CN112904580A - 一种产生矢量非均匀关联光束的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学技术领域，公开了一种产生矢量非均匀关联光束的系统及方法，其方法包括：产生第一激光束；对第一激光束进行扩束；将扩束后的第一激光束转换为光强为不同模式相互叠加的第二激光束；将第二激光束聚焦；在第二激光束聚焦后的焦平面上滤出正负一级衍射光；将滤出的正负一级衍射光分别转换成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束；将所述左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束准直；将准直后的左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束合成一束矢量光束，所述矢量光束即为矢量非均匀关联光束。本发明所产生的矢量非均匀关联光束不仅具有较低的闪烁，还具有较高的强度，为自由空间通信的通信载体、微粒操控以及纵向场整形等方面提供了绝佳的选择。

Description

一种产生矢量非均匀关联光束的系统及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种产生矢量非均匀关联光束的系统及方法。

背景技术

空间相干性是光场的固有特性，它决定着光束传播特性，在光学信息成像、相干衍射成像等领域都有重要的影响。过去几年里，光学相干理论发展迅速。对部分相关光束的研究表明，该光束在自由空间光通信、高分辨率成像、原子冷却以及光束整形方面都有很重要的应用。但是目前为止大部分的研究还是局限于空间均匀相干分布，也称之为谢尔模光束，它仅依赖于空间两点的距离。近几年，大家更多关注到非均匀关联光束。不同于谢尔模关联光束，非均匀关联光束由于其独特的相干特性，在空间传输中表现出了特殊的自聚焦以及自偏移的特性。这种光束能够在传输过程中能够降低闪烁，保持大气湍流中的长距离传输。因此非均匀关联光束整形或是空间光通信中具有更好的应用。

除了相干性以外，偏振也是光场调控研究中一个重要参量，对于光场偏振调控一直是光学领域中的研究热点。这些新型矢量光场揭示了一系列新型物理效应，譬如其紧聚焦特性等，在微粒操控，飞秒微加工，纵向场整形等方面有重要的应用。

光场的相干性与偏振特性存在紧密的内在联系，目前能够产生矢量非均匀光束的文章屈指可数，因为相比于均匀关联光束的实验产生来说，产生非均匀关联光束的在实验上的实现较为困难，对于矢量非均匀的研究就更少了，2011 年Macías-Romero等人[Macías-Romero C,Lim R,ForemanM R,et al.Synthesis ofstructured partially spatiallycoherent beams.Opt.Lett.,2011,36(9),1638.]利用模式展开提供了一种产生非均匀光束的方法，该方法利用旋转扩散产生每个相干模式不互相干的光源耦合进一捆单模光纤，再利用空间光调制器多路复用加载全息片，对这些互不相关的相干光束进行叠加来实现非均匀的部分相干光束，该方法理论上可以产生任意空间相干性的部分相干光束，但其模式局限于单模光纤的数量以及空间光调制器的硬件参数，并且对于空间光调制器上加载的全息片的设计要求苛刻等原因，其实际应用价值收到影响。2013年，Cui等人[Cui S,Chen Z,Zhang L,et al.Experimental generation of nonuniformly correlated partiallycoherent light beams.Opt.Lett.,2013,38(22),4821.]提出了一种利用随机相位屏去产生非均匀关联光束的方法，该方法仅能产生作者定义关联的非均匀光束，缺乏对这一特定非均匀光束的理论研究。2017年，Hyde等人[Hyde IV M W,Bose-Pillai S,Xiao X,et al.Afast and efficient method for producing partially coherent sources.J.Opt.,2017,19(025601),025601.]提出了一种利用伪模叠加的方法。利用变形镜变化速率较快的优点，对所求得的相干模式按照特定概率进行非相干叠加。该方法可以产生任意均匀部分相干光束以及某一类型的非均匀部分相干光。同年11月，该作者发表了该篇文章的实验结果[Hyde IV M W, Bose-Pillai S R,Wood RA.Synthesis ofnon-uniformlycorrelatedpartially coherent sources using a deformablemirror.Appl.Phy.Lett.,2017,111(10),101106.]，但事实上实验结果图并不特别理想。2020年，[Zhu X,Yu J,ChenY,et al.Experimental synthesis of random light sourceswith circular coherence by digital micro-mirror device.Applied PhysicsLetters,2020,117(12),121102.]专利申请人利用数字微镜器件以及朗奇光栅，利用模式叠加的方法产生了标量非均匀关联光束，但是缺乏矢量研究。

上述是标量非均匀关联光束的产生，2016年Hyde等人[Hyde IV M W, Bose-Pillai S,Voelz D G,et al.Generation of vector partially coherent opticalsources using phase-only spatial light modulators.Phys.Rev.Appl.,2016,6(6),064030.]提出了一种新的随机相位屏合成矢量部分相干光束的方法，该方法通过所需要的部分相干光束，对该光束的光强及关联函数进行一系列的变换，求得所加载在空间光调制器上的一个随机相位，循环这一操作产生一系列随机相位屏，通过切换随机相位屏得到部分相干光束。该方法理论上可以产生任意均匀和非均匀光束，但该方法所涉及到的随机相位屏的产生过程繁琐，计算冗长，需要牺牲大量计算时间，此外该方法产生的矢量是经由分束器分成两路光束后再由分束器合成，这种合成系统不够稳定。2020年，Yu等人[Yu J,ZhuX,Lin S,et al.Vector partially coherent beams with prescribed non-uniformcorrelation structure.Optics Letters,2020,45(13),3824.]利用空间光调制器以及径相偏振转换器产生了矢量非均匀关联光束，但是该种矢量光束依赖于径相偏振转换器这一器件将标量光束直接转换为矢量光束。因此，需要一种新的能够产生矢量非均匀关联光束的方案来解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题的是提供一种可以结构简单、稳定性好的产生矢量非均匀关联光束的系统。

为了解决上述问题，本发明提供了一种产生矢量非均匀关联光束的系统，其包括计算机以及沿光路依次设置的激光器、扩束装置、数字微镜器件、第一透镜、第一滤波片、四分之一波片、第二透镜、朗奇光栅，所述计算机与数字微镜器件电连接，所述计算机用于将变化的计算全息图加载至所述数字微镜器件上；

所述激光器用于产生第一激光束；

所述扩束装置用于对第一激光束进行扩束；

所述计算全息图用于将扩束后的第一激光束转换为光强为不同模式相互叠加的第二激光束；

所述第一透镜用于将所述第二激光束聚焦；

所述第一滤波片用于在第二激光束聚焦后的焦平面上滤出正负一级衍射光；

所述四分之一波片用于将正负一级衍射光分别转换成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束；

所述第二透镜用于将所述左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束准直；

所述朗奇光栅用于将准直后的左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束合成一束矢量光束，所述矢量光束即为矢量非均匀关联光束。

作为本发明的进一步改进，所述光路中还设有第二滤波片，所述第二滤波片设于所述扩束装置和数字微镜器件之间，所述第二滤波片用于转换经过所述扩束装置后的激光束的振幅函数。

作为本发明的进一步改进，所述第二滤波片为高斯滤波片。

作为本发明的进一步改进，还包括线偏振片，所述线偏振片用于筛选合成的矢量光束在不同方向上的光场，通过旋转所述线偏振片的角度可得到不同的标量非均匀关联光束。

作为本发明的进一步改进，所述变化的计算全息图包括多张子图，每一张子图表示生成某一模式的计算全息图，所述计算机用于将所有模式的计算全息图按照预定的概率在所述数字微镜器件上播放，每一张计算全息图的播放时间相同。

作为本发明的进一步改进，所述产生矢量非均匀关联光束的系统还包括电荷耦合元件，所述电荷耦合元件用于记录所述矢量光束的光强。

作为本发明的进一步改进，所述计算机与电荷耦合元件连接，所述计算机用于存储所述电荷耦合元件记录的矢量非均匀关联光束的光强。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种产生矢量非均匀关联光束的方法，其包括：

产生第一激光束；

对第一激光束进行扩束；

将扩束后的第一激光束转换为光强为不同模式相互叠加的第二激光束；

将第二激光束聚焦；

在第二激光束聚焦后的焦平面上滤出正负一级衍射光；

将滤出的正负一级衍射光分别转换成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束；

将所述左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束准直；

将准直后的左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束合成一束矢量光束，所述矢量光束即为矢量非均匀关联光束。

作为本发明的进一步改进，在所述对第一激光束进行扩束之后，在将扩束后的第一激光束转换为光强为不同模式相互叠加的第二激光束之前，还包括：转换经过扩束后的激光束的振幅函数。

作为本发明的进一步改进，所述将准直后的左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束合成一束矢量光束之后，还包括：

筛选合成的矢量光束在不同方向上的光场，并得到不同的标量非均匀关联光束。

本发明的有益效果：

本发明产生矢量非均匀关联光束的系统及方法可以产生矢量非均匀关联光束，所产生的矢量非均匀关联光束不仅具有较低的闪烁，还具有较高的强度，偏振部分能量在传输过程中能够保持能量几乎不变的特性，为自由空间通信的通信载体、微粒操控以及纵向场整形等方面提供了绝佳的选择。具有结构简单、稳定性好的优点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明优选实施例中产生矢量非均匀关联光束的系统的示意图；

图2是本发明优选实施例中的计算全息图；

图3是本发明优选实施例中产生矢量非均匀关联光束的方法的流程图。

标记说明：1、激光器；2、扩束装置；3、第二滤波片；4、数字微镜器件； 5、第一透镜；6、第一滤波片；7、四分之一波片；8、第二透镜；9、朗奇光栅； 10、线偏振片；11、电荷耦合元件；12、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。

如图1所示，为本发明优选实施例中的产生矢量非均匀关联光束的系统，该系统包括计算机12以及沿光路依次设置的激光器1、扩束装置2、数字微镜器件4、第一透镜5、第一滤波片6、四分之一波片7、第二透镜8、朗奇光栅9，所述计算机12与数字微镜器件4电连接，所述计算机12用于将变化的计算全息图加载至所述数字微镜器件4上。其中，第一透镜4和第二透镜8组成一个4f系统。

所述激光器1用于产生第一激光束，所述扩束装置2用于对第一激光束进行扩束，所述计算全息图用于将将扩束后的第一激光束转换为光强为不同模式相互叠加的第二激光束，所述第一透镜5用于将第二激光束聚焦，所述第一滤波片6用于在聚焦的第二激光束的焦平面上滤出正负一级衍射光，所述四分之一波片7用于将正负一级衍射光分别转换成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束，所述第二透镜8用于将所述左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束准直，所述朗奇光栅9用于将准直后的左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束合成一束矢量光束，所述矢量光束即为矢量非均匀关联光束。

可选的，所述光路中还设有第二滤波片3，所述第二滤波片3设于所述扩束装置2和数字微镜器件4之间，所述第二滤波片3用于转换经过所述扩束装置2后的激光束的振幅函数。在其中一实施例中，所述第二滤波片3为高斯滤波片，激光束经过高斯滤波片后其振幅转换成高斯形式，在本发明的其他实施例中，第二滤波片3可以选择其他滤波片，以将激光束的振幅转换成其他形式。

在一些实施例中，该系统还包括线偏振片10，所述线偏振片10用于筛选合成的矢量光束在不同方向上的光场，通过旋转所述线偏振片10的角度可得到不同的标量非均匀关联光束。

参照图2，其中，所述变化的计算全息图包括多张子图，每一张子图表示生成某一模式的计算全息图，所述计算机12用于将所有模式的计算全息图按照预定的概率在所述数字微镜器件4上播放，每一张计算全息图的播放时间相同。在其中一实施例中，共选取91个模式的计算全息图。

可选的，所述产生矢量非均匀关联光束的系统还包括电荷耦合元件11，所述电荷耦合元件11用于记录所述矢量光束的光强，所述计算机12与电荷耦合元件11连接，所述计算机12用于存储所述电荷耦合元件11记录的矢量非均匀关联光束的光强。

在一些实施例中，所述扩束装置2为扩束镜。

如图3所示，本发明优选实施例还公开了一种产生矢量非均匀关联光束的方法，该方法包括以下步骤：

S1、产生第一激光束；可选的，利用激光器1产生第一激光束。进一步的，所述激光器1为固体激光器，其发射波长为532nm。

S2、对第一激光束进行扩束；可选的，利用扩束镜对第一激光束进行扩束。

S4、将扩束后的第一激光束转换为光强为不同模式相互叠加的第二激光束；可选的，利用计算机12将变化的计算全息图加载至数字微镜器件4上，扩束后的第一激光束经过变化的计算全息图后其光强为不同模式相互叠加的第二激光束。

S5、将第二激光束聚焦；可选的，通过第一透镜5将第二激光束聚焦。

S6、在第二激光束聚焦后的焦平面上滤出正负一级衍射光；可选的，通过第一滤波片6在第二激光束聚焦后的焦平面上滤出正负一级衍射光。

S7、将滤出的正负一级衍射光分别转换成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束；可选的，利用四分之一波片7将正负一级衍射光分别转换成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束。

S8、将所述左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束准直；可选的，通过第二透镜8将所述左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束准直。

S9、将准直后的左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束合成一束矢量光束，所述矢量光束即为矢量非均匀关联光束。可选的，利用朗奇光栅9将准直后的左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束合成一束矢量光束。

可选的，所述步骤S2之后，步骤S4之前，还包括步骤：S3、转换经过扩束后的激光束的振幅函数。可选的，通过第二滤波片3用于转换经过所述扩束装置2后的激光束的振幅函数。在其中一实施例中，所述第二滤波片3为高斯滤波片，激光束经过高斯滤波片后其振幅转换成高斯形式，在本发明的其他实施例中，第二滤波片3可以选择其他滤波片，以将激光束的振幅转换成其他形式。

可选的，所述步骤S9之后，还包括步骤：

S10、筛选合成的矢量光束在不同方向上的光场，并得到不同的标量非均匀关联光束。可选的，利用线偏振片10筛选合成的矢量光束在不同方向上的光场，通过旋转所述线偏振片10的角度可得到不同的标量非均匀关联光束。

本发明的理论依据如下：

首先对于矢量部分相干光束可以用相干偏振矩阵来表示(本发明中的矢量非均匀关联光束属于矢量部分相干光束的一种)，可以表示为：

其中：

其中，ρ₁＝(x₁,y₁)，ρ₂＝(x₂,y₂)，ρ₁和ρ₂表示位置矢量，α＝x,y，β＝x,y。E_x和 E_y表示两个相互正交的x及y的随机电场。W是交互电场的系综平均，称之为交叉谱密度，可以用来表示部分相干光束。

公式(1)满足非负性定义，得到：

W_αβ(ρ₁,ρ₂)＝∫p_αβ(v)H_α ^*(ρ₁,v)H_β(ρ₂,v)dv (2)

其中，v是某个模式的表征量，不同的v代表不同的模式。

将公式(2)中积分公式换成求和的形式，得到：

公式(3)可以理解为：部分相干光束可由权重函数p加权的N个基本场H 的非相干叠加组成。当N到达一定数量的时候，这个离散求和得到的光束与理论光束一致。

可选的，权重函数p选取最基本的高斯形式：

可见，p与α,β无关；a为常数，与高斯函数束腰大小有关。而H函数满足以下表达式：

其中，

为光束初始相位，ω₀为光束束腰，ρ为位置矢量，k＝2π/λ为波矢，λ为波长。

将上述公式(4)-(6)代入表达式(2)即可得到本发明中所产生的矢量非均匀关联光束的理论表达式：

其中，相干长度

式中与相干长度δ_g有关的项称为相干项，从上式可以看出，相干项并不仅依赖于两个位置点的绝对距离，即相干项中并不是只存在关于ρ₁-ρ₂这一项，因此该光束是矢量非均匀关联光束。

在本发明中，通过图1中器件3至9完成权重函数p以及基本场H的设置。基本场H的实现过程如下，首先加载到数字微镜器件4上的n张计算全息图的函数表达式如下：

其中，γ和f₀分别为计算全息图的调制深度以及空间频率，kρ²是空间变化相位，

是附加的初始相位。那么，经过高斯滤波片3的光束依次经过计算全息图、第一透镜5、第一滤波片6分成正负一级，其电场可以表示为：

其中，

为光束振幅，这里是高斯振幅，ω₀是光束束腰，ρ是位置矢量。再利用四分之一波片7分别将线偏振的正一级光变成左旋圆偏振，负一级光变成右旋圆偏振，如下：

其中，

分别是x,y方向的基矢；光束经过第一透镜5后由朗奇光栅9 将两束正负一级的圆偏振光合成一束，如下：

上述表达式与之前所设定的基本场H的表达式一致。此过程为本发明中H 函数的实现过程。其中权重函数p则决定了这N张计算全息图的生成概率，由计算机12完成编成后在数字微镜器件4上播放。整套由函数p加权的N个基本场H的非相干叠加就实现了公式(3)，实现了公式(3)也就实现了公式(2)(即公式(7)。也就是矢量非均匀关联光束的实现过程。

在其中一实例中，选取初始相位为

选取模式数N＝91，这些模式以 p(v_n)的概率播放，每一张的播放时间为56μs。最终由电荷耦合元件11拍摄这些不同模式非相干叠加后的光束光斑，电荷耦合元件11拍摄曝光时间设置为 t＝12000μs，由于相机曝光时间较长而数字微镜器件4频率较快，因此电荷耦合元件11储存的单张图片的光强就可以近似为非相干叠加后的光强，也就是所述的矢量非均匀关联部分相干光。在电荷耦合元件11之前放置一个线偏振片 10，通过旋转线偏振片10的角度就可以得到不同的标量非均匀关联光束。因此本发明所产生的矢量非均匀部分相干光束亦包含了特殊标量非均匀关联光束的信息。

本发明产生矢量非均匀关联光束的系统及方法可以产生矢量非均匀关联光束，所产生的矢量非均匀关联光束不仅具有较低的闪烁，还具有较高的强度，偏振部分能量在传输过程中能够保持能量几乎不变的特性，为自由空间通信的通信载体、微粒操控以及纵向场整形等方面提供了绝佳的选择。具有结构简单、稳定性好的优点。

以上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 (10)

1.一种产生矢量非均匀关联光束的系统，其特征在于，包括计算机以及沿光路依次设置的激光器、扩束装置、数字微镜器件、第一透镜、第一滤波片、四分之一波片、第二透镜、朗奇光栅，所述计算机与数字微镜器件电连接，所述计算机用于将变化的计算全息图加载至所述数字微镜器件上；

所述激光器用于产生第一激光束；

所述扩束装置用于对第一激光束进行扩束；

所述计算全息图用于将扩束后的第一激光束转换为光强为不同模式相互叠加的第二激光束；

所述第一透镜用于将所述第二激光束聚焦；

所述第一滤波片用于在第二激光束聚焦后的焦平面上滤出正负一级衍射光；

所述四分之一波片用于将正负一级衍射光分别转换成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束；

所述第二透镜用于将所述左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束准直；

所述朗奇光栅用于将准直后的左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束合成一束矢量光束，所述矢量光束即为矢量非均匀关联光束。

2.如权利要求1所述的产生矢量非均匀关联光束的系统，其特征在于，所述光路中还设有第二滤波片，所述第二滤波片设于所述扩束装置和数字微镜器件之间，所述第二滤波片用于转换经过所述扩束装置后的激光束的振幅函数。

3.如权利要求2所述的产生矢量非均匀关联光束的系统，其特征在于，所述第二滤波片为高斯滤波片。

4.如权利要求1所述的产生矢量非均匀关联光束的系统，其特征在于，还包括线偏振片，所述线偏振片用于筛选合成的矢量光束在不同方向上的光场，通过旋转所述线偏振片的角度可得到不同的标量非均匀关联光束。

5.如权利要求1所述的产生矢量非均匀关联光束的系统，其特征在于，所述变化的计算全息图包括多张子图，每一张子图表示生成某一模式的计算全息图，所述计算机用于将所有模式的计算全息图按照预定的概率在所述数字微镜器件上播放，每一张计算全息图的播放时间相同。

6.如权利要求1所述的产生矢量非均匀关联光束的系统，其特征在于，所述产生矢量非均匀关联光束的系统还包括电荷耦合元件，所述电荷耦合元件用于记录所述矢量光束的光强。

7.如权利要求6所述的产生矢量非均匀关联光束的系统，其特征在于，所述计算机与电荷耦合元件连接，所述计算机用于存储所述电荷耦合元件记录的矢量非均匀关联光束的光强。

8.一种产生矢量非均匀关联光束的方法，其特征在于，包括：

产生第一激光束；

对第一激光束进行扩束；

将扩束后的第一激光束转换为光强为不同模式相互叠加的第二激光束；

将第二激光束聚焦；

在第二激光束聚焦后的焦平面上滤出正负一级衍射光；

将滤出的正负一级衍射光分别转换成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束；

将所述左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束准直；

将准直后的左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束合成一束矢量光束，所述矢量光束即为矢量非均匀关联光束。

9.如权利要求8所述的产生矢量非均匀关联光束的方法，其特征在于，在所述对第一激光束进行扩束之后，在将扩束后的第一激光束转换为光强为不同模式相互叠加的第二激光束之前，还包括：转换经过扩束后的激光束的振幅函数。

10.如权利要求8所述的产生矢量非均匀关联光束的方法，其特征在于，所述将准直后的左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束合成一束矢量光束之后，还包括：

筛选合成的矢量光束在不同方向上的光场，并得到不同的标量非均匀关联光束。

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