CN203084309U - 产生拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种产生拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束的系统，该系统沿着光线方向依次放置扩束器、空间光调制器、缩束镜、毛玻璃片、透镜和高斯滤波片。计算全息图加载到空间光调制器上形成计算全息光栅，产生仅有角向模数的拉盖尔-高斯光束；缩束镜用来控制入射到旋转毛玻璃片上的拉盖尔-高斯光束光斑大小，以调整出射光束的相干性；毛玻璃是使拉盖尔-高斯光束变为拉盖尔-高斯关联的部分相干光束。透镜对部分相干光束准直，高斯滤波片把该光束光强分布转变成高斯分布。由于计算机全息图的灵活性，可以通过产生不同的全息图来产生不同阶数仅有角向模数的拉盖尔-高斯光束，从而产生不同阶数的拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束。

Description

产生拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束的系统

技术领域

本实用新型涉及一种用计算全息、旋转毛玻璃产生部分相干的技术产生拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束的系统。

背景技术

自1960年美国物理学家西奥多·梅曼实用新型激光以来，激光以其高强度、高单色性、高相干性等优点，在激光通讯、激光测距、航空测绘等各个领域内得到广泛的应用。

在实际的应用中，发现相干性高的或者说是完全相干激光在某些应用方面存在一定的局限性，例如一束高相干性激光随机介质中传输时，受到介质的影响非常强，使光束在传输很短的距离就发生畸变，光强闪烁和漂移很大，光束质量迅速下降，这就要求在实际应用中，选择具有适当的相干性激光束更加有助于解决实际问题。部分相干光的研究可以追述到19世纪60年代，当时还没有激光，主要研究的是有限光源的相干性，在光场中不同两点P₁和P₂处振动之间存在的关联引进某种量度，当两点关联很高时，就说是相干的，当两点没有关联时，就说是不相干的，处于两者之间的是部分相干的。

目前，研究最广泛的部分相干光束的模型是Schell在其博士论文中用高斯关联来描述的部分相干光，也就是高斯-谢尔模光束，科学家们在实验室里可以产生高斯-谢尔模光束，随后具有不同关联形式的部分相干激光在理论上相继提出，如第一类贝塞尔关联光源，第二类贝塞尔关联光源，非均匀高斯-谢尔光源，LED光源，多高斯-谢尔光源和拉盖尔-高斯关联或贝塞尔高斯关联光源，目前在实验上主要可以产生的是高斯-谢尔光源和第一类贝塞尔关联光源，其他关联的部分相干光还只是理论上的模型，实验产生的方法未有报道。

在综上所述的研究中，发现可以在实验上产生的具有一定关联的部分相干光很有限，通常就是高斯-谢尔光源和第一类贝塞尔关联光源，这也限制了在某些情况下的应用，高斯-谢尔光源在远场的光强分布是高斯型的，第一类贝塞尔关联光源在一定的局域处光强分布是空心的，最近的理论研究中发现，在适当的关联条件下，远场光强分布是平顶的，或者远场光强分布是空心的。远场光强分布是空心的光束在原子光学、二元光学、微粒捕获和医学等领域都具有重要的应用需求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种产生拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束的系统，该系统可以通过产生不同的全息图来产生不同阶数的拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束。

为了实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种产生拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束的系统，所述的系统包括光源以及沿光源的光线方向依次放置的扩束器、空间光调制器、缩束镜、可旋转的毛玻璃、透镜和高斯滤波片。

作为本实用新型的进一步改进，所述光源为氦氖激光器。

作为本实用新型的进一步改进，还包括连接于所述空间光调制器的计算机。

与现有技术相比，本实用新型沿着光源的光线方向依次放置光源扩束器、由计算机控制的空间光调制器、缩束镜、旋转毛玻璃片、透镜和高斯滤波片。将计算机生成的计算全息图加载到所述空间光调制器上形成计算全息光栅，从而产生仅有角向模数的拉盖尔-高斯光束。缩束镜调节拉盖尔-高斯光束的光斑大小，旋转毛玻璃是使拉盖尔-高斯光束变为拉盖尔-高斯关联的部分相干光束。紧接着由透镜对部分相干拉盖尔-高斯光束准直，由高斯滤波片对光束整型，使光束为高斯型光斑，产生拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束。由于计算机全息图的灵活性，所以可以通过产生不同的全息图来产生不同阶数仅有角向模数的拉盖尔-高斯光束，从而产生不同阶数的拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本实用新型具体实施例中系统的结构示意图；

图2是理论计算的一阶拉盖尔-高斯关联图；

图3是理论计算的高阶（四阶）拉盖尔-高斯关联图。

具体实施方式

本实用新型实施例是把计算全息光栅图加载到空间光调制器产生仅有角向模数的拉盖尔-高斯光束，然后用缩束镜调节拉盖尔-高斯光束的光斑大小，最后通过旋转毛玻璃片和高斯滤波片得到拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束。该方法不仅实验条件简单、而且容易操控，是一种比较好的方法。

沿着光源的光线方向依次放置光源扩束器、由计算机控制的空间光调制器、缩束镜、旋转毛玻璃片、透镜和高斯滤波片。将计算机生成的计算全息图加载到所述空间光调制器上形成计算全息光栅，从而产生仅有角向模数的拉盖尔-高斯光束。缩束镜调节拉盖尔-高斯光束光斑大小，旋转毛玻璃是使拉盖尔-高斯光束变为拉盖尔-高斯关联的部分相干光束。紧接着由透镜对拉盖尔-高斯关联的部分相干光束准直，由高斯滤波片对光束整型，使光束为高斯型光斑，产生拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束。

本实施例的技术方案是：

实验中所采用的是He-Ne激光束，可以认为是准单色光，相干性是很高的，经过空间光调制器和缩束器后，到达旋转毛玻璃面上(被毛玻璃散射前)的光强分布表示为：

$I\left(\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}\right)=I_0{\left(\frac{\sqrt{2}\mathrm{\ρ}}{w_0}\right)}^{2n}{\left|L^{\text{n}}\left(\frac{2{\mathrm{\ρ}}^2}{w_0^2}\right)\right|}^2\exp (-\frac{2{\mathrm{\ρ}}^2}{w_0^2})---\left(1\right),$

是在毛玻璃面上的位置矢量，w₀是跟这个面上光斑大小相关的一个量，I₀是跟总光强相关的一个量，这两个量都是正常数，在到达透镜和高斯滤波片面上时，传输距离为透镜的焦距f₁，根据Van Cittert-Zernike定理，在透镜面上的二阶关联函数：

$\mathrm{\Γ}(r_1,r_2)=\exp \left[(\mathrm{\πi}/\mathrm{\λ}{f}_1)({r_1}^2-{r_2}^2)\right]\∫I\left(\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}\right)\exp [-(2\mathrm{\πi}/\mathrm{\λ}{f}_1)\stackrel{\→}{\mathrm{\ρ}}\·(\stackrel{\→}{r_1}-\stackrel{\→}{r_2})]d^2\mathrm{\ρ}---\left(2\right)$

其中λ为光束的波长，积分范围包括毛玻璃面上的所有范围，把光强表达式

代入式中，通过积分化简，得到：

$\mathrm{\Γ}(r_1,r_2)=\frac{2{\mathrm{\π}}^3{w}_0^2{f_1}^2{I}_0}{k^2}\mathrm{\Γ}(n+1)\exp \left[(\mathrm{\πi}/\mathrm{\λ}{f}_1)({r_1}^2-{r_2}^2)\right]$

$\×\exp (-\frac{w_0^2}{2{\mathrm{\λ}}^2{f_1}^2}{|\stackrel{\→}{r_1}-\stackrel{\→}{r_2}|}^2)L_n^0\left(\frac{w_0^2}{2{\mathrm{\λ}}^2{f_1}^2}{|\stackrel{\→}{r_1}-\stackrel{\→}{r_2|}}^2\right)---\left(3\right)$

因为透镜和高斯滤波片紧贴在一起，则这个器件的透过率函数表达为：

1是高斯滤波片的横向宽度。根据这个透过率函数，最终从实验装置出来的光束的二阶关联函数为：

$\mathrm{\Γ}(r_1,r_2)=t\left(r_1\right)t^{*}\left(r_2\right)\mathrm{\Γ}(r_1,r_2)=\frac{2{\mathrm{\π}}^3{w}_0^2{z}^2{I}_0}{k^2}\mathrm{\Γ}(l+1)$

$\×\exp [-({r_1}^2+{r_2}^2)/2{{\mathrm{\σ}}_{f_1}}^2]$

$\×\exp (-\frac{w_0^2}{2{\mathrm{\λ}}^2{f_1}^2}{|\stackrel{\→}{r_1}-\stackrel{\→}{r_2}|}^2)L_l^0\left(\frac{w_0^2}{2{\mathrm{\λ}}^2{f_1}^2}{|\stackrel{\→}{r_1}-\stackrel{\→}{r_2|}}^2\right)---\left(4\right)$

对比拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束，很容易得到下列关系：

$I_1=\frac{2{\mathrm{\π}}^3{w}_0^2{f_1}^2{I}_0}{k^2}\mathrm{\Γ}(l+1),w_1={\mathrm{\σ}}_{f_1}/\sqrt{2},\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{\λ}{f}_1}{w_0}---\left(5\right)$

其中：w₁是目标光束光斑大小相关的一个量，I₁是目标光束总光强相关的一个量，σ是目标光束的横向相干长度，即产生出来的光束是拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束，其关联函数为。

$g(r_1,r_2,0)=\frac{T(r_1,r_2)}{\sqrt{T(r_1,r_1)T(r_2,r_2)}}$ $=L_n\left[\frac{{(r_1-r_2)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\right]\exp [-\frac{{(r_1-r_2)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}]---\left(6\right)$

由于计算机全息图的灵活性，所以可以通过产生不同的全息图来产生不同阶数仅有角向模数的拉盖尔-高斯光束，从而产生具有不同阶数的拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

各个光学器件的相对位置如图1所示。沿着产生的光源1的光线方向依次放置扩束器2、由计算机控制的空间光调制器3、缩束镜4、旋转毛玻璃5、透镜6和高斯滤波片7;高斯滤波片7紧贴透镜6后面。

光源1优选为氦氖激光器。然后再用扩束器2对出来的光束进行扩束。经过扩束后的光束垂直入射到透射式空间光调制器3。空间光调制器3是德国Holoeye生产的LC-2002型透射空间光调制器，分辨率是800×600，每个像素的尺寸是32微米×32微米。缩束镜调节光斑大小。透镜6的焦距为400毫米。高斯滤波片。总的来说产生拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束分三个部分。第一是产生仅有角向模数的拉盖尔高斯光束，第二是转化为拉盖尔-高斯关联的部分相干光束，第三是转换成拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束。

(1)产生仅有角向模数的拉盖尔-高斯光束

仅有角向模数的拉盖尔-高斯光束的产生有很多方法。本实施例采用计算全息的方法产生仅有角向模数的拉盖尔高斯光束。所谓的计算全息法就是用计算机产生全息图加载到一定的设备上，然后用一束参考光照到全息图上，从全息图出来的光束就是目标光束。通常情况下我们用空间光调制器来加载全息图。

(2)转化为拉盖尔-高斯关联的部分相干光束

由缩束镜4调节光斑大小后，入射到旋转毛玻璃片上，经过旋转毛玻璃片的散射，使完全相干拉盖尔高-斯光束转化为拉盖尔-高斯关联的部分相干光束。

(3)转换成拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束

拉盖尔-高斯关联的部分相干光束经过准直透镜6和高斯滤波片7后产生拉盖尔-高斯关联部分相干高斯光束。

参阅图2，本实用新型实施例得到的一阶拉盖尔高斯关联图（理论计算）。

参阅图3，本实用新型实施例得到的四阶拉盖尔高斯关联图（理论计算）。

综上所述，本实用新型提出了简单可行的产生拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束实验方案。利用计算全息、旋转毛玻璃产生部分相干光束和高斯滤波片的技术实现拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束的产生。通过本实用新型可以很方便灵活地产生不同阶数的拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束，有力地推动这种光束在其他方面的应用研究。整个技术方案简单且有广泛的实用性，具有重要的实验及实用价值。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种产生拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束的系统，其特征在于，所述的系统包括光源以及沿光源的光线方向依次放置的扩束器、空间光调制器、缩束镜、可旋转的毛玻璃、透镜和高斯滤波片。

2.根据权利要求1所述的产生拉盖尔-高斯关联的部分相干高斯光束的系统，其特征在于，所述光源为氦氖激光器。

3.根据权利要求1所述的产生拉盖尔-高斯关联部分相干高斯光束的系统，其特征在于，还包括连接于所述空间光调制器的计算机。

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