CN117419897A - 基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪 - Google Patents
基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117419897A CN117419897A CN202311399313.4A CN202311399313A CN117419897A CN 117419897 A CN117419897 A CN 117419897A CN 202311399313 A CN202311399313 A CN 202311399313A CN 117419897 A CN117419897 A CN 117419897A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mode
- grating
- gaussian
- diffraction
- incident
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract 3
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 11
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 11
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 8
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 2
- 101100327165 Arabidopsis thaliana CCD8 gene Proteins 0.000 description 3
- 238000001444 catalytic combustion detection Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 238000012576 optical tweezer Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
- G01M11/02—Testing optical properties
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/02—Details
- G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
- G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
- G01M11/02—Testing optical properties
- G01M11/0207—Details of measuring devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明是基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪，实现基于波动光学中衍射中入射光模式与衍射光强度间存在的线性关系和传播不变性模式间的正交性；该系统通过使用数字微镜装置加载理论计算获得的衍射光栅对入射相干叠加态模式进行一一识别实现光模式模式谱解算；本发明是针对传播不变性模式的相干叠加态进行纯衍射光学处理获得模式谱的方法，相较于其它方法最大的优势就是计算量小，易于实现，时间成本低；由本方法实现的模式谱分析具有一定的普适性和潜在的推广可能性。
Description
技术领域：
本设计方法涉及一种激光束横模质量分析实现方法，属于激光束空间结构的调制与解调领域。
背景技术：
空间传统结构激光束的研究近年来逐渐成为空间光通信、光传感、光镊以及量子信息处理等领域的热点研究对象；空间结构激光束本身的研究主要在于其带有的横模信息，横模信息指的是激光束沿光轴作切面获得横向光场分布，既包含光场强度分布，也包含光场在平面每一点的相位分布以及偏振性质，是空间结构激光束本质的特征。
空间结构激光束横模的调制可以依据调制位置和方法大体分为两种：腔内调制与腔外调制。本方法属于空间结构激光束的腔外调制，即带有信息的激光光束在自由空间中传播时对其进行调制与解调；目前的调制技术多基于空间光调制器件进行光场信息的调制，基于空间光调制器的空间结构光束调制对拉盖尔高斯模式(LG)、厄米高斯模式(HG)等具有传播不变性的空间结构光束的变换也已有了许多研究；拉盖尔高斯模式(LGp,l)可以通过各种相位调制或振幅调制的“叉形光栅”直接转换为目标的拉盖尔高斯模式(LGp’,l’)。
由于拉盖尔高斯模式具有比较直接的轨道角动量，具有旋转对称性等比较良好的拓扑性质，对于拉盖尔高斯的模式变换一直十分常见；对于厄米高斯模式以及其他类似的传播不变模式的研究仅从一般的全息图研究的角度入手，只关注了该模式从高斯光斑通过全息图方法加载厄米高斯模信息获得目标模式；对任意已知横模信息的光场转换为高斯光束或任意其他模式的光场模式的技术本身，在分析光场结构、强度、相位、能流情况等具有重要意义。
发明内容：
本方法通过在数字微镜装置上加载特定的二元振幅光栅将目标模式在+1衍射级次转换为高斯光斑；由于光束的+1阶衍射光场与入射光场的强度存在线性相关关系，因此可以通过对衍射的高斯光斑的强度进行探测来获得入射光场中目标模式的成分含量。
首先设计数字微镜器件上加载的二元振幅阵列排布来实现光场模式变换的功能；在沿光栅周期的方向上，提取出一系列方波信号，当入射光场与光栅相互作用时，在数学意义上是进行了光场与方波信号的乘法；最终对光场的+1阶衍射光场的分析，可以通过分析其傅里叶级数来实现，
该公式为标准的二维光栅信号的傅里叶级数；其中m为衍射级次，T为光栅周期，φg(x,y)为光栅调制函数中对相位的调制部分，本设计主要分析当m＝+1时的情况，即光栅对+1衍射级次光束的强度与相位调制函数：
要实现将入射模式转换为高斯模式，需要对应入射模式设计光栅调制函数；例如HGm,n转换为基模高斯模式，需要将强度函数设计为Eg(x,y)＝1/|HGm,n|，将相位函数设计为φg(x,y)＝arg(HGm,n)；即可实现对于任意模式的厄米高斯模式转换为高斯基模的变换；而其它类型的模式需类比本方法设计对应的转换光栅。
有益效果
1、本方法实现了由包括拉盖尔高斯模式外其它高阶模式向高斯光斑及其它同类正交模式的转换；
2、相比于传统的激光光束质量分析仪只能用于探测激光光束的最大模半径及远场发散角，本设计方法获得的光场模式谱信息更加全面；
3、本方法的激光模式谱可以在传统仪器的功能基础上通过上述方法将入射光场的模式谱在更短时间内高精度的进行探测和分析。
附图说明：
图1为本激光光束横模分析仪的整体光路图，图中1.激光器，2.正透镜，3.反射平面镜，4.缩束镜组，5.DMD(数字微镜装置)，6.滤波器，7.光能量衰减器，8.成像CCD。
图2为横模分析仪对相干叠加态各个模式的分析示意图。
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应该理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本横模模式谱分析仪提供了一种对于相干叠加模式激光光束的模式谱通过光学衍射、测量获得各个模式含量的方法；首先使用激光器1产生复杂强度和相位分布的相干叠加态模式光场，出射的相干叠加态模式光场经过一对正透镜2进行准直操作，再经过缩束镜4进行光束尺寸的线性缩小达到光束与光栅尺寸的匹配；当光束尺寸偏小，需通过扩束镜组来进行尺寸匹配；相干叠加态模式光束入射到DMD(数字微镜装置)5的二元振幅调制光栅上，光栅部分被反射到与入射光束所在直线成45°的方向上；反射的光束中存在着一个二维方波调制的周期光场函数；根据对反射光场的傅里叶级数的分析，针对+1衍射级次的光场分析对光栅进行设计，使+1衍射级次的光场函数被调制为理想的高斯光束；通过一个空间滤波器6，滤去除+1衍射级次外的其它衍射级次，再经过光能量衰减器7后成像在成像CCD8上；最终通过对成像CCD8上的高斯光斑的强度值来线性映射出入射相干叠加态中的目标模式的强度含量。
在仪器光路设计好后，在使用之前首先需要标定各个光栅与其对应单一模式的变换结果。
从基模高斯光场开始测，HG0,0、HG1,0、HG0,1、HG2,0等约20个以上的模式且每个模式按照等差数列的强度排列方式由小到大分别入射到对应模式在+1衍射级次变为高斯光斑的光栅上，再在电脑上自动按照加载光栅的顺序下载每个光栅对入射纯模式在成像CCD8上的高斯光斑的二维图像；此处的等差数列的强度排列指的是一个模式对其光强度进行二维积分的总能量值成一个等差数列，以便于入射模式总能量与衍射高斯光斑总能量之间产生良好的线性关系。
此处定义一个表征入射模式与高斯光斑总能量的方法；此处定义模式光场强度的对称中心为中心、以r个像素为半径的圆形区域的积分总能量，即距离强度最大值点≤r的所有像素的强度值的和来表征该模式或高斯光斑的强度值；r应设置的足够大，以至于几乎所有的模式或高斯光斑的能量都被包含在内，也进一步减小由于此步骤导致的入射模式的真实含量与探测计算出的含量的误差导致的非线性关系；但r的范围也不应过大，尤其是其他模式与非对应模式的光栅作用后，在+1衍射级次的非中心区域也有光场分布，需要考虑一个r的相对最优值；将所有的成像CCD8上成像出的模式或高斯光斑半径最大的那幅图像强度降为最大值的0.1倍时的半径范围设置为r。
在获得具体的一系列表征高斯光斑强度的数据后，需要建立好每个模式的入射模式与计算的模式的相关关系；这些数据中包含有入射能量从小到大按照等差数列增加的一系列的入射模式总能量与通过高斯光斑总能量数值的离散函数的一系列相关点，对这些点进行最小二乘法获得一个入射模式与衍射高斯光斑的线性关系直线。
最小二乘法，即获得一个与相关点集拟合效果最好的线性的一次函数直线，即一系列测得的点集(xi，yi),假设该直线为y＝kx+b，所有点集的横纵坐标均值为(x0，y0)，则有
k＝∑[(xi-x0)(yi-y0)]/∑(xi-x0)2
b＝y0-kx0
此处的xi表示的是一组等差数列总能量的同一种入射模式的总能量之一，yi是它对应的+1衍射级次上的高斯光斑的总能量；x0和y0分别是xi和yi的均值；当yi也遵循等差数列时，即完全理想的线性关系；所有模式的入射强度与衍射的+1级光斑的强度的线性方程均已标定好，此时已经计算获得了每个模式测得的线性方程的斜率与截距值，即确定了一系列(km,n，bm,n)；使用相干叠加态通过模式转换光栅来具体检测高斯光斑的过程。
具体的对相干叠加态进行模式分析过程如图2；入射的相干叠加态是由一系列的正交模式分别乘以复系数后将这一系列二维光场函数相加得到；图中每个模式存在一个复系数am,n，它包含了该模式的强度系数和该模式整体的相位系数；而对单一模式的模式检测，是对am,n的强度系数进行复原。而且am,n遵循即模式谱的归一化。
图2中所示的所有可见的光束场强度分布为对相干叠加态或单一模式取模值平方获得的光场函数最终可以在成像CCD8上成像得出的能量分布，并且这些强度分布已经使用了半径为r的区域算出的总强度能量实现了归一化，也就是当所有am,n均为1时所有这些模式的总能量数值在r为半径的区域内相等。
接下来与单一模式标定过程同理，此时使用叠加态模式入射到每个模式转换为高斯光束的光栅上，再使用同样的r为半径的像素区域总能量值Im,n来表征高斯光斑的强度；该高斯光斑强度的表征值通过代入对应模式的线性关系直线中，即可获得相干叠加态中一系列模式在其对应模式标定的直线中的具体强度数值cm,n
cm,n＝km,nIm,n+bm,n
由于不同模式间存在严格的正交关系，同一个光栅仅仅对一个模式存在转换为高斯光束的能力，这也就保证了入射的目标模式与衍射的+1阶高斯光束存在某种线性关系。
最后，需要对获得的数据进行分析，以获得具体模式谱序列。前述内容中计算出了一组cm,n，它与叠加态模式系数am,n关系为
am,n是每个组成相干叠加态的模式能量归一化的系数，a2 m,n是所求得的模式谱序列，cm,n本身是未经归一化的模式谱，即在经过对计算出的cm,n归一化后即可得到本仪器所要测量出的模式谱。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (4)
1.一种基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪，其组成包括：激光器(1)、透镜组(2)、反射镜组(3)、缩束镜组(4)、数字微镜装置(5)、小孔光阑(6)、光能量衰减器(7)、成像CCD(8)；其特征在于：实现对相干或非相干叠加态激光横模模式在拉盖尔高斯模式、厄米高斯模式维度获得对应模式谱；通过将叠加模式态入射在数字微镜装置(5)上加载设计好的光栅，在无穷远场的+1衍射级次获得高斯光斑强度，获得模式谱；加载在数字微镜装置(5)上的光栅函数的傅里叶级数展开为：
该公式为标准的二维光栅信号的傅里叶级数；其中m为衍射级次，T为光栅周期，φg(x,y)为光栅调制函数中对相位的调制部分，本设计主要分析当m＝+1时的情况，即光栅对+1衍射级次光束的强度与相位调制函数：
要实现将入射模式转换为高斯模式，需要对应入射模式设计光栅调制函数；HGm,n转换为基模高斯模式，需要将强度函数设计为Eg(x,y)＝1/|HGm,n|，将相位函数设计为φg(x,y)＝arg(HGm,n)；即可实现对于任意模式的厄米高斯模式转换为高斯基模的变换；而其它类型的模式需类比本方法设计对应的转换光栅。
2.根据权利要求1所述一种基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪，其特征在于：将待测激光束入射该分析仪，通过电脑在数字微镜装置(5)上多次加载不同二维衍射光栅，然后通过软件测量成像CCD(8)上获得光强分布改变情况，实现对入射激光横模模式的扫描分析，并最终获得激光横模模式谱组成即强度和相对相位分布。
3.根据权利要求1所述一种基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪，其特征还在于：从相干或非相干叠加态模式中获得目标光束的含量，利用模式间的相互正交性，通过光栅衍射方式，将其一一分离开进行读取；该激光横模模式谱分析仪对应模式谱分析种类包含厄米-高斯光束，拉盖尔-高斯光束以及其它横模模式及其非相干叠加状态均可以通过该分析仪测量获得相应横模模式谱。
4.根据权利要求1所述一种基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪，其特征还在于：在经过理论计算后产生的光栅是一种近似于相位光栅的振幅-相位混合光栅，当增加光栅函数的分布范围时，即光栅变为相位光栅，除衍射光能量增加外，光束变换的结果仍然具有鲁棒性。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311399313.4A CN117419897A (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311399313.4A CN117419897A (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117419897A true CN117419897A (zh) | 2024-01-19 |
Family
ID=89529804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311399313.4A Pending CN117419897A (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117419897A (zh) |
-
2023
- 2023-10-26 CN CN202311399313.4A patent/CN117419897A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9316536B2 (en) | Spatial frequency reproducing apparatus and optical distance measuring apparatus | |
| JP2010507125A (ja) | 内部円錐回折に基づく光学装置 | |
| US20060082882A1 (en) | Achromatic imaging lens with extended depth of focus | |
| US6016196A (en) | Multiple beam pair optical imaging | |
| Voskresenskii et al. | Electrooptical arrays | |
| US6421163B1 (en) | Two dimensional transform generator | |
| Kelly et al. | Quantifying the 2.5 D imaging performance of digital holographic systems | |
| EP1913665B1 (fr) | Source laser a recombinaison coherente de faisceaux | |
| CN117977356B (zh) | 用于提高大孔径激光器光束质量的装置和方法 | |
| CN117419897A (zh) | 基于二维可编程振幅型衍射光栅的激光横模模式谱分析仪 | |
| WO2021191717A1 (en) | Single-shot astigmatic phase retrieval laser wavefront sensor and method | |
| CN107356194B (zh) | 基于二维周期光栅和点衍射的四视场数字全息检测装置与方法 | |
| CN111207910B (zh) | 基于色散条纹斜率分析的拼接镜共位相误差校正方法 | |
| RU2179336C1 (ru) | Способ формирования оптического изображения в некогерентном свете и устройство для его осуществления (варианты) | |
| Loosen et al. | A holography-based modal wavefront sensor for the precise positioning of a light emitter using a high-resolution computer-generated hologram | |
| US6061135A (en) | Efficient spatial image separator | |
| JPS60181877A (ja) | 光学的相関器 | |
| CN112947023B (zh) | 一种光学扫描全息三维物体实时识别系统及方法 | |
| CN114265082B (zh) | 一种基于直接探测器的频域稀疏采样激光成像方法和系统 | |
| JP6073080B2 (ja) | 電磁波計測システム | |
| CN118348681B (zh) | 一种像差校正方法 | |
| CN114323280B (zh) | 一种基于曲率传感的光谱分析装置及其方法 | |
| CN117387754A (zh) | 一种基于倾斜角度调制的低像素采样哈特曼波前传感器方法 | |
| CN118210213A (zh) | 基于振幅调制的无偏共轴全息成像系统及方法 | |
| Poleshchuk et al. | Aperture apodization on regular gratings with variable transmission in the zero diffraction order |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |