花瓣型光斑的质心两两相连，作出若干条线段；

5)通过直线夹角算法计算出相邻两张干涉图中同一条线的转动角度，与所加载的灰度值对应，做出与线段数目相等的空间光调制器相位特性曲线；

6)对每条曲线结果取均值后进行线性拟合，得到所述的空间光调制器的定标直线，完成对空间光调制器的定标。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、不同于传统的径向剪切干涉法，此方法省去了使用望远镜系统对光束进行放大缩小的操作，从而大大简化了实验光路，提高了系统的稳定性。

2、此方法得到的实验结果为花瓣形光斑，不是传统的干涉条纹。在实验结果处理上采用了通过质心定位计算花瓣旋转角度的方法，省去了干涉条纹解相位，相位去包络等传统干涉法繁琐的数据处理步骤。

附图说明

图1为本发明基于双涡旋光的径向剪切干涉空间光调制器定标方法的原理示意图；

图2是空间光调制器上加载的涡旋光相位图，(1)是拓扑荷值为+1的涡旋光相位图(2)拓扑荷值为+3的涡旋光相位图(3)两幅相位图叠加组合的相位图；

图3是改变参考涡旋光相位与另一束涡旋光干涉所得的一组干涉图；

图4是涡旋光干涉图的处理方法示意图；

图5是以一对拓扑荷值分别为+1和+3的涡旋光为例按照本发明所述方法得到的对空间光调制器的定标结果，(1)是调制特性曲线，(2)是线性拟合结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1

一种基于双涡旋光的径向剪切干涉空间光调制器定标方法，其依附的装置结构如图1所示，所述装置包括相干光源1、扩束器2、偏振片3、BS4、空间光调制器5、CCD6，同时，所述空间光调制器与计算机连接，用于加载组合相位图，所述CCD与计算机相连，用于保存干涉图。

所述定标方法包括以下步骤：

如图2所示，以一对拓扑荷值为+1和+3的涡旋光为例，程序模拟生成这对涡旋光的相位图，从每张相位图中随机选取一半的信息组成一个新的组合相位图，将这张相位图加载到空间光调制器上；

一束相干光经准直扩束后入射到加载了特定相位图的空间光调制器上，反射后光即为一对涡旋光，两束涡旋光在CCD上发生干涉，生成涡旋光干涉图。

将所述的一对涡旋光中选取一束作为参考光，另一束作为物光，通过程序编辑，在参考光的相位上增加一个相位常量，并将该相位常量由0升至2 π；

在参考光的相位前乘以相应系数，按照所述的方法，生成若干幅由两束涡旋光相位图组合而成的特定相位图，再将所述的相位图依次加载到所述的空间光调制器，在CCD上接收一组对应于不同参考光相位的干涉图，如图3 所示。

所述的相应系数为与涡旋光拓扑荷值相匹配的系数，目的是使得所述的干涉图中干涉光斑的旋转角度与参考光相位的增加量相等。

然后对干涉图进行处理，首先通过质心定位算法，对干涉图中每个光斑的质心进行定位，再将所有光斑的质心两两相连，作出若干条线段，并将每条线段进行编号，接着通过直线夹角算法计算出相邻两张干涉图中同一条线的转动角度，干涉图像处理方法示意图如图4所示。

再将所有干涉图中每一条线的转动角度全部计算出来，与灰度值对应，就可以做出与线段数目相等的空间光调制器相位特性曲线，对每条曲线结果取均值后进行线性拟合，即可得到对空间光调制器的定标结果，如图5所示。

本发明未阐述的内容为本领域技术人员的公知常识。

以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于双涡旋光的径向剪切干涉空间光调制器定标方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)搭建合适光路，设置相干光源(1)，沿该相干光源(1)的光束输出方向依次设置扩束器(2)、偏振片(3)、BS(4)、空间光调制器(5)，在所述的BS(4)反射光方向设置CCD(6)，所述的CCD(6)的输出端与计算机的输入端相连，所述的计算机的输出端与所述的空间光调制器(5)的控制端相连；

2)制作特定的相位图，利用所述的计算机编程，模拟生成一对涡旋光的相位图，从每张相位图中随机选取一半的信息组成一个新的组合相位图，将这张组合相位图加载到所述的空间光调制器(5)上；

3)生成涡旋光干涉图：

启动所述的相干光源(1)，该相干光源(1)输出的准直光束经所述的扩束器(2)、偏振片(3)、BS(4)照射在加载了组合相位图的空间光调制器(5)上，反射后的光即为一对涡旋光，选取该一对涡旋光的一束作为参考光，并令该参考光的相位调制量为nα，改变空间光调制器上加载相位图对应于每个像素点的灰度值来调控该像素点上的电压，从而实现对所述参考光的相位改变，另一束涡旋光选作为物光，两束涡旋光经所述的BS(4)反射后在所述的CCD(6)上发生径向剪切干涉，生成涡旋光干涉图，所述的参考光的相位调制量nα，当n＝0、1、2、3、…、N时，nα由0升至2π，获得一组N幅对应于不同参考光相位的干涉图并输入所述的计算机；通过在参考光的相位前乘以与涡旋光拓扑荷值相匹配的系数，使所述的参考光的相位调制量与涡旋光干涉光斑的旋转角度相等；

4)通过质心定位算法，对所述的干涉图中每个花瓣型光斑的质心进行定位，将所有花瓣型光斑的质心两两相连，作出若干条线段；

5)通过直线夹角算法计算出相邻两张干涉图中同一条线的转动角度，与所加载的灰度值对应，做出与线段数目相等的空间光调制器相位特性曲线；

6)对每条曲线结果取均值后进行线性拟合，得到所述的空间光调制器的定标直线，完成对空间光调制器的定标。

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