CN113031290B - 矢量特殊关联的部分相干光束生成方法、测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种矢量特殊关联的部分相干光束生成方法、测量方法及装置，包括对产生的激光进行扩束准直，并将扩束准直的激光分束为两个具有不同正交分量的光束；对两个光束分别加载特殊相干结构；将加载有特殊相干结构的两个光束进行严格叠加，获得矢量完全相干光束；对所述矢量完全相干光束进行分束，分别获得参考光和信号光；将所述信号光入射至旋转的毛玻璃片，获得完全非相干光；对所述完全非相干光进行滤波整形，获得矢量特殊关联的部分相干光束；同时，基于光电耦合期间混合光束在两个接收装置的强度灰度分布图获得矢量部分相干光束结构函数的实部和虚部，实现矢量部分相干光束的测量。
Description
技术领域
本公开属于激光技术领域，尤其涉及一种矢量特殊关联的部分相干光束生成方法、测量方法及装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
部分相干光束作为对完全相干光的重要补充具有缓解光束的随机起伏的优点，这与自由空间通信中对光束稳定性的要求不谋而合。多年来，对部分相干光的研究表明相较于完全相干光它具有降低光束散斑效应，减少在线性随机介质(如大气湍流)中的光束闪烁，光斑漂移以及在成像领域提高成像分辨率等优点。除此之外通过调控产生的特殊关联部分相干光还具有许多新奇有趣的特性，如自分裂特性，自修复特性，自整形特性等。然而，初期的研究都是建立在将光束的矢量特性忽略，看做标量部分相干光的基础上。随着研究的深入，Wolf等人提出了偏振相干的统一导论，自此矢量的部分相干光与标量部分相干光建立起了密不可分的联系。
矢量的部分相干光场是标量的部分相干光的矢量拓展，相比于标量的部分相干光在自由空间传输、光学成像、光与物质相互作用等方面展现出更加优越的表现。根据偏振相干的统一导论，不同于标量部分相干光场表征两点之间的电场关联，矢量部分相干光场表征同一个电场里两点的不同正交分量之间的关联性。矢量部分相干光的二维统计特性由复相干矩阵表征，复相干矩阵能够详细的描述在一对点处波动光场分量之间的相关性。近些年的研究发现，矢量特殊关联的部分相干光在应用领域会展现出更加丰富的偏振和相干特性，丰富的信息蕴含在其关联结构之中，这极大地引起了对矢量部分相干光的研究热情。
然而，发明人发现，对于矢量特殊关联的部分相干光的广泛应用遇到了多方面的阻碍，其中，矢量特殊关联的部分相干光的产生存在一定困难，且对关联结构的测量仍是一个亟待解决的问题。到目前为止，标量的部分相干光的关联结构的测量方法已经被陆续提出，而实现测量矢量空间相干结构的方法大致只有杨氏双孔测量法和HBT(汉波利布朗特威思)实验法两种。但是这两种方法存在着效率低、损耗大，操作复杂等劣势，因此，寻找一种有效的简便的测量矢量特殊关联的部分相干光束的关联结构的方法是必要的。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提供了一种矢量特殊关联的部分相干光束生成方法、测量方法及装置，能够快速有效的生成矢量特殊关联的部分相干光束，并且能够简便精确的测量矢量特殊关联的部分相干光束的关联结构。
根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种矢量特殊关联的部分相干光束生成方法，包括：
对产生的激光进行扩束准直，并将扩束准直的激光分束为两个具有不同正交分量的光束；
对两个光束分别加载特殊相干结构；
将加载有特殊相干结构的两个光束进行严格叠加，获得矢量完全相干光束；
对所述矢量完全相干光束进行分束，分别获得参考光和信号光；
将所述信号光入射至旋转的毛玻璃片，获得完全非相干光；
对所述完全非相干光进行滤波整形，获得矢量特殊关联的部分相干光束。
根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种矢量特殊关联的部分相干光束生成装置，包括激光器、偏振分束镜、空间光调制器、第一分束镜及毛玻璃片；
所述激光器产生的激光入射到偏振分束镜，所述偏振分束镜分束获得的两个光束入射到空间光调制器，所述空间光调制器输出的加载特殊相干结构的两个光束入射到偏振分束镜，所述偏振分束镜输出的矢量完全相干光束经第一分束镜分束得到参考光和信号光，所述信号光入射到旋转的毛玻璃偏上产生完全非相干光，所述完全非相干光经高斯滤波片获得矢量特殊关联的部分相干光束。
根据本公开实施例的第三个方面，提供了一种矢量特殊关联的部分相干光束测量方法，其基于上述的一种矢量特殊关联的部分相干光束生成方法，包括：
将获得的参考光进行反射后与所述矢量特殊关联的部分相干光束进行叠加，获得矢量混合光束；将所述矢量混合光束进行分束，获得反射光和透射光；
所述反射光和透射光分别经过预设起偏角度的偏振片到达电荷耦合器件；分别记录光电耦合期间的强度分布，获得归一化矢量部分相干结构函数的实部的三维分布；
遮挡住参考光，所述反射光和透射光分别经过预设起偏角度的偏振片到达电荷耦合器件；分别记录光电耦合期间的强度分布，获得归一化的强度关联函数三维分布，得到矢量部分相干光束相干结构的模；
基于相干结构的模和实部信息，获得相干结构函数的虚部。
根据本公开实施例的第四个方面，提供了一种矢量特殊关联的部分相干光束测量装置，基于上述的一种矢量特殊关联的部分相干光束生成装置，包括第二分束镜、薄透镜、第三分束镜、线偏振片以及电荷耦合器；
所述参考光经放射镜反射，与所述矢量特殊关联的部分相干光束经第二分束镜叠加输出矢量混合光束，所述矢量混合光束经薄透镜入射到第三分束镜分束输出反射光和透射光，所述反射光和透射光分别经偏振片到达电荷耦合器；
所述电荷耦合器连接有处理器，所述处理器用于根据获得的光电耦合强度信号求解相干光束结构函数的实部和虚部，实现矢量特殊关联的部分相干光束的测量。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开所述方案提供了一种矢量特殊关联的部分相干光束生成方法、测量方法及装置，有效解决了矢量特殊关联的部分相干光束生成困难的问题，同时，基于光电耦合期间混合光束在两个接收装置的强度灰度分布图获得矢量部分相干光束结构函数的实部和虚部，能够快速有效的生成矢量特殊关联的部分相干光束，并且能够简便精确的测量矢量特殊关联的部分相干光束的关联结构。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例一中所述的矢量特殊关联的部分相干光束生成及测量装置结构示意图；
其中，1：激光器，2：偏振分束镜，3：空间光调制器，4：第一分束镜，5：毛玻璃片，6：高斯滤波片，7：第二分束镜，8：薄透镜，9：第三分束镜，10：第一偏振片，11：第二偏振片，12：第一电荷耦合器，13：第二电荷耦合器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一：
本实施例的目的是提供一种矢量特殊关联的部分相干光束生成方法。
一种矢量特殊关联的部分相干光束生成方法，包括：
对产生的激光进行扩束准直，并将扩束准直的激光分束为两个具有不同正交分量的光束；
对两个光束分别加载特殊相干结构；
将加载有特殊相干结构的两个光束进行严格叠加，获得矢量完全相干光束；
对所述矢量完全相干光束进行分束，分别获得参考光和信号光；
将所述信号光入射至旋转的毛玻璃片，获得完全非相干光；
对所述完全非相干光进行滤波整形，获得矢量特殊关联的部分相干光束。
具体的，为了便于理解，以下结合附图1对本实施例所述方法进行详细说明：
步骤1：由1激光器产生的激光经过扩束准直后，经2偏振分束镜分束，分成两束具有不同的正交分量的两束光：透射光(x分量)和反射光(y分量)；
步骤2：步骤1得到的两束激光入射到3空间光调制器上，各自加载特殊相干结构；
步骤3：步骤2得到的两光束入射进2偏振分束镜，此时两束重新入射的光束严格叠加，得到矢量完全相干光束。
步骤4：步骤3得到的矢量完全相干光束，经由4第一光束分束镜分束后，分别产生透射光作为参考光(矢量完全高斯参考光束)，反射光作为信号光(矢量完全相干光束信号光)；
步骤5：步骤4得到的信号光入射至5旋转的毛玻璃片上。矢量完全相干信号光束经过5动态旋转的毛玻璃片后产生完全非相干光，并经过6高斯滤波片滤波整形后，产生矢量特殊关联的部分相干光束。
其中，所述矢量完全相干信号光束经过6动态旋转的毛玻璃片后产生完全非相干光，并经过7高斯滤波片滤波整形后，产生矢量部分相干光束，其具体包括：
随机统计分布的矢量部分相干光束可以用相干偏振矩阵表示：
其中，符号Γ即代表相干偏振矩阵，Γij表示相干偏振矩阵的四个矩阵元；r1,r2为光源平面上的任意两个坐标矢量；r＝(x,y)为光源平面上任意坐标；
其中，E表示光束的电场，E*表示电场的复共轭，< >为系综平均，“*”表示复共轭。我们定义矢量光束的关联结构，如下
其中，γij表示矢量光束关联函数的矩阵元；I表示矢量光束的光强；ΔI表示矢量光束光强和平均光强的差值；Cs表示矢量光束两点之间的强度起伏关联函数。
我们还可以定义矢量光场瞬间强度分布表达式：
I(r)＝E*(r)E(r)＝|E(x)|2+|E(y)|2
以及矢量光场平均强度分布表达式：
<I(r)>＝<E*(r)E(r)>＝Γxx(r,r)+Γyy(r,r)
借助矢量光场的平均强度和瞬间强度分布，我们可以得到矢量光场强度的随机起伏分布：
ΔI(r)＝I(r)-<I(r)>
由此，两点之间的强度起伏的关联函数可以表示为：
Cs(r1,r2)＝<ΔI(r1)ΔI(r2)>。
实施例二：
本实施例的目的是提供一种矢量特殊关联的部分相干光束生成装置。
一种矢量特殊关联的部分相干光束生成装置，包括激光器、偏振分束镜、空间光调制器、第一分束镜及毛玻璃片；
所述激光器产生的激光入射到偏振分束镜，所述偏振分束镜分束获得的两个光束入射到空间光调制器，所述空间光调制器输出的加载特殊相干结构的两个光束入射到偏振分束镜，所述偏振分束镜输出的矢量完全相干光束经第一分束镜分束得到参考光和信号光，所述信号光入射到旋转的毛玻璃偏上产生完全非相干光，所述完全非相干光经高斯滤波片获得矢量特殊关联的部分相干光束。
实施例三：
本实施例的目的是提供一种矢量特殊关联的部分相干光束测量方法，其基于上述的一种矢量特殊关联的部分相干光束生成方法，包括：
将获得的参考光进行反射后与所述矢量特殊关联的部分相干光束进行叠加，获得矢量混合光束；将所述矢量混合光束进行分束，获得反射光和透射光；
所述反射光和透射光分别经过预设起偏角度的偏振片到达电荷耦合器件；分别记录光电耦合期间的强度分布，获得归一化矢量部分相干结构函数的实部的三维分布；
遮挡住参考光，所述反射光和透射光分别经过预设起偏角度的偏振片到达电荷耦合器件；分别记录光电耦合期间的强度分布，获得归一化的强度关联函数三维分布，得到矢量部分相干光束相干结构的模；
基于相干结构的模和实部信息，获得相干结构函数的虚部。
具体的，为了便于理解，以下结合附图1对本实施例所述方法进行详细说明：
步骤1：由1激光器产生的激光经过扩束准直后，经2偏振分束镜分束，分成两束具有不同的正交分量的两束光：透射光(x分量)和反射光(y分量)；
步骤2：步骤1得到的两束激光入射到3空间光调制器上，各自加载特殊相干结构；
步骤3：步骤2得到的两光束入射进2偏振分束镜，此时两束重新入射的光束严格叠加，得到矢量完全相干光束。
步骤4：步骤3得到的矢量完全相干光束，经由4第一光束分束镜分束后，分别产生透射光作为参考光(矢量完全高斯参考光束)，反射光作为信号光(矢量完全相干光束信号光)；
步骤5：步骤4得到的信号光入射至5旋转的毛玻璃片上。矢量完全相干信号光束经过5动态旋转的毛玻璃片后产生完全非相干光，并经过6高斯滤波片滤波整形后，产生矢量部分相干光束；
步骤6：步骤4得到的参考光经过反射镜反射后，与步骤5产生的矢量部分相干光束经由7第二光束分束镜叠加，得到矢量混合光束；
步骤7：由步骤6得到的矢量混合光束经过8薄透镜后，通过9第三分束镜分束，得到的反射光和透射光分别经由10第一线偏振片和11第二线偏振片后分别被12第一电荷耦合器件和13第二电荷耦合器件接收；
步骤8：在步骤7中调节两个线偏振片，使它们的起偏角度分别为α1＝α2＝0、α1＝α2＝π/2以及α1＝0，α2＝π/2，由光电耦合期间分别记录混合光束在两个接收装置的强度灰度分布图；
步骤9：遮挡住参考光(完全相干矢量高斯光束)，调节两个线偏振片，使它们的起偏角度分别为α1＝α2＝0、α1＝α2＝π/2以及α1＝0，α2＝π/2，分别记录信号光束在两个接收装置的强度灰度分布图。
步骤10：本实施例中采用Matlab程序导入步骤8中记录的混合光束的强度灰度分布图，编写算法，运行得到归一化矢量部分相干光束结构函数的实部的三维分布；所述算法的具体步骤为：
利用CCD相机连续记录N张接收平面上光强度的灰度值信息，每一张灰度图像可以利用Matlab软件读出一个强度矩阵In(x,y)，n为图片序号，(x,y)为像素坐标点。此时，接受平面上的平均光强可以表示为<I(r)>＝∑NIn(r)/N,关联项为<I(r1)I(r2)>＝∑NIn(r1)In(r2)/N，那么互关联函数的模平方为
其中，< >表示系综平均，r1,r2表示两个坐标点。
步骤11：本实施例中采用Matlab程序导入步骤9中记录的矢量部分相干光束强度灰度分布图，编写算法(此处与步骤10中的算法步骤一致)，运行得到归一化的强度关联函数三维分布，得到矢量部分相干光束相干结构的模；
步骤12：得到相干结构的模和实部信息后，根据实际情况并借助柯西-黎曼条件判断出虚部的符号，就可以得到相干结构函数的虚部。
进一步的，根据上述起偏角度分别为α1＝α2＝0、α1＝α2＝π/2以及α1＝0，α2＝π/2得到的强度灰度分布图Ixx(r)、Iyy(r)、Ixy(r)计算得到<Ixx(r)>、<Iyy(r)>、<Ixy(r)>以及ΔIxx(r)、ΔIyy(r)、ΔIxy(r)；
其中，<Ixx(r)>、<Iyy(r)>、<Ixy(r)>分别表示当两个偏振片的起偏角分别为上文中提到的角度时，接收装置得到的矢量光束的光强；ΔIxx(r)、ΔIyy(r)、ΔIxy(r)分别表示通过接收装置得到的<Ixx(r)>、<Iyy(r)>、<Ixy(r)>计算得到的光强与平均光强的差值；CPNxx(ρ1,ρ2)、CPNyy(ρ1,ρ2)、CPNxy(ρ1,ρ2)分别表示与上述参量对应的归一化的强度起伏关联函数；Re表示参量的实部。
根据上述计算得到的ΔIxx(r)、ΔIyy(r)、ΔIxy(r)计算CpNxx(ρ1,ρ2)、
CpNyy(ρ1,ρ2)、CpNxy(ρ1,ρ2)；
CpNxx(ρ1,ρ2)＝<ΔIxx(r1)ΔIxx(r2)>；
CpNyy(ρ1,ρ2)＝<ΔIyy(r1)ΔIyy(r2)>；
CpNxy(ρ1,ρ2)＝<ΔIxy(r1)ΔIxy(r2)>；
根据上述的CPNxx(ρ1,ρ2)、CPNyy(ρ1,ρ2)、CPNxy(ρ1,ρ2)计算矢量部分相干光束相干结构的实部信息
此外，
其中，I0为矢量部分相干光束和强矢量完全相干光束强度的峰值比,通过选取合适的强相干光束强度，令强相干光束与矢量部分相干光束具有一致的形状分布,可看作I0＝const。
实施例四：
本实施例的目的是提供一种矢量特殊关联的部分相干光束测量装置。
一种矢量特殊关联的部分相干光束测量装置，基于上述的一种矢量特殊关联的部分相干光束生成装置，包括第二分束镜、薄透镜、第三分束镜、线偏振片以及电荷耦合器；
所述参考光经放射镜反射，与所述矢量特殊关联的部分相干光束经第二分束镜叠加输出矢量混合光束，所述矢量混合光束经薄透镜入射到第三分束镜分束输出反射光和透射光，所述反射光和透射光分别经偏振片到达电荷耦合器；
所述电荷耦合器连接有处理器，所述处理器用于根据获得的光电耦合强度信号求解相干光束结构函数的实部和虚部，实现矢量特殊关联的部分相干光束的测量。
进一步的，所述线偏振片包括第一偏振片和第二偏振片，所述电荷耦合器包括第一电荷耦合器和第二电荷耦合器，所述反射光经第一偏振片到达第一电荷耦合器，所述透射光经第二偏振片到达第二电荷耦合器。
进一步的，所述第一偏振片和第二偏振片的起偏角度分别依次设置为α1＝α2＝0、α1＝α2＝π/2以及α1＝0，α2＝π/2；其中，α1为第一线偏振片起偏角度，α2为第二线偏振片起偏角度。
上述实施例提供的一种矢量特殊关联的部分相干光束生成方法、测量方法及装置可以实现，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种矢量特殊关联的部分相干光束测量方法，其基于一种矢量特殊关联的部分相干光束生成方法，所述矢量特殊关联的部分相干光束生成方法，包括：
对产生的激光进行扩束准直，并将扩束准直的激光分束为两个具有不同正交分量的光束；
对两个光束分别加载特殊相干结构；
将加载有特殊相干结构的两个光束进行严格叠加，获得矢量完全相干光束；
对所述矢量完全相干光束进行分束，分别获得参考光和信号光；
将所述信号光入射至旋转的毛玻璃片，获得完全非相干光；
对所述完全非相干光进行滤波整形，获得矢量特殊关联的部分相干光束；其特征在于，包括：
将获得的参考光进行反射后与所述矢量特殊关联的部分相干光束进行叠加，获得矢量混合光束；将所述矢量混合光束进行分束，获得反射光和透射光；
所述反射光和透射光分别经过预设起偏角度的偏振片到达电荷耦合器件；分别记录光电耦合期间的强度分布，获得归一化矢量部分相干结构函数的实部的三维分布；
遮挡住参考光，所述反射光和透射光分别经过预设起偏角度的偏振片到达电荷耦合器件；分别记录光电耦合期间的强度分布，获得归一化的强度关联函数三维分布，得到矢量部分相干光束相干结构的模；
基于相干结构的模和实部信息，获得相干结构函数的虚部。
2.如权利要求1所述的一种矢量特殊关联的部分相干光束测量方法，其特征在于，所述参考光为利用分束镜分束产生的透射光，所述信号光为利用分束镜分束产生的反射光。
3.如权利要求1所述的一种矢量特殊关联的部分相干光束测量方法，其特征在于，所述参考光为完全相干矢量高斯光束，所述信号光为矢量完全相干光束信号光。
4.如权利要求1所述的一种矢量特殊关联的部分相干光束测量方法，其特征在于，所述获得归一化矢量部分相干结构函数的实部的三维分布，其具体步骤为：
(1)调节线偏振片，使其起偏角度分别为α1＝α2＝0、α1＝α2＝π/2以及α1＝0，α2＝π/2，由光电耦合期间分别记录混合光束在两个接收装置的强度灰度分布图；其中，α1为反射光经过的线偏振片起偏角度，α2为透射光经过的线偏振片起偏角度；
(2)通过计算得到归一化矢量部分相干光束结构函数的实部的三维分布。
5.如权利要求1所述的一种矢量特殊关联的部分相干光束测量方法，其特征在于，所述获得归一化的强度关联函数三维分布，得到矢量部分相干光束相干结构的模，其具体步骤为：
(1)遮挡住参考光，调节两个线偏振片，使它们的起偏角度分别为α1＝α2＝0、α1＝α2＝π/2以及α1＝0，α2＝π/2，分别记录信号光束在两个接收装置的强度灰度分布图；
(2)通过计算得到归一化的强度关联函数三维分布，得到矢量部分相干光束相干结构的模。
6.一种矢量特殊关联的部分相干光束测量装置，其基于一种矢量特殊关联的部分相干光束生成装置，所述的矢量特殊关联的部分相干光束生成装置，包括激光器、偏振分束镜、空间光调制器、第一分束镜及毛玻璃片，所述激光器产生的激光入射到偏振分束镜，所述偏振分束镜分束获得的两个光束入射到空间光调制器，所述空间光调制器输出的加载特殊相干结构的两个光束入射到偏振分束镜，所述偏振分束镜输出的矢量完全相干光束经第一分束镜分束得到参考光和信号光，所述信号光入射到旋转的毛玻璃偏上产生完全非相干光，所述完全非相干光经高斯滤波片获得矢量特殊关联的部分相干光束；其特征在于，包括第二分束镜、薄透镜、第三分束镜、线偏振片以及电荷耦合器；
所述参考光经反射镜反射，与所述矢量特殊关联的部分相干光束经第二分束镜叠加输出矢量混合光束，所述矢量混合光束经薄透镜入射到第三分束镜分束输出反射光和透射光，所述反射光和透射光分别经偏振片到达电荷耦合器；
所述电荷耦合器连接有处理器，所述处理器用于根据获得的光电耦合强度信号求解相干光束结构函数的实部和虚部，实现矢量特殊关联的部分相干光束的测量。
7.如权利要求6所述的一种矢量特殊关联的部分相干光束测量装置，其特征在于，所述线偏振片包括第一偏振片和第二偏振片，所述电荷耦合器包括第一电荷耦合器和第二电荷耦合器，所述反射光经第一偏振片到达第一电荷耦合器，所述透射光经第二偏振片到达第二电荷耦合器。
8.如权利要求7所述的一种矢量特殊关联的部分相干光束测量装置，其特征在于，所述第一偏振片和第二偏振片的起偏角度分别依次设置为α1＝α2＝0、α1＝α2＝π/2以及α1＝0，α2＝π/2；其中，α1为第一线偏振片起偏角度，α2为第二线偏振片起偏角度。
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