CN114200672B - 动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制系统及方法 - Google Patents

动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制系统及方法 Download PDF

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CN114200672B CN202210145689.1A CN202210145689A CN114200672B CN 114200672 B CN114200672 B CN 114200672B CN 202210145689 A CN202210145689 A CN 202210145689A CN 114200672 B CN114200672 B CN 114200672B
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Abstract

本发明公开了一种动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制系统及方法，包括：全息信号源，用以生成一全息图信号，所述全息图信号以一目标光束的动态复透射率屏函数与振幅函数相乘得到动态复光场模式，并将所述动态复光场模式进行编码得到；光源组件，其发出线偏振光；光调制器，加载所述全息图信号并显示一调制用的全息图，所述线偏振光入射至所述光调制器，所述光调制器通过全息图对线偏振光的空间相干函数和振幅函数同时进行调控后反射出所述目标光束。本发明解决对于特殊振幅和新型空间相干函数的光束，调控和产生成本过高、实验装置较复杂的问题，产生任意需要的部分相干光束。

Description

动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制系统及方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制系统及方法。
背景技术
随着激光技术的发展，激光的应用越来越广泛，而激光束的完全相干特性和光强呈现高斯分布的特性大大限制了它的应用范围。为了进一步拓宽激光的应用领域，需要对激光束进行调控，得到符合要求的输出光束。光场调控通常可分为对空域、时域以及时空域联合调控。其中空域调控主要是指调控光场振幅、偏振态、相位、空间相干结构等空间分布，产生具有特殊空间分布的新型光场。
光调制器是一类通过将信息加载于光学数据场对光场进行调控的器件。这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间光分布的振幅、相位和偏振态，以及相干性和相干结构。其中液晶空间光调制器是一种新型的光调制器，具有质量小、功耗低、无机械惰性等优点。液晶空间光调制器分为光寻址和电寻址两大类。电寻址液晶空间光调制器是空间光调制器中的重要分支，它将液晶层作为光调制材料，液晶层采用向列型液晶的混合场效应工作模式，在液晶层上施加不同的电场，可以引起液晶分子排列方向的变化，从而引起其光学性质的变化，实现对光信号的调制，这一特性使得液晶空间光调制器成为一种可对光波进行编程控制的器件。由于电寻址液晶空间光调制器LCSLM制作成品率高，成本低，因此应用广泛。
因为光调制器具有实时地在空间上调制光束的重要功能，使其成为调控和产生光束的重要仪器。在实际调制光束的过程中，调控振幅主要可以改变光场在光源处的能量分布情况，对激光振幅的调控常被应用在激光投影印刷、激光雷达、表面热处理、激光核聚变及全息术等领域；而调控相干特性则影响了光束在传输过程中的各种性质，通过调控光束相干长度的大小和光场相干结构可以使光束在传输过程中发生自聚焦、自偏移、传输不变等有趣的特性，这些特性在自由空间光通信、激光雷达、激光核聚变、特种光学成像、非线性光学、近场光学、量子光学等众多领域中具有重要的应用价值。通常情况下调控光束的多个性质会需要用到多个空间光调制器，这时候的光路装置较为复杂，成本太高，此时找到一种利用一个光调制器就可以同时调控光场振幅和相干结构的方法就显得尤为重要。
现有调控和产生光束的方法有很多，如：
1、最简单的调控光路的方法可以通过在光路中添加特定的振幅滤波片、毛玻璃等基础光学元件对光束的振幅和相干特性进行调控。
2、通过使用一个光调制器和振幅滤波片也可以对光束的振幅和相干特性进行调控。
3、通过使用两个光调制器并配合使用毛玻璃对光束进行调控，第一个空间光调制器用来调控光束的相干特性，第二个空间光调制器用来调控光束的振幅特性，可以产生任意振幅、任意相干结构的光束。
但现有技术存在以下缺点：
1、利用振幅滤波片、毛玻璃等光学元件调制、产生所需要光束时，每种光束都需要特制光学元件，如目标光束是高斯形状的光束，那么通常选用的振幅滤波片为高斯滤波片，若想产生其他形状光束则需要使用其他形状的振幅滤波片，光学元件制成之后应用的普适性太低，无法随光束的改变而改变。
2、利用多个光调制器调控光束时，由于光调制器价格昂贵，所需的成本过高，实验过程中光利用率较低，装置也不够简洁。
发明内容
本发明的目的是提供一种动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制系统及方法，解决对于特殊振幅和新型空间相干函数的光束，调控和产生成本过高、实验装置较复杂的问题，产生任意需要的部分相干光束。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制系统，包括：
全息信号源，用以生成一全息图信号，所述全息图信号以一目标光束的动态复透射率屏函数与振幅函数相乘得到动态复光场模式，并将所述动态复光场模式进行编码得到，其中，所述动态复透射率屏函数能够对目标光束的空间相干函数进行调控；
光源组件，其发出线偏振光；
光调制器，加载所述全息图信号并显示一调制用的全息图，所述线偏振光入射至所述光调制器，所述光调制器通过全息图对线偏振光的空间相干函数和振幅函数同时进行调控后反射出所述目标光束。
作为本发明的进一步改进，所述动态复透射率屏函数表示为：
Figure 962090DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 42041DEST_PATH_IMAGE002
表示
Figure 894197DEST_PATH_IMAGE003
傅里叶变换域中的位置坐标，
Figure 489127DEST_PATH_IMAGE004
表示光源平面一点的位置坐标，
Figure 953606DEST_PATH_IMAGE005
表示权重函数，
Figure 481539DEST_PATH_IMAGE006
表示相位函数，
Figure 569843DEST_PATH_IMAGE007
表示系综平均为零的复随机数；
所述目标光束的空间相干函数，表示为：
Figure 386490DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 654660DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 709204DEST_PATH_IMAGE010
属于
Figure 404627DEST_PATH_IMAGE011
，表示光源平面上任意两个点的坐标，通过动态复透射率屏函数
Figure 177411DEST_PATH_IMAGE012
对空间相干函数
Figure 815984DEST_PATH_IMAGE013
进行调控。
作为本发明的进一步改进，所述动态复光场模式表示为：
Figure 52930DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 450413DEST_PATH_IMAGE015
表示动态复光场模式的模式编号，
Figure 743117DEST_PATH_IMAGE016
即为第
Figure 149827DEST_PATH_IMAGE015
个动态复光场模式的动态复透射率屏函数，每个模式均对应一张全息图并对应不同的复随机数，所述全息图按模式顺序依次加载到所述光调制器中，
Figure 647805DEST_PATH_IMAGE017
表示振幅函数。
作为本发明的进一步改进，所述光源组件包括：
激光器，其发出线偏振光；
扩束器，其位于所述激光器一侧，将入射的线偏振光进行扩束并调整为一平面光波；
第一平面镜和第一分束镜，所述第一平面镜位于所述扩束器一侧，所述第一分束镜将经过第一平面镜反射的平面光波透射到所述光调制器上。
作为本发明的进一步改进，所述光源组件还包括：
线偏振片和衰减片，位于所述激光器和所述扩束器之间，所述线偏振片通过调整其透光轴方向控制线偏振光方向，所述衰减片通过旋转调整线偏振光入射到所述扩束器的强度；
第一光阑，位于所述扩束器和所述第一平面镜之间，用于使平面光束进入第一平面镜为准直状态；
第二光阑，位于所述第一分束镜一侧，所述第一分束镜将经过第一平面镜反射的平面光波等分为两束，其中一束平面光波透射到所述光调制器上，另一束平面光波进入所述第二光阑，所述第二光阑用于判断进入所述光调制器的平面光波的准直度。
作为本发明的进一步改进，还包括光束再现组件和光束分析系统；
所述光束再现组件包括第一4f系统和遮光板；所述第一4f系统位于所述第一分束镜一侧或所述光调制器透光方向上，第一4f系统包括第一透镜和第二透镜；所述遮光板位于所述第一透镜和第二透镜之间，所述遮光板用于滤出正一级或负一级衍射光束，所述第一4f系统将所述光调制器反射出的目标光束聚焦在光束分析系统上进行重现。
作为本发明的进一步改进，所述光束分析系统包括第一CCD相机和与其匹配连接的第一计算机，所述第一CCD相机位于所述第一4f系统的聚焦处，所述第一计算机通过所述第一CCD相机得到目标光束在光源处的光谱分布情况。
作为本发明的进一步改进，所述光束分析系统包括：
第二分束镜，位于所述第一4f系统的聚焦处，其将目标光束等分为两束，分别为第一目标光束和第二目标光束；
光源分析系统，包括第二4f系统、第一CCD相机和第一计算机，所述第二4f系统包括第三透镜和第四透镜，所述第一目标光束经过第二4f系统聚焦到所述第一CCD相机上，所述第一计算机通过所述第一CCD相机得到目标光束在光源处的光谱分布情况；
传输分析系统，包括第二平面镜、第三4f系统、光学传输系统、第二CCD相机和第二计算机，所述第三4f系统包括第五透镜和第六透镜，所述第二平面镜位于所述第二分束镜一侧，所述第二目标光束经过所述第二平面镜反射进入所述第三4f系统；所述第三4f系统重现目标光束并令其经过所述光学传输系统传输一定距离后聚焦到所述第二CCD相机，所述第二计算机通过所述第二CCD相机得到目标光束传输过程中的光谱分布情况并分析、验证目标光束的传输特性。
一种动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制方法，包括以下步骤：
S1：将一目标光束的动态复透射率屏函数与振幅函数相乘得到动态复光场模式，其中，所述动态复透射率屏函数能够对目标光束的空间相干函数进行调控；
S2：将所述动态复光场模式进行编码得到全息图信号；
S3：根据所述全息图信号生成一调制用的全息图，并将所述全息图加载显示到一光调制器上，使所述光调制器对入射到其上的线偏振光的空间相干函数和振幅函数同时进行调控，并反射出所述目标光束。
作为本发明的进一步改进，所述动态复透射率屏函数表示为：
Figure 747348DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 963565DEST_PATH_IMAGE002
表示
Figure 406923DEST_PATH_IMAGE003
傅里叶变换域中的位置坐标，
Figure 618461DEST_PATH_IMAGE004
表示光源平面一点的位置坐标，
Figure 92168DEST_PATH_IMAGE005
表示权重函数，
Figure 61261DEST_PATH_IMAGE006
表示相位函数，
Figure 311239DEST_PATH_IMAGE007
表示系综平均为零的复随机数；
所述目标光束的空间相干函数，表示为：
Figure 846126DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 818630DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 275019DEST_PATH_IMAGE010
属于
Figure 257582DEST_PATH_IMAGE011
，表示光源平面上任意两个点的坐标，通过动态复透射率屏函数
Figure 912554DEST_PATH_IMAGE012
对空间相干函数
Figure 728063DEST_PATH_IMAGE013
进行调控。
本发明的有益效果：本发明针对特殊振幅和新型空间相干函数的光束，调控和产生成本过高、实验装置较复杂的缺点，仅利用一个光调制器对光束的振幅函数和空间相干函数同时进行调控，从而产生任意需要的部分相干光束；在使用本发明产生光束时，需要将目标光束的振幅函数和空间相干函数同时编码到可以由光调制器读取的全息光栅图中，调节光束的振幅函数和空间相干函数，从而控制光束在光源处和传输过程中的各种特性；本发明中的光学器件比较常见，光路简单，成本较低，操作灵活，适用范围广，对于特殊振幅和新型相干函数的部分相干光束的研究具有重大意义。
附图说明
图1是本发明实施例系统结构示意图；
图2是本发明总方法流程示意图；
图中标号说明：1、激光器；2、线偏振片；3、衰减片；4、扩束器；5、第一光阑；6、第一平面镜；7、第二光阑；8、第一分束镜；9、第一透镜；10、遮光板；11、第二透镜；12、第二分束镜；13、第三透镜；14、第四透镜；15、第一CCD相机；16、第一计算机；17、光调制器；18、第二平面镜；19、第五透镜；20、第六透镜；21、第七透镜；22、第二CCD相机；23、第二计算机；24、第三计算机。
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。
本发明提供了一种动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制系统，包括：
全息信号源，用以生成一全息图信号，所述全息图信号以一目标光束的动态复透射率屏函数与振幅函数相乘得到动态复光场模式，并将所述动态复光场模式进行编码得到，其中，所述动态复透射率屏函数能够对目标光束的空间相干函数进行调控；
光源组件，其发出线偏振光；
光调制器，加载所述全息图信号并显示一调制用的全息图，所述线偏振光入射至所述光调制器，所述光调制器通过全息图对线偏振光的空间相干函数和振幅函数同时进行调控后反射出所述目标光束。
本发明采用的技术方案是根据模式分解的原理，将模式函数中包含的振幅函数和空间相干函数编入光栅全息图中，每个模式都对应一张全息图。将这些全息图依次加载到光调制器中，并令线偏振的、完全相干的平面光波入射到光调制器，经光调制器调控后，在出现的多级光斑中选取正一级或负一级光斑进行过滤，接下来可用一个4f系统将光源面的光束重现出来，若希望验证光束在传输过程中的特点，则需要在4f系统后加上需要的光束传输系统。
总体上，本发明可分为两个部分：
一、产生所需要的全息图：首先需要将光束用随机模的方法表示出来，每个模式都包含了光束的相干特性和振幅信息，对每个模式都进行振幅调制（将振幅信息表示为可以加载到空间光调制器上的相位形式）和相位调制（在光束原有的相位信息基础上加上一个周期性的光栅相位）从而产生一组可以加载到光调制器上的全息图。
具体原理：利用一个光调制器同时对光场的振幅函数和空间相干函数进行调控，控制光束在光源处和传输过程中的特性，产生一种特殊振幅和新型相干函数的动态光场，包括以下步骤：
1）首先要产生一束特殊振幅和新型相干函数的部分相干光束，可以先用交叉普密度函数来表示出这一部分相干光束，物理上可实现的交叉普密度函数还可以被表示成一个积分形式：
Figure 999645DEST_PATH_IMAGE018
(1)
其中，
Figure 794688DEST_PATH_IMAGE002
表示
Figure 507429DEST_PATH_IMAGE003
傅里叶变换域中的位置坐标，
Figure 290577DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 987137DEST_PATH_IMAGE010
属于
Figure 349986DEST_PATH_IMAGE004
，表示在光源平面上任意两个点的坐标，
Figure 478085DEST_PATH_IMAGE019
是一个非负的函数，在这里可以将
Figure 900976DEST_PATH_IMAGE019
理解为光场模式的权重，所以
Figure 350412DEST_PATH_IMAGE019
也被称为权重函数；
Figure 782531DEST_PATH_IMAGE020
是一个内核函数，可以表示为一个振幅项
Figure 971329DEST_PATH_IMAGE017
和一个相位项
Figure 299542DEST_PATH_IMAGE021
的乘积：
Figure 970695DEST_PATH_IMAGE022
(2)
2）任何部分相干光束都可以被表示为空间动态复光场的非相干叠加，从而将其交叉普密度函数表示为以下形式：
Figure 206504DEST_PATH_IMAGE023
(3)
其中，
Figure 783897DEST_PATH_IMAGE024
表示复共轭，角括号表示系综平均，
Figure 283011DEST_PATH_IMAGE025
表示一个动态复光场，可假设为一个确定的光束的振幅函数
Figure 910302DEST_PATH_IMAGE017
通过一个动态的复透射率屏函数
Figure 153064DEST_PATH_IMAGE026
产生：
Figure 346148DEST_PATH_IMAGE027
(4)
这里在动态复透射率屏函数中引入一个系综平均为零的复随机数
Figure 547322DEST_PATH_IMAGE028
,这里
Figure 897794DEST_PATH_IMAGE029
，可以将上式中的
Figure 944248DEST_PATH_IMAGE026
写为：
Figure 991838DEST_PATH_IMAGE030
(5)
3）在空间频率域的部分相干理论中，交叉谱密度函数还可以表示成以下形式：
Figure 567176DEST_PATH_IMAGE031
(6)
Figure 965796DEST_PATH_IMAGE032
是一个表示部分相干光关联结构的复关联函数，将(2)式代入(1)式并与(6)式对比可知，相干度函数与权重函数
Figure 550361DEST_PATH_IMAGE019
和相位函数
Figure 950993DEST_PATH_IMAGE021
有关：
Figure 697233DEST_PATH_IMAGE033
(7)
再将（4）式代入（3）式中，和（6）式对比可以看出：
Figure 786411DEST_PATH_IMAGE008
(8)
所以在产生光束的过程中，可以通过动态的复透射率屏函数
Figure 909088DEST_PATH_IMAGE026
，实现对光束空间相干函数
Figure 665692DEST_PATH_IMAGE013
的调控。根据公式(4)、(5)和 (8)，可以看出动态复光场
Figure 943351DEST_PATH_IMAGE025
同时包含光束的振幅信息（具体表现在振幅函数
Figure 254247DEST_PATH_IMAGE017
中）和光束空间相干信息（包含在动态的复透射率屏函数
Figure 180615DEST_PATH_IMAGE026
中）；
4）现将部分相干光束交叉普密度函数(3)表示为不同非相干光场叠加的形式：
Figure 526145DEST_PATH_IMAGE034
(9)
当
Figure 879766DEST_PATH_IMAGE035
时，可得到光源处的光强表达式：
Figure 412379DEST_PATH_IMAGE036
(10)
这里的
Figure 189709DEST_PATH_IMAGE037
是动态复光场模式,可表示为：
Figure 186484DEST_PATH_IMAGE014
(11)
以上两式中的
Figure 711006DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 996494DEST_PATH_IMAGE015
分别表示模式数量和模式编号，在这里所有模式中的振幅函数
Figure 264664DEST_PATH_IMAGE017
都是相同的，不同的是动态的复透射率屏函数
Figure 850367DEST_PATH_IMAGE016
，每个模式都对应不同的复随机数，从而产生不同的动态的复透射率屏函数
Figure 375151DEST_PATH_IMAGE016
。
5）将(11)式中的振幅和相位信息都转化为可以用相位表示的形式，首先这就需要将动态复光场模式中的振幅和相位进行分离，表示为：
Figure 147935DEST_PATH_IMAGE039
(12)
其中，
Figure 688638DEST_PATH_IMAGE040
是动态复光场模式
Figure 863267DEST_PATH_IMAGE037
的归一化振幅，其值在0和1之间，
Figure 729592DEST_PATH_IMAGE041
是该场的相位，其值在
Figure 816103DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 957235DEST_PATH_IMAGE043
之间。假设存在一个只包含相位项的函数：
Figure 986371DEST_PATH_IMAGE044
(13)
其中，
Figure 23597DEST_PATH_IMAGE045
中同时包含了
Figure 334755DEST_PATH_IMAGE037
中振幅和相位信息。故可将
Figure 482839DEST_PATH_IMAGE045
分解为与目标光场振幅有关的项
Figure 366481DEST_PATH_IMAGE046
和与目标光场相位
Figure 636926DEST_PATH_IMAGE047
有关的项的乘积：
Figure 606019DEST_PATH_IMAGE048
，(13)式则变为
Figure 292215DEST_PATH_IMAGE049
，利用Jacobi–Anger展开式，可将
Figure 128234DEST_PATH_IMAGE050
展开：
Figure 507263DEST_PATH_IMAGE051
(14)
其中，
Figure 963652DEST_PATH_IMAGE052
是m阶Bessel函数。此外，还可以将
Figure 719118DEST_PATH_IMAGE053
展开为
Figure 108511DEST_PATH_IMAGE054
域的傅里叶级数：
Figure 956644DEST_PATH_IMAGE055
(15)
对比等(14)式和(15)式，有
Figure 431487DEST_PATH_IMAGE056
，又因为在实验过程中仅需要一级衍射光斑，所以假设存在一个正常数使得
Figure 725065DEST_PATH_IMAGE057
成立，已知一阶Bessel函数的最大值约为0.58，故这里取
Figure 437807DEST_PATH_IMAGE058
，综上所述，通过公式
Figure 158638DEST_PATH_IMAGE059
可将振幅函数包含的信息转化为可以编辑到全息图中的相位形式。
由于光束的重建是在全息图的傅里叶光谱平面通过空间滤波形成的，所以希望傅里叶光谱平面的各级光束能够分开，避免相互之间的影响。这需要在全息图中加载的光场相位
Figure 386357DEST_PATH_IMAGE054
上加入一个空间频率为
Figure 44478DEST_PATH_IMAGE060
的相位光栅
Figure 611726DEST_PATH_IMAGE061
，现在包含了
Figure 300196DEST_PATH_IMAGE037
中振幅和相位信息的相位函数
Figure 218473DEST_PATH_IMAGE045
变成了：
Figure 119433DEST_PATH_IMAGE062
(16)
将相位函数
Figure 573811DEST_PATH_IMAGE045
编码成灰度值0—255的光栅全息图，并按顺序加载到光调制器中。
二、搭建如图1所示的实验装置图（该图为实例，根据实验条件及目的不同，可进一步对实验装置进行简化或做出相应修改，并将所需要的全息图按照顺序加载到连接空间光调制器的计算机里，从而在空间光调制器中反射出所需要的光束）。
具体实施步骤为：
第一步，根据第一部分所阐述的技术原理，表示出所需要的模式，并将模式中包含的信息编码到全息图中；
第二步，搭建实验所需的光路；打开激光器1，调整合适的功率，取出第一光阑5准直各路光束，最后将光阑放回原位置，确保实验过程中光束时刻保持准直后的状态；
第三步，旋转线偏振片2透光轴的方向并适当旋转衰减片3，控制激光偏振方向和透过后的强度，让线偏振的激光经过第一平面镜6入射到第一分束镜8中，其中反射光束经过第二光阑7，用来判断光束的准直情况；
第四步，透射光从第一分束镜8透射到光调制器17上，光调制器17与第三计算机24相连，通过第三计算机24将全息图加载到光调制器17上，这里第三计算机24即为全息信号源，并使全息图按照顺序和特定频率循环播放。经全息图衍射的光束从光调制器17反射出来，并通过由第一透镜9和第二透镜11组成的4f光学系统，其中，遮光板10过滤掉了其他光束只允许正一级或负一级衍射光束通过；光束经过第一透镜9和第二透镜11组成的4f系统后聚焦到第二分束镜12上；
第五步，经第二分束镜12透射后，光束通过第三透镜13和第四透镜14组成的第二个4f系统聚焦到连接了第一计算机16的第一CCD相机15(电荷耦合器件)处，得到光源处的光谱空间分布；
第六步，经第二分束镜12反射后，光束通过第五透镜19和第六透镜20组成的第三个4f系统聚焦到第七透镜21处，光束经第七透镜21后在自由空间传输一定距离进入连接了第二计算机23的第二CCD相机22(电荷耦合器件)中，得到光束传输到不同距离处的光谱分布情况。其中，光束传输到第七透镜21焦平面处的光场分布与光束由光源面出发在自由空间中传输到无穷远处的光场分布是一样的。
即经扩束器4扩束得到的平面波入射到光调制器17上，经光栅全息图衍射后，在全息图傅里叶光谱平面（第一透镜9的后焦面）处用遮光板10分离出正一级或负一级光斑，该光斑经第二透镜11继续传输至第二透镜11的后焦面处，在该平面处得到的光谱分布即为目标光场光源处的光谱分布。通过第一CCD相机15、第二CCD相机22可以分别拍摄光束在光源处和传输过程中动态光场的光谱分布情况，从而可以分析、验证目标光束的传输特性。
进一步地，若所使用的激光器为功率可精确调节且出射光为完全线偏振光的激光器1，则可省略线偏振片2和衰减片3；若经扩束器4扩束后的效果较好，为所需要的圆形平面波，则可省略圆孔第一光阑5；若使用的光调制器17为透射式的，可以将第一透镜9到第一计算机16的光路装置和第二平面镜18到第二计算机23的光路装置放置到光束透过的方向；若仅需要探究所产生光束在光源处的情况，则可以去除装置中的第二分束镜12、第三透镜13、第四透镜14和第二平面镜18到第二计算机23的光路部分，并将连接了第一计算机16的第一CCD相机15(电荷耦合器件)放置在第二分束镜12位置处即可得到光源处的光谱分布情况；若需要探究光束经过其他光学系统的传输特性，则根据需要，将第七透镜21更改为所需装置即可，这里需要注意，本实验中第七透镜21的位置相当于光源面的位置，在更改光学系统时需考虑各装置所处的真实位置。
如图2所示，本发明还提供一种动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制方法，包括以下步骤：
S1：将一目标光束的动态复透射率屏函数与振幅函数相乘得到动态复光场模式，其中，所述动态复透射率屏函数能够对目标光束的空间相干函数进行调控；
S2：将所述动态复光场模式进行编码得到全息图信号；
S3：根据所述全息图信号生成一调制用的全息图，并将所述全息图加载显示到一光调制器上，使所述光调制器对入射到其上的线偏振光的空间相干函数和振幅函数同时进行调控，并反射出所述目标光束。
原理部分同上述系统相同，此处不再赘述，即通过一个光调制器对光束的振幅函数和空间相干函数同时进行调控，从而产生任意需要的部分相干光束，在使用该方法产生光束时需要将目标光束的振幅函数和空间相干函数同时编码到可以由光调制器读取的全息光栅图中。通过这种普适的方法，调节光束的振幅函数和空间相干函数，从而控制光束在光源处和传输过程中的各种特性。
实施例
第一部分：产生目标光束所需全息图：
本实施例选择一个谢尔模型光束,令
Figure 433182DEST_PATH_IMAGE063
，将光束的振幅函数
Figure 307597DEST_PATH_IMAGE017
表示为艾里函数和指数函数的乘积
Figure 808986DEST_PATH_IMAGE064
，权重函数
Figure 85246DEST_PATH_IMAGE019
则表示为与
Figure 404933DEST_PATH_IMAGE065
类似的形式：
Figure 563381DEST_PATH_IMAGE066
，其中
Figure 806144DEST_PATH_IMAGE067
为一个衰减因子，这里令
Figure 202490DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure 606927DEST_PATH_IMAGE069
为艾里宽度，令
Figure 19716DEST_PATH_IMAGE070
，
Figure 66169DEST_PATH_IMAGE071
是一个可以灵活控制光束相干长度的变量，其与相干长度
Figure 113760DEST_PATH_IMAGE072
的关系可表示为
Figure 954677DEST_PATH_IMAGE073
,这里分别取相干长度为0.1mm和10mm。
将控制光束光源特点的振幅函数
Figure 851832DEST_PATH_IMAGE017
和控制光束传输特性的权重函数
Figure 967556DEST_PATH_IMAGE019
和相位函数
Figure 869653DEST_PATH_IMAGE021
代入到(5)式和(11)式，可以得到该光束对应的动态复透射率屏函数
Figure 615892DEST_PATH_IMAGE016
和动态复光场模式
Figure 439491DEST_PATH_IMAGE037
，根据(12)-(16)式将动态复光场模式
Figure 125950DEST_PATH_IMAGE037
中的振幅函数和空间相干函数中携带的信息一起编码到相应的全息图中。
第二部分：利用实验装置合成目标光束：
如图1所示，它是本发明的一个具体实施例：利用一个反射式的空间光调制器LETO同时调控光束振幅和相干特性的装置，产生一种拥有艾里型振幅函数和艾里型权重函数的光束，具体产生过程如下：
激光器1采用波长为532纳米的氦氖激光器，能够发出竖直方向偏振的激光，在激光器后面放置一个透光轴与竖直方向成45°夹角的线偏振片，可以减弱光强并过滤掉光束中由于仪器误差和环境干扰所产生的其他偏振方向的所有杂光。扩束器4将入射的高斯光束进行扩束；圆形光阑直径约8mm，可以过滤杂光从而得到一束平面光波。第一分束镜8将由第一平面镜6反射的平面光波等分为两束，反射式的空间光调制器可以将接收到的平面波变为目标光场。第一透镜9、遮光板10以及第二透镜11，将反射式的空间光调制器产生的所需要的光波在第二分束镜12处再现出来。第三透镜13、第四透镜14组成的4f系统将第二分束镜12处的光场在装置第一CCD相机15处再现；第一CCD相机15与第一计算机16一起记录光源处每个模式对应的散斑照片从而得到光源处的光谱分布情况。第五透镜19、第六透镜20组成的4f系统和第二平面镜18将第二分束镜12处的光场在第七透镜21处再现；第七透镜21可以为所需要的光学传输系统（即：令光束通过在光源平面放置的薄透镜并继续传输一段距离）；装置第二CCD相机22、第二计算机23可记录光束传输过程中每个模式对应的散斑的照片从而得到传输过程中光束的光谱分布情况。
其中，反射式空间光调制器的具体参数为水平分辨率1920，垂直分辨率1080，像素大小为6.4um×6.4um，反射式空间光调制器加载的包含有所需光场振幅和相干结构信息的全息图首先由第三计算机24中的MATLAB软件运算处理得到，再由第三计算机24中与空间光场调制器配套使用的HOLOEYE SLM Slideshow Player软件按照顺序读取并循环播放，这里选取播放频率为10Hz；第一CCD相机15、第二CCD相机22的参数均为水平分辨率1920、垂直分辨率1440、像素大小6.4um×6.4um,装置第一CCD相机15、第二CCD相机22分别与装有与其配套的Point Grey FlyCap2软件和MATLAB软件的第一计算机16、第二计算机23相连，这里选择拍摄频率同为10Hz。
具体实验步骤为：
第一步，根据图1所示，搭建实验所需的光路；
第二步，打开完全相干标量光源激光器1，并调整相应功率；旋转线偏振片2透光轴的方向与竖直方向成45°；旋转衰减片3到适当位置；让光束继续经扩束器4扩束后，再经过直径为8mm的圆形光阑过滤掉杂光；然后让光束进入第一分束镜8，分成两束，反射光束用来确保光束准直，透射光束为入射到空间光调制器中将要被调制的光束；
第三步，反射式空间光调制器上以10Hz的频率按顺序循环加载目标光束对应的全息图。全息图采用复振幅调制产生，其中，所加相位光栅的频率参数为：nx =800，ny =400，该频率参数与相位光栅的频率有关系：
Figure 351395DEST_PATH_IMAGE074
，
Figure 799694DEST_PATH_IMAGE075
，其中，
Figure 172906DEST_PATH_IMAGE076
是所加相位光栅沿水平方向的频率，
Figure 99274DEST_PATH_IMAGE077
是所加相位光栅沿垂直方向的频率，nx是指水平方向的光栅数量，ny是指竖直方向的光栅数量。此时从反射式空间光调制器里出射的光束即为带有正、负一级衍射光斑的光束；光束继续通过由焦距为250mm的第一透镜9和第二透镜11组成的4f光学系统，其中，遮光板10位于第一透镜9的后焦面（同第二透镜11的前焦面）只允许正一级衍射光斑通过；
第四步，光斑经过4f系统后聚焦到第二分束镜12上，第二分束镜12的中心点位置在第二透镜11的后焦面上，在第二分束镜12后再次放置一套由焦距为250mm的第三透镜13和第四透镜14组成的4f系统，在第四透镜14的后焦面放置一个与装有Point Grey FlyCap2软件的第一计算机16相连的第一CCD相机15，此时第一CCD相机15拍摄到的光谱分布即目标光束中每个光场模式在光源处的光谱分布情况，经叠加就可以产生所需要的目标光束；
第五步，在第二分束镜12反射光束的一侧放上第二平面镜18和另一套焦距为250mm的第五透镜19和第六透镜20组成的4f系统，在第六透镜20的后焦面处再放置一个焦距为250mm的第七透镜21作为探究光束传输的光学系统，使光束通过第七透镜21后继续传输，依次在与第七透镜21相距50mm、100mm、150mm、200mm、250mm处放置第二CCD机22，并使其与装有Point Grey FlyCap2软件的第二计算机23相连，通过控制第二计算机23，利用第二CCD相机22拍摄光束传输到不同距离处的每个光场模式的光谱分布情况，验证目标光束的传输特性。这里需要注意，在使用第一CCD相机15、第二CCD相机22拍摄时，需要保持实验环境黑暗，且拍摄频率与第三步中全息图的播放频率相同；
第六步，将拍摄的每个光场模式的光谱分布图合成为光束平均光谱分布图。分析可知当相干长度较长时，光束在焦平面处会发生聚焦，当相干长度非常小时，光束在焦平面处的光谱分布几乎与光源处一致，通过控制相干结构和相干长度的不同，可以控制光束传输过程的特性。
本发明利用一个光调制器同时调控动态光场振幅函数和空间相干函数，从而同时控制光束在光源处及传输过程中的特性，成本较低、操作灵活、应用广泛，对任意振幅函数和新型相干函数的光束的研究有很大帮助。
以上所述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 (6)

1.一种动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制系统，其特征在于，包括：
全息信号源，用以生成一全息图信号，所述全息图信号以一目标光束的动态复透射率屏函数与振幅函数相乘得到动态复光场模式，并将所述动态复光场模式进行编码得到，其中，所述动态复透射率屏函数能够对目标光束的空间相干函数进行调控；
光源组件，其发出线偏振光；
光调制器，加载所述全息图信号并显示一调制用的全息图，所述线偏振光入射至所述光调制器，所述光调制器通过全息图对线偏振光的空间相干函数和振幅函数同时进行调控后反射出所述目标光束；
所述动态复光场模式表示为：
Figure 52792DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 563408DEST_PATH_IMAGE002
表示动态复光场模式的模式编号，
Figure 77565DEST_PATH_IMAGE003
即为第
Figure 941616DEST_PATH_IMAGE002
个动态复光场模式的动态复透射率屏函数，每个模式均对应一张全息图并对应不同的复随机数，所述全息图按模式顺序依次加载到所述光调制器中，
Figure 365776DEST_PATH_IMAGE004
表示振幅函数；
所述动态复透射率屏函数表示为：
Figure 922659DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 924113DEST_PATH_IMAGE006
表示
Figure 716488DEST_PATH_IMAGE007
傅里叶变换域中的位置坐标，
Figure 119788DEST_PATH_IMAGE008
表示光源平面一点的位置坐标，
Figure 847572DEST_PATH_IMAGE009
表示权重函数，
Figure 336323DEST_PATH_IMAGE010
表示相位函数，
Figure 414613DEST_PATH_IMAGE011
表示系综平均为零的复随机数；
还包括光束再现组件和光束分析系统；
所述光束再现组件包括第一4f系统和遮光板；所述光调制器反射出的目标光束经过第一分束镜反射进入第一4f系统，所述第一4f系统位于所述第一分束镜反射出的目标光束方向上，第一4f系统包括第一透镜和第二透镜；所述遮光板位于所述第一透镜和第二透镜之间，所述遮光板用于滤出正一级或负一级衍射光束，所述第一4f系统将所述光调制器反射出的目标光束聚焦在光束分析系统上进行重现；
所述光束分析系统包括：
第二分束镜，位于所述第一4f系统的聚焦处，其将目标光束等分为两束，分别为第一目标光束和第二目标光束；
光源分析系统，包括第二4f系统、第一CCD相机和第一计算机，所述第二4f系统包括第三透镜和第四透镜，所述第一目标光束经过第二4f系统聚焦到所述第一CCD相机上，所述第一计算机通过所述第一CCD相机得到目标光束在光源处的光谱分布情况；
传输分析系统，包括第二平面镜、第三4f系统、光学传输系统、第二CCD相机和第二计算机，所述第三4f系统包括第五透镜和第六透镜，所述第二平面镜位于所述第二分束镜一侧，所述第二目标光束经过所述第二平面镜反射进入所述第三4f系统；所述第三4f系统重现目标光束并令其经过所述光学传输系统传输一定距离后聚焦到所述第二CCD相机，所述第二计算机通过所述第二CCD相机得到目标光束传输过程中的光谱分布情况并分析、验证目标光束的传输特性；
目标光束为谢尔模型光束,令
Figure 672419DEST_PATH_IMAGE012
，将目标光束的振幅函数
Figure 836684DEST_PATH_IMAGE004
表示为艾里函数和指数函数的乘积
Figure 937364DEST_PATH_IMAGE013
，权重函数
Figure 946908DEST_PATH_IMAGE014
，其中，
Figure 59220DEST_PATH_IMAGE015
为一个衰减因子，令
Figure 4174DEST_PATH_IMAGE016
,
Figure 467516DEST_PATH_IMAGE017
为艾里宽度，令
Figure 280751DEST_PATH_IMAGE018
,
Figure 372204DEST_PATH_IMAGE019
是一个控制光束相干长度的变量，其与相干长度
Figure 878272DEST_PATH_IMAGE020
的关系可表示为
Figure 563331DEST_PATH_IMAGE021
；
空间光调制器上以10Hz的频率按顺序循环加载目标光束对应的全息图；全息图采用复振幅调制产生，其中，所加相位光栅的频率参数为：nx=800,ny=400，该频率参数与相位光栅的频率有关系：
Figure 180257DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 142528DEST_PATH_IMAGE023
，其中，u 0 是所加相位光栅沿水平方向的频率，v 0 是所加相位光栅沿垂直方向的频率，nx是指水平方向的光栅数量，ny是指竖直方向的光栅数量。
2.如权利要求1所述的动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制系统，其特征在于，所述光源组件包括：
激光器，其发出线偏振光；
扩束器，其位于所述激光器一侧，将入射的线偏振光进行扩束并调整为一平面光波；
第一平面镜和第一分束镜，所述第一平面镜位于所述扩束器一侧，所述第一分束镜将经过第一平面镜反射的平面光波透射到所述光调制器上。
3.如权利要求2所述的动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制系统，其特征在于，所述光源组件还包括：
线偏振片和衰减片，位于所述激光器和所述扩束器之间，所述线偏振片通过调整其透光轴方向控制线偏振光方向，所述衰减片通过旋转调整线偏振光入射到所述扩束器的强度；
第一光阑，位于所述扩束器和所述第一平面镜之间，用于使平面光束进入第一平面镜为准直状态；
第二光阑，位于所述第一分束镜一侧，所述第一分束镜将经过第一平面镜反射的平面光波等分为两束，其中一束平面光波透射到所述光调制器上，另一束平面光波进入所述第二光阑，所述第二光阑用于判断进入所述光调制器的平面光波的准直度。
4.如权利要求3所述的动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制系统，其特征在于，所述光束分析系统包括第一CCD相机和与其匹配连接的第一计算机，所述第一CCD相机位于所述第一4f系统的聚焦处，所述第一计算机通过所述第一CCD相机得到目标光束在光源处的光谱分布情况。
5.一种动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制方法，其特征在于，采用如权利要求1-4中任一项所述的动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制系统进行调制，包括以下步骤：
S1：将一目标光束的动态复透射率屏函数与振幅函数相乘得到动态复光场模式，其中，所述动态复透射率屏函数能够对目标光束的空间相干函数进行调控；
S2：将所述动态复光场模式进行编码得到全息图信号；
S3：根据所述全息图信号生成一调制用的全息图，并将所述全息图加载显示到一光调制器上，使所述光调制器对入射到其上的线偏振光的空间相干函数和振幅函数同时进行调控，并反射出所述目标光束。
6.如权利要求5所述的动态光场空间相干函数和振幅函数同步调制方法，其特征在于，所述动态复透射率屏函数表示为：
Figure 553918DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 726273DEST_PATH_IMAGE006
表示
Figure 5945DEST_PATH_IMAGE007
傅里叶变换域中的位置坐标，
Figure 947356DEST_PATH_IMAGE008
表示光源平面一点的位置坐标，
Figure 795226DEST_PATH_IMAGE009
表示权重函数，
Figure 330244DEST_PATH_IMAGE010
表示相位函数，
Figure 288973DEST_PATH_IMAGE011
表示系综平均为零的复随机数；
所述目标光束的空间相干函数，表示为：
Figure 84891DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure 962717DEST_PATH_IMAGE025
表示复共轭，角括号表示系综平均，
Figure 109664DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 872084DEST_PATH_IMAGE027
属于
Figure 788087DEST_PATH_IMAGE028
，表示光源平面上任意两个点的坐标，通过动态复透射率屏函数
Figure 319038DEST_PATH_IMAGE029
对空间相干函数
Figure 953282DEST_PATH_IMAGE030
进行调控。
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