CN113703199A - 一种提高光场相干度自修复能力的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提高光场相干度自修复能力的方法及系统，包括：光束由光源面传输到障碍物的过程中，通过加载交叉相位因子的空间光调制器对光束进行调制后，控制光束穿过障碍物后的相干度自修复。通过对光场施加交叉相位因子，使光束在光源面处或任意传输距离处被障碍物遮挡后，光场相干度都可实现自修复，且与障碍物位置无关。
Description
技术领域
本发明涉及光场自修复技术领域，特别是涉及一种提高光场相干度自修复能力的方法及装置。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
光场自修复特性是指光束被障碍物阻挡并传输到一定距离后，可以自行恢复的一种光束特性。由于该特性可以减少光束的散射和扩散，所以能发生自修复的光束已广泛应用于多种应用中，包括：自修复光束可以在多个分离的空间平面中进行粒子捕获，减少散射伪影，提高图像质量和显微镜的穿透深度，适用于自由空间量子通信和成像，同时也可用作光与物质相互作用的探针等。针对光束可以实现自修复的特性，研究人员从几何光学、波动光学、能流等多方面进行了解释，但是，上述自修复特性研究都局限于完全相干光场范围内。
直到2016年，王飞等人首次提出部分相干光束自修复的概念，他们发现部分相干光束的光强和偏振特性都具有强大的自修复能力。之后，刘显龙等人指出，部分相干光束的相干度虽然也具有自修复能力，但它对障碍物非常敏感，如果障碍物面积超过光束的一半，则相干度无法进行自修复。此外研究表明，障碍物位置离光源面越远，光束自修复的能力越差。
在另外一方面，基于光场相干度的设计可对光束在自由空间传输特性实现调控、操控光与物质相互作用等，这在光学加密、光学成像、微粒捕获等众多应用中有着重要的应用。
但是上述研究已表明：光场相干度自修复能力本身较差，并且随着障碍物离光源面越远，光场相干度自修复能力越差，不利于在复杂环境中光场相干度的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种提高光场相干度自修复能力的方法及装置，通过对光场施加交叉相位因子，使光束在光源面处或任意传输距离处被障碍物遮挡后，光场相干度都可实现自修复，且与障碍物位置无关。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种提高光场相干度自修复能力的方法，包括：
光束由光源面传输到障碍物的过程中，通过加载交叉相位因子的空间光调制器对光束进行调制后，控制光束穿过障碍物后的相干度自修复。
作为可选择的实施方式，含交叉相位因子的光束交叉谱密度函数为：
Win(r1,r2)＝τ(r1)τ*(r2)μ(r2-r1)exp[iu(x1y1-x2y2)]
其中，r＝(x,y)表示入射光源面的矢量坐标，τ(r)是复变函数，μ(r2-r1)是相干度函数，exp(iuxy)是交叉相位因子，u表示交叉相位因子的强度大小。
作为可选择的实施方式，光束由光源面经传输到达障碍物处和焦平面处的交叉谱密度函数分别为：
其中，O(ρ)表示障碍物方程，ρ为障碍物处的矢量坐标，η为焦平面处的矢量坐标。
作为可选择的实施方式，光束的相干度分布表示为：
其中，Wf(η1,η2)为焦平面处的交叉谱密度函数。
作为可选择的实施方式，采用数值仿真方法得到光束的相干度分布的模的平方。
作为可选择的实施方式，所述光束采用厄米高斯关联结构。
第二方面，本发明提供一种提高光场相干度自修复能力的装置，包括：激光器、空间光调制器、聚焦透镜，且在空间光调制器和聚焦透镜间设有障碍物；激光器发出的光束经加载了交叉相位因子的空间光调制器后，穿过障碍物传输到聚焦透镜处，控制光束穿过障碍物后的相干度自修复。
作为可选择的实施方式，所述装置还包括设于激光器和空间光调制器之间的第二聚焦透镜和毛玻璃，通过第二薄透镜和毛玻璃之间的距离调整相干宽度。
作为可选择的实施方式，所述装置还包括设于激光器和第二聚焦透镜之间的第二空间光调制器，第二空间光调制器用于调制光束关联结构。
作为可选择的实施方式，所述障碍物采用扇形障碍物。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过对光场施加交叉相位因子，使光束在光源面处或任意传输距离处被障碍物遮挡后，光场相干度都可实现自修复，并且自修复能力与原本身相比得到大幅提高。
本发明实现仅借助交叉相位因子增强部分相干光束相干度的自愈能力，且部分相干光束的自修复能力与障碍物位置无关，无论障碍物在距离光源面多远的位置都可以实现自修复。
本发明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，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的传输示意图；
图2为本发明实施例1提供的障碍物示意图；
图3(a)-3(d)为本发明实施例1提供的不同遮光角度下，焦平面处的光束相干度分布图；
图4(a1)-4(d1)为本发明实施例1提供的遮光角度为π的交叉相位因子对焦平面处相干度分布的影响图；
图4(a2)-4(d2)为本发明实施例1提供的遮光角度为1.5π的交叉相位因子对焦平面处相干度分布的影响图；
图5(a1)-5(d1)为本发明实施例1提供的遮光角度分别为π的障碍物在不同位置时成像面处的相干度分布图；
图5(a2)-5(d2)为本发明实施例1提供的遮光角度为1.5π的障碍物在不同位置时成像面处的相干度分布图；
图6为本发明实施例1提供的光束相干度自修复能力实验装置图；
图7(a)-7(d)为本发明实施例1提供的光束被遮挡后且没有交叉相位因子时焦平面处的相干度分布图；
图8(a1)-8(d1)为本发明实施例1提供的遮光角度为π的交叉相位因子对被遮挡后光束其相干度在焦平面的分布的影响图；
图8(a2)-8(d2)为本发明实施例1提供的遮光角度为1.5π的交叉相位因子对被遮挡后光束其相干度在焦平面的分布的影响图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本实施例提出一种提高光场相干度自修复能力的方法，所述方法采用的提高光场相干度自修复能力的装置包括：激光器、空间光调制器、聚焦透镜，且在空间光调制器和聚焦透镜间设有障碍物；在有障碍物的自由空间内，光束由光源面传输到障碍物的过程中，通过加载交叉相位因子的空间光调制器对光束进行调制后，穿过障碍物传输到聚焦透镜处，控制光束穿过障碍物后的相干度自修复。
在本实施例中，在自由空间领域内传播的任意部分相干光束的特征可以用交叉谱密度函数来表征，为了探究交叉相位因子对部分相干光束相干度自修复能力的影响，以下给出含交叉相位因子的任意谢尔模型光束的交叉谱密度函数：
Win(r1,r2)＝τ(r1)τ*(r2)μ(r2-r1)exp[iu(x1y1-x2y2)], (1)
其中，r＝(x,y)表示入射光源面的矢量坐标，τ(r)是复变函数，μ(r2-r1)是相干度函数，exp(iuxy)是交叉相位因子，u表示交叉相位因子的强度大小。
本实施例采用厄米高斯关联谢尔模厄米高斯光束(HGCSHG)作为光源面处的光源，其具体的τ(r)和μ(r2-r1)分别表示为：
其中，ω0为光斑宽度，δ0为相干宽度，Hn表示n阶厄米多项式。
鉴于光束发生自修复需要一定的传输距离，本实施例假设该光束在有障碍物的自由空间传输，当光束在经过此障碍物后，再通过一个焦距为f的透镜，最终达到后焦面处；如图1所示，SOURCE为光源面，OBSTACLE为障碍物，L为焦距为f的透镜，RECEIVER为接受面；假设光源到障碍物的距离为z，光束经过透镜传输到后焦面处，相当于光束传输到无穷远处。
光束由光源面经传输到达障碍物处和焦平面处的交叉谱密度函数通过惠更斯——菲涅尔积分公式分别表示为：
其中，ρ为障碍物处的矢量坐标，η为焦平面处的矢量坐标，O(ρ)表示障碍物方程，本实施例采用扇形作为障碍物，如图2所示，不透光的角度为θ，光源的相关参数设为m1＝n1＝4、m2＝n2＝4和ω0＝1mm,δ0＝0.3mm。
当焦平面处的交叉谱密度函数表示为Wf(η1,η2)，光束的相干度分布表示为：
由于障碍物的存在，导致很难通过式(6)求出光束相干度的解析解；故本实施例采用数值仿真的方法获得相干度分布的模的平方，所有的相关细节都会被考虑进去。
以下给出具体的实验验证，首先，假设障碍物在光源面处，也就是z＝0，因此无需再计算光束传输到障碍物处的交叉谱密度函数，Wz(ρ1,ρ2)＝Win(r1,r2)。
如图3(a)-3(d)所示为障碍物的大小(即遮光角θ)对成像面处相干度分布的影响结果；其中，图3(b)-3(d)为在没有交叉相位因子时，不同障碍物遮挡角度下，焦平面处光束的相干度分布，与图3(a)没有加障碍物时的比较可以发现，当障碍物遮挡角度越大时，相干度分布被破损的越严重。
如图4(a1)-4(d1)和图4(a2)-4(d2)所示为交叉相位因子对焦平面处相干度分布的影响，其中，图4(a1)-4(d1)是遮光角度为π的情况，图4(a2)-4(d2)是遮光角度为1.5π的情况；可以发现，被遮光后的相干度分布在交叉相位因子的作用下，从原来严重恶化的情况逐渐恢复到和光源面处基本相同的相干度分布，在交叉相位因子的作用下，即便障碍物遮挡到75％，焦平面的相干度也可以很好的实现自修复。
其次，假设障碍物在光束的传输途径上，现有研究表明光束的自修复能力会随着障碍远离光源面的程度极度下降，在此情况下，本实施例探究障碍物距离光源面不同位置时，在交叉相位因子作用下焦平面处光束相干度分布的情况。结果如图5(a1)-5(d1)和图5(a2)-5(d2)所示，其中相位因子强度都设为u＝50mm-2，遮光角度分别为π和1.5π；可以发现无论障碍物在哪，光束的相干度都可以基本实现自修复，即便遮挡75％。所以可以得出结论，交叉相位因子可以提高光束相干度的自修复能力。
如图6所示，He-Nelaser为氦氖激光器，LP为起偏器，SB1、SB2为光束分束器，SLM1、SLM2为空间光调制器，L1、L2、L3、L4、L5为薄透镜，RGGD为旋转的毛玻璃，GAF为高斯滤波器，SSOO为扇形障碍物，CCD为电荷耦合器件；氦氖激光器发出波长λ＝633nm的完全相干的准单色光束，通过起偏器LP和光束分束器SB1到达空间光调制器SLM1，空间光调制器利用其充当可编程相位光栅的功能对光束进行调制，再让从空间光调制器出来的正一级或者负一级光束通过薄透镜L1聚焦到毛玻璃RGGD上，相干宽度可以通过薄透镜和毛玻璃之间的距离来调整；以及只要合理调整光束在SLM1中的全息特性，其衍射光被毛玻璃散射后再传输到L2上时，光束的关联结构是厄米高斯关联结构；
光束进入空间光调制器SLM2再通过4f成像系统，将交叉相位因子和τ(r)的信息加载到空间光调制器SLM2，衍射光束到达扇形障碍物时，为测量其相干度，利用CCD随时记录接受面处的光强。部分相干光束的相干度可被表示为：
其中，三角括号<>表示系综平均。
考虑到实验室的大小限制，我们只做了障碍物位于光源面处的实验。
如图7(a)-7(d)所示为在光束被遮挡后且没有交叉相位因子时，焦平面处的相干度分布的结果。结果表明，在没有障碍物的情况下，光束的相干度分布具有阵列结构。在遮挡角度变大时，相干度就会逐渐被破损；当遮挡角度增加到π至1.5π时，相干度分布会逐渐退化为高斯分布。
如图8(a1)-8(d1)和图8(a2)-8(d2)所示为，遮挡角度分别为π和1.5π时，交叉相位因子对被遮挡后光束其相干度在焦平面的分布的影响，当交叉相位因子强度增强时，光束的相干度分布逐渐恢复到光源面处的样子；如果交叉相位因子的强度再增加(即交叉相位因子强度过大时)，光束的相干度分布也不会再改变。实验结果很好的与理论结果相吻合，证明交叉相位因子可以很好的提高光束的相干度自修复能力。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种提高光场相干度自修复能力的方法，其特征在于，包括：
光束由光源面传输到障碍物的过程中，通过加载交叉相位因子的空间光调制器对光束进行调制后，控制光束穿过障碍物后的相干度自修复。
2.如权利要求1所述的一种提高光场相干度自修复能力的方法，其特征在于，含交叉相位因子的光束交叉谱密度函数为：
Win(r1,r2)＝τ(r1)τ*(r2)μ(r2-r1)exp[iu(x1y1-x2y2)]
其中，r＝(x,y)表示入射光源面的矢量坐标，τ(r)是复变函数，μ(r2-r1)是相干度函数，exp(iuxy)是交叉相位因子，u表示交叉相位因子的强度大小。
3.如权利要求1所述的一种提高光场相干度自修复能力的方法，其特征在于，光束由光源面经传输到达障碍物处和焦平面处的交叉谱密度函数分别为：
其中，O(ρ)表示障碍物方程，ρ为障碍物处的矢量坐标，η为焦平面处的矢量坐标。
4.如权利要求1所述的一种提高光场相干度自修复能力的方法，其特征在于，光束的相干度分布表示为：
其中，Wf(η1,η2)为焦平面处的交叉谱密度函数。
5.如权利要求4所述的一种提高光场相干度自修复能力的方法，其特征在于，采用数值仿真方法得到光束的相干度分布的模的平方。
6.如权利要求1所述的一种提高光场相干度自修复能力的方法，其特征在于，所述光束采用厄米高斯关联结构。
7.一种提高光场相干度自修复能力的装置，其特征在于，包括：激光器、空间光调制器、聚焦透镜，且在空间光调制器和聚焦透镜间设有障碍物；激光器发出的光束经加载了交叉相位因子的空间光调制器后，穿过障碍物传输到聚焦透镜处，控制光束穿过障碍物后的相干度自修复。
8.如权利要求7所述的一种提高光场相干度自修复能力的装置，其特征在于，所述装置还包括设于激光器和空间光调制器之间的第二聚焦透镜和毛玻璃，通过第二薄透镜和毛玻璃之间的距离调整相干宽度。
9.如权利要求8所述的一种提高光场相干度自修复能力的装置，其特征在于，所述装置还包括设于激光器和第二聚焦透镜之间的第二空间光调制器，第二空间光调制器用于调制光束关联结构。
10.如权利要求7所述的一种提高光场相干度自修复能力的装置，其特征在于，所述障碍物采用扇形障碍物。
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