CN114675467A - 一种用于非线性光场调控的准多值化编码改进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于非线性光场调控的准多值化编码改进方法,在二值化编码的基础上改进得到,能够大幅提高非线性光场调控的精度和质量。改进的具体方法是分别在一维和二维角度重新设计了光学超晶格结构单元,利用正负畴结构面积占空比与光场归一化振幅之间的线性对应关系,合理设计结构单元中正负畴结构所占的面积,在满足加工精度的前提下尽可能地实现了畴的连续化,实现非线性倍频过程的同时提高成像的精确度。这种准多值化编码方法可被视为一种普适的用于非线性光场调控的方法,其调控的二次谐波可以是任意波前,而不局限于聚焦的波前,同时在改善非线性光学波前调控质量方面有着重要应用。

Description

一种用于非线性光场调控的准多值化编码改进方法
技术领域
本发明属于非线性光学领域,具体涉及一种用于非线性光场调控的准多值化编码改进方法。
背景技术
2018年诺贝尔物理学奖颁给了激光物理学领域的两项重要发明,分别是用来操控微粒的“光镊”技术和获得高强度、超短波脉冲激光的“啁啾脉冲放大”技术。这使得人们重新关注对光波的传播、调控特性及其应用的研究。线性光学中的光场调控技术已经逐渐发展成熟,对非线性光场调控的研究是人们在认识自然规律和对科学技术探索过程中的必然追求。频率转换等非线性光学效应的存在使得全光波段的光场调控成为可能,这将在全光范围内极大地促进光操纵、光学微加工、光成像、光通信等应用的研究。
目前非线性光场调控的实现方式主要有三种:第一种是先通过各种相位匹配技术产生非线性高阶谐波,再利用线性光场调控技术处理生成的高阶谐波。典型工作是以色列Aire教授课题组提出的在非线性晶体出射面增加功能结构实现对非线性谐波的调控。当功能面设计为叉形光栅时,可以同时产生基波和倍频的涡旋分布。第二种方式是采用结构光入射,再进行非线性频率转换。通过改变基波的光场分布间接调控非线性谐波的光场分布。例如将具有叉形相位分布的基波入射到均匀非线性晶体中产生非线性涡旋光束。第三种实现非线性光场调控的方式是基于非线性光学材料,通过人工微结构使得非线性光场的产生和调控过程同时进行。通过非线性人工微结构材料能将非线性过程和调控功能有效地集成统一,这种方式在非线性光学与集成光子学的结合研究以及器件的小型化研制方面有重要的理论价值和应用前景。
利用微结构的人工干预,非线性光场调控的研究已经从多通道相移技术,走到了如今傅里叶光学与相移结合技术、局域准位相匹配技术、腔相位匹配技术、计算全息技术等百家争鸣的局面。早先Fejer结合一维准相位匹配原理提出多通道相移光束整形技术,实现了非线性光束聚焦功能;2009年Aire将傅里叶光学与相移技术相结合设计光路,实现了Airy光束的非线性产生和调控。在随后的几年里,其课题组进一步将计算全息技术引入到超晶格结构设计中,实现了多种特殊光束整形和相位调控;2008年南京大学介电体超晶格研究组提出局域准位相匹配理论,突破传统倒格矢的限制,直接利用非线性惠更斯原理设计了具有倍频、分束、偏振和聚焦多功能集成的光学超晶格并进行了实验验证。2014年随着对非线性惠更斯原理的深入研究,研究组提出了更为实用的非线性菲涅尔体全息技术。其核心原理是通过非线性极化波和非线性物光的干涉,记录下物光波完整的波前信息;通过基波照射,再现非线性物光。基于该方法,可以针对各种复杂非线性光学过程方便地设计光学超晶格结构。然而由于铌酸锂、钽酸锂等非线性晶体的二值化特性,结构设计中会丢失一部分信息。不同的调控原理和结构设计方法直接影响着非线性光场调控能力和系统性能。因此发展一套优化非线性光场调控的结构编码设计方法就显得非常重要,也具有极大的复杂性和挑战性。
目前现有的技术为简单的二值化编码方法,例如文献Opt.Lett.41,2927(2016)采用了二值化编码的光学超晶格结构实现二维非线性光束整形,又如Phys.Rev.A 102,043506(2020)采用了二值化的超晶格实现了轨道角动量可选择的多通道的非线性全息成像。
一般在非线性全息波前记录过程中,假设入射的基波的光场分布为
Figure BDA0003592146420000021
其中A1表示基波光场振幅,
Figure BDA0003592146420000022
表示基波波矢,
Figure BDA0003592146420000023
表示空间位置。相应地,参考光,也就是非线性极化波的表达式应该写为
Figure BDA0003592146420000024
倍频物光波是图像上的每一点辐射出来的倍频波组合,根据惠更斯-菲涅尔原理,将物面上的每一点看作一个点光源,辐射出的球面波相干叠加之后表达式可以记作:
Figure BDA0003592146420000025
这里的(xi,yi,z0)是物面上的点坐标,A2表示倍频物光波的光场振幅,
Figure BDA0003592146420000026
表示倍频波波矢,
Figure BDA0003592146420000027
表示物光波传输的空间位置。
将倍频物光波与参考光(非线性极化波)相干涉,经推导可得总光强分布的表达式:
Figure BDA0003592146420000028
式中前两项是直流信号,对全息图的结构设计没有影响。因此只需考虑最后一项,将Ep和E2的表达式代入Is,则最终需记录的干涉光强为:
Figure BDA0003592146420000031
为此,要想将干涉信息记录到光学超晶格结构中去,就需要对上式进行二值化处理,最终得到的结果就是超晶格的结构函数:
f(x,y)=sign(Is)
如上式所示,通常的二值化编码方法就是直接对Is取符号函数,值设为+1和-1。这样在全息图上的结构元胞内有且只有两种开孔方式如图1所示,反映在超晶格中黑色就为负畴,而白色就为正畴。以此来对图像进行编码,最终生成全息图像。
非线性光学超晶格材料被广泛用于非线性光场调控领域,在实现非线性频率转换的同时又能实现一些特殊的光学性能,比如聚焦效应,成像等。非线性晶体(如钽酸锂晶体)的180度畴翻转特性决定了必须要对晶体结构进行编码设计。作为传统的二值化编码,虽然实现起来比较简单方便,但是其本身所存在的缺点也显而易见,二值化编码方法只设计了两种编码单元,即+1和-1,因此其对衍射峰的抑制较弱,成像线条也不够精细,细节也并不清晰。也就是说它在成像精度和成像质量上并不理想。
发明内容
为了克服现有技术的不足,区别于传统的二值化编码,发明人提出了一种用于非线性光场调控的准多值化编码改进方法,在一维和二维层面重新设计了光学超晶格结构开孔策略,在满足加工精度的前提下尽可能地实现了畴的连续化,能够大幅提高非线性光场调控的能力和质量。具体改进方案如下:
假设晶体每个结构单元长宽均为L,对于一维准多值化编码方法,其设计原理图如图2所示,每个结构单元中用负畴区域的面积占空比来表示干涉光场归一化振幅Is(x,y),则对于一维准多值化编码方法,结构函数修正为:
Figure BDA0003592146420000041
其中A表示每个结构单元中负畴区域在x方向所占的宽度,A与光场归一化振幅Is之间的关系可以表示为
Figure BDA0003592146420000042
如图3所示。
二维准多值化编码方法与一维类似,其设计原理图如图5所示,从二维角度对每个结构单元所对应的负畴面积进行了设计,在调整x方向上负畴位置的同时对y方向也进行调整,假设B1表示每个结构单元中负畴区域在x方向所占的宽度,B2表示每个结构单元中负畴区域在y方向所占的宽度,用每个结构单元中负畴的面积B与整个结构单元面积L2的比值去线性对应每个结构单元中心位置Is(x,y)的归一化取值,具体表示为
Figure BDA0003592146420000043
如图6所示。则光学超晶格结构函数可以进一步修正为:
Figure BDA0003592146420000044
这样设计的效果是为了尽可能的实现畴的连续化,以此来提高非线性光场调控的能力和质量。
本发明具有如下技术效果:本发明的准多值化编码在一维和二维层面都进行了超晶格结构元胞开孔策略的设计,一维的设计方案已经在精度上有所提高,但是理论上A的取值应该是连续的,这样生成的全息图才会输出质量更高的图像。不过由于目前的超晶格加工工艺以及精度的的限制,导致实际过程中根本无法制作出真正的连续变化的畴结构。所以我们又在二维上对结构元胞进行了设计,在满足加工精度的同时让其结构更加的接近连续变化的畴结构,以此来提高成像质量。同时二维的设计可以让结构面积更加精确,因此对远场振幅的调控更为精确,对原图像的还原程度也更高。总之,无论是一维还是二维准多值化编码方法都能有效降低图像失真,在满足光学超晶格加工条件的前提下有效提高非线性光场调控质量。
附图说明
图1为二值化编码方法。
图2为一维准多值化编码单元。
图3为一维准多值化编码方法中负畴区域对应的面积与成像平面处归一化振幅之间的关系。
图4为一维准多值化编码具体方案。
图5为二维准多值化编码单元。
图6为二维准多值化编码方法中负畴区域对应的面积与成像平面处归一化振幅之间的关系。
图7为二维准多值化编码具体方案。
图8为二值化编码方案实现强度不等的双点图案。
图9为一维准多值编码方案实现强度不等的双点图案。
图10为二维准多值编码方案实现强度不等的双点图案。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明了,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
本发明编码模拟的是光学超晶格晶体,基波波长为1064nm。
在一维准多值化编码中,假设结构的每个畴单元宽高L=5μm,宽度为A的黑色区域表示结构函数为-1,白色区域表示结构函数为1。A的值可以从0到L变化,不同的值表示结构的负畴占空比不同。我们以四值化编码为例,将每块结构单元中心位置处的全息干涉光强Is按值由小到大分为四份,并在x方向上对其对应的负畴面积进行了设计。图4所示的编码方式分别代表了归一化振幅Is
Figure BDA0003592146420000051
四种取值范围内的开孔方式,其中
Figure BDA0003592146420000052
对应的是(a),
Figure BDA0003592146420000061
对应的是(b),
Figure BDA0003592146420000062
对应的是(c),
Figure BDA0003592146420000063
对应的是(d)。这四种开孔方式各自的负畴区域宽度A分别为L、
Figure BDA0003592146420000064
和0。
在二维准多值化编码中,从二维角度对结构单元的开孔策略进行了重新设计,在调整黑色区域x值的同时对y值也进行调整。假设结构的每个畴单元宽高L=5μm,其面积为L2=25μm2。将一个结构单元分为100个等大小的小单元,如图5所示。以此为例,假设负畴(黑色区域)所占面积为B,从图6中可以看出,当B从0增加到L2时,对应的结构单元中心位置归一化振幅随B线性变化。因此我们可以通过改变负畴区域所占面积B值来表示不同的调幅,若将每块结构单元中心位置处的全息干涉光强Is按值由小到大分为十份,分别为
Figure BDA0003592146420000065
Figure BDA0003592146420000066
Figure BDA0003592146420000067
则可以同时在x方向和y方向对每块结构单元所对应的负畴面积进行设计,其对应的各自负畴区域面积B分别为
Figure BDA0003592146420000068
Figure BDA0003592146420000069
和0,如图7所示。
进一步地,将一维和二维准多值化编码方法设计的结构图所对应的成像效果与传统的二值化编码方法相比较,这里我们以实现一对强度不等的双点图案为例。输入图像设置大小为300×300的二色位图,两点坐标分别设置为(150,100)和(150,200),强度比设为4:1。
图8所示是传统的二值化编码方法获得的结果图,其中(a)为二值化编码生成的全息结构图,(b)为仿真模拟的双点聚焦场分布图,(c)为两点的强度对比曲线图。从(c)图中可以看出二值化编码方法设计出的结构可以获得的双点强度峰值分别为0.999和0.0945,其比值约为11:1,该结果大大偏离原本强度比值4:1,失真大小约为62.2%。
图9所示是采用一维准多值化编码方法获得的结果图,其中(a)为一维准多值化编码生成的全息结构图,(b)为仿真模拟的双点聚焦场分布图,(c)为两点的强度对比曲线图。从(c)图中可以看出该一维准多值化编码方法设计出的结构可以获得的双点强度峰值分别为1和0.2707,强度比为3.7:1,该比值较为接近4:1,其失真大小约为8.28%。
图10所示是采用二维准多值化编码方法获得的结果图,其中(a)为二维准多值化编码生成的全息结构图,(b)为仿真模拟的双点聚焦场分布图,(c)为两点的强度对比曲线图。从(c)图中可以看出二维准多值化编码方法设计出的结构可以获得的双点峰值分别为1和0.2504,强度比为4:1.0016,该精度已经非常接近原图的4:1的强度比,其失真大小为0.16%。
从上述的强度不等的双点图案非线性光场模拟过程中可以看出,比起传统的二值化光学超晶格设计方法,发明人提出的准多值化编码方法能有效提高非线性光场调控能力,降低失真,优化调控效果。
以上仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书内容所作的等效变换,或直接或间接运用在其它相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种用于非线性光场调控的准多值化编码改进方法,其特征在于,在二值化编码的基础上分别在一维和二维角度重新设计了光学超晶格结构单元,每个结构单元中用负畴区域的面积占空比来表示干涉光场归一化振幅Is,则对于一维准多值化编码方法,结构函数修正为:
Figure FDA0003592146410000011
其中L表示晶体结构单元的长宽,A表示每个结构单元中负畴区域在x方向所占的宽度,A与光场归一化振幅之间的关系可以表示为
Figure FDA0003592146410000012
二维准多值化编码方法与一维类似,从二维角度对每个结构单元的负畴面积进行了设计,在调整x方向上负畴位置的同时对y方向也进行调整,假设B1表示每个结构单元中负畴区域在x方向所占的宽度,B2表示每个结构单元中负畴区域在y方向所占的宽度,用每个结构单元中负畴的面积B与整个结构单元面积L2的比值去线性对应每个结构单元中心位置Is的归一化取值,具体表示为
Figure FDA0003592146410000013
从而进一步修正结构函数为:
Figure FDA0003592146410000014
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