CN203163700U - 一种测量部分相干高斯光束波前相位半径的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测量部分相干高斯光束波前相位半径的装置，其特征在于：它包括部分相干高斯光束波前相位产生装置、光束的横向束腰宽度测量装置和光束的横向相干宽度测量装置；所述的部分相干高斯光束波前相位产生装置包括：沿光路方向依次设置的激光器、线偏器、反射镜、薄透镜、聚焦面、准直透镜、高斯振幅滤波片和聚焦透镜；所述的横向束腰宽度测量装置为光束分析仪；所述的横向相干宽度测量装置，光束待测面后依次放置成像透镜、分束镜和关联器系统，待测面放置在成像透镜前2f处；光束分析仪和关联器系统的输出端与计算机连接。本实用新型可测量部分相干光束的波前曲率半径。

Description

一种测量部分相干高斯光束波前相位半径的装置

技术领域

本实用新型涉及一种测量部分相干高斯光束波前相位半径的装置，将线偏振激光束用毛玻璃片调控相干性、用高斯振幅滤波片滤波，用光束分析仪测量光场分布以及用关联器系统测量光场相干宽度，得到波前相位半径。 

背景技术

近年来，部分相干光束由于其在惯性约束核聚变、光学成像、光学工程、材料热处理、非线性光学、光散射、光通讯、远距离遥感、激光雷达、激光扫描以及激光捕获等领域拥有广泛应用前景，引起了很大的关注。高斯谢尔模光束[E. Wolf and E. Collett, “Partially coherent sources which produce same far-field intensity distribution as a laser,” Opt. Commun. 25, 293-296 (1978)]作为典型的部分相干光束，它的光场分布和光场相干度均为高斯分布。传统一般用Wigner分布函数处理高斯谢尔模光束的传输问题；林和蔡[Q. Lin and Y. Cai, “Tensor ABCD law for partially coherent twisted anisotropic Gaussian-Schell model beams,” Opt. Lett. 27, 216-218 (2002)]提出用张量方法来处理高斯谢尔模光束的旁轴传输问题。 

部分相干光束的二阶关联特性可用交叉谱密度函数表征。对于各向同性、没有扭曲相位的部分相干高斯谢尔模光束，交叉谱密度可用可由光束束腰宽、横向相干宽度和波前曲率半径三个参数决定。部分相干高斯谢尔模光束在自由光通讯、生物医疗、激光谐振腔、正负折射率介质、非线性介质、激光惯性约束核聚变、复杂光学系统等领域得到了广泛应用。研究发现部分相干高斯谢尔模光束相干度和光谱会随传输介质的特性不同发生变化，在自由光通讯，医疗以及信息传输处理等方面有潜在应用价值。 

实验测量部分相干光束的束腰宽和相干宽度都有报道，但作为部分相干高斯谢尔模光束的另外一个重要的光束参量波前相位半径，其测量方法及装置却一直未见报道，目前用的比较多的一种方法是哈特曼波前传感器(SHWS)测量，但这种方法依赖于复杂、昂贵的测量器材，测量费用高。 

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种测量条件简单，结果可靠，成本低廉的部分相干高斯光束波前相位半径的测量装置。 

实现本实用新型目的的技术方案是提供一种测量部分相干高斯光束波前相位半径的装置，它包括部分相干高斯光束波前相位产生装置、光束的横向束腰宽度测量装置和光束的横向相干宽度测量装置； 

所述的部分相干高斯光束球面波前相位产生装置包括：沿光路方向依次设置的激光器、线偏器、反射镜、薄透镜、聚焦面、准直透镜、高斯振幅滤波片和聚焦透镜；

激光器产生一束随机偏振光束，经线偏器得到一束线偏振激光束，再依次经过反射镜和薄透镜后聚焦到聚焦面上，产生一束具有高斯统计关联的部分相干线性偏振光束；将所述的部分相干线性偏振光束经准直透镜和高斯振幅滤波片后，得到一束准直具有高斯关联的部分相干高斯光束，再经聚焦透镜聚集后，得到具有波前相位的部分相干高斯光束；

所述的横向束腰宽度测量装置为光束分析仪；对待测光束的光场进行测量，将测量结果进行高斯拟合，得到光束的横向束腰宽度；

所述的横向相干宽度测量装置，光束待测面后依次放置成像透镜、分束镜和关联器系统，待测面放置在成像透镜前2f处；关联器系统将经分束镜分束后得到的两路关联值进行高斯拟合，得到光束的横向相干宽度；

光束分析仪和关联器系统的输出端与计算机连接。

所述的聚焦面为毛玻璃片、散射体元件或电光晶体元件中的一种。 

按本实施例技术方案提供的测量部分相干高斯光束波前相位半径的装置，待测的部分相干高斯光束具有高斯关联特性,其测量方法包括如下步骤：对待测的部分相干高斯光束经薄透镜聚焦后产生球面波前相位，采用关联器系统测量得到光束的初始横向相干宽度 

，采用光束分析仪分别测量得到光束的初始横向束腰宽度

和出射面上的横向束腰宽度

，按式 

得到光束的波前曲率半径R；

其中， k为波数，A、B、C和D为象散光学系统传输矩阵； R ₀ 为初始波前曲率半径，按式

 得到， 其中，

。

本实用新型采用关联器系统测量光束的横向相干宽度，在光束待测面后依次放置成像透镜、分束镜和关联器系统，采用2f成像方法进行关联探测，将两路的关联值进行高斯拟合，得到光束的横向相干宽度，f为成像透镜的焦距。 

所述的激光器经过线偏振器产生线偏振激光束。 

所述的聚焦面为毛玻璃片、散射体元件或电光晶体元件中的一种。 

本实用新型提供的一种部分相干高斯光束波前相位半径测量方法的原理为： 

激光器产生一束随机偏振光束，经过线偏器产生一束线偏振激光束，再经过一个反射镜和一个准直透镜后聚焦到毛玻璃片、散射体元件或电光晶体元件上，产生一束具有高斯统计关联的部分相干线性偏振光束；其关联可表示为下面式（1）的形式：

式中，

为光场位置矢量，

为光束横向相干宽度。

产生的部分相干光束经过一个薄透镜和高斯振幅滤波片后，得到一束准直具有高斯关联特性的部分相干高斯光束，此光束的波前曲率半径近似为无穷大。此时光束可用下面式（2）表征： 

式中，

为光束横向束腰宽度。

产生的部分相干高斯光束再经过另一个聚焦透镜8聚焦，聚焦后的部分相干高斯光束具有球面波前相位，球面波前相位半径即为本专利要测量的对象，光场交叉谱密度函数可以表示为下面式（3）的形式： 

本实施例取高斯振幅滤波片离聚焦透镜的距离

厘米，聚焦后的待测面离薄透镜距离为l(不用知道)。式(3)可以表示为下面式(4)的张量形式：

式中，

，是入射面光场坐标矢量；

是波数，

为波长；

为

阶部分相干复曲率张量矩阵为式(5)：

式中I 为 

阶单位矩阵。

经过象散ABCD光学系统传输后，部分相干高斯谢尔模光束的交叉谱密度函数可以表示为下面式(6)形式： 

式中Det表示矩阵行列式的值；

，

分别为出射面上的任意坐标矢量。

为出射面上的部分相干复曲率张量，有下面的张量ABCD公式（7）：

式中和

有下面式（8）的形式：

和

为象散光学系统传输矩阵。

在出射面上的部分相干复曲率张量矩阵还可以表示为下面式（9）的形式： 

式中

, 

, 

分别表示出射面上的横向束腰宽度，横向相干宽度以及曲率半径。由式(7)可以得到：

结合式(5),(7)和( 9)，分别可以得到下面式（11）、（12）和（13）的关系式：

式中：

结合式(11)～(14)，可以得到初始光束的波前曲率半径表示为式（15）：

从上式中，可以得到：选取一个初始面和一个出射面；初始高斯光束的波前相位半径可以通过测量出射面上的横向束腰宽度，初始面上的横向束腰宽度以及横向相干宽度得到。式(15)为两个值，哪一个是对的呢？可以由下面方式来检验：假如测量出了,  和 

，代入式(15)，可以得到两个波前曲率值；再将得到的

, 

和两个

值代入式(11),便可以得到两个出射面上的横向相干宽度值，其中一个与测量值相同或相近的便为有效值，此时对应的波前曲率半径值

即为有效值。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：通过薄透镜聚焦到旋转毛玻璃片上的光斑大小，可以调控产生部分相干光束的相干性，光束的光斑大小可以通过高斯振幅滤波片来控制；本方法不需要使用价格昂贵的哈特曼波前探测传感器，便可得到部分相干光束的波前曲率半径，测量条件简单，结果可靠，而且成本低。部分相干高斯光束特别是在作为典型的部分相干光束，在自由光通讯、生物医疗、非线性介质、激光惯性约束核聚变等领域拥有广泛的应用前景。 

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种部分相干高斯光束束腰宽度测量装置的结构示意图； 

图2是本实用新型实施例提供的一种部分相干高斯光束相干宽度测量装置的结构示意图；

图3是采用本实用新型实施例提供的一种部分相干高斯光束束腰宽度测量装置，测得的初始光束光场分布；

图4是采用本实用新型实施例提供的一种部分相干高斯光束束腰宽度测量装置，测得的束腰高斯拟合图；

图5是采用本实用新型实施例提供的一种部分相干高斯光束相干宽度测量装置，测得初始光束横向相干宽度拟合图；

图6是采用本实用新型实施例提供的一种部分相干高斯光束束腰宽度测量装置，测得光束在传输

厘米时的光场分布图；

图7至图10是采用本实用新型实施例提供的一种部分相干高斯光束束腰宽度测量装置，测得光束在传输

毫米、毫米、

毫米、

毫米处的光场分布图；

图中：1、激光器；2、线偏器；3、反射镜；4、薄透镜；5、聚焦面（毛玻璃片）；6、准直透镜；7、高斯振幅滤波片；8、聚焦透镜；9、光束分析仪；10、计算机；11、成像透镜；12、分束镜；13、关联器系统。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型技术方案作进一步描述。 

实施例1 

参见附图1，它是本实施例提供的一种部分相干高斯光束束腰宽度测量装置的结构示意图；激光器1产生一束随机偏振光束，经过线偏器2产生一束线偏振激光束，再经过一个反射镜3和薄透镜4后聚焦到毛玻璃片5上，产生具有高斯统计关联的部分相干线性偏振光束；产生的部分相干光束经过准直透镜6和高斯振幅滤波片7后，得到一束准直的部分相干高斯光束，此光束的波前曲率半径近似为无穷大。产生的部分相干高斯谢尔模光束经过一个焦距为25厘米的聚焦透镜8聚焦，聚集后的部分相干高斯光束具有球面波前相位，球面波前相位的半径即为本专利要测量的参量。所述高斯振幅滤波片离聚焦透镜8距离为f，聚焦后的待测面离聚焦透镜8为l。用光束分析仪9连接计算机10在光路的不同点对产生的部分相干高斯光束光场进行测量，将测量结果进行高斯拟合，可得到光束横向的束腰宽度。

参见附图2，它是本实施例提供的一种部分相干高斯光束横向相干宽度测量装置的结构示意图；激光器1产生一束随机偏振光束，经过线偏器2产生一束线偏振激光束，再经过一个反射镜3和薄透镜4后聚焦到毛玻璃片5上，产生具有高斯统计关联的部分相干线性偏振光束；产生的部分相干光束经过准直透镜6和高斯振幅滤波片7后，得到一束准直具有高斯关联的部分相干高斯光束，此光束的波前相位半径近似为无穷大。产生的部分相干高斯光束经过一个焦距为25厘米的聚焦透镜8聚焦，聚焦后的部分相干高斯光束具有球面波前相位，球面波前相位的半径即为本实用新型需要测量的参量。所述高斯振幅滤波片离聚焦透镜8距离为f，聚集后的待测面离聚焦透镜8为l(不用知道)。最后用成像透镜11构成2f成像光路，光束经分束镜12等强度1：1分束后得到两个成像面，分别在两个成像面上放置关联器系统13的探测头D₁和D₂，关联器系统连接计算机10，两条光路信号经过关联系统符合计算，得到两路光的关联值，对关联值进行高斯拟合，便可以得到成像面的相干宽度。 

具体测量方法为：成像透镜11将待测面成像到透镜另一侧2f虚线面处，在成像透镜后放置分束镜12将光束分成1:1等强度的两束光，再将关联器系统的两个探测头D₁和D₂在放置再分束镜后的虚线面处（虚线面离成像透镜11距离均为2f）。测量相干宽度的时候，将探测头D₁固定在光束的中心处，另一探测头D₂沿着光束x方向水平移动，关联器将两路信号做符合计算，得到两路光的关联值，将关联值进行高斯拟合，便可以得到光束的横向相干宽度。 

参见附图3，它是采用本实施例提供的一种部分相干高斯光束束腰宽度测量装置，测得初始光束光场分布，图4是束腰高斯拟合图；从图中可以看出实验结果很好的符合高斯拟合，得到初始光束束腰宽度为毫米； 

参见图5，它是采用本实施例提供的一种部分相干高斯光束相干宽度测量装置，测得初始光束横向相干宽度拟合图；从图中可以看出实验结果很好的符合高斯拟合，得到初始光束相干宽度为毫米。

参见图6，它是采用本实施例提供的一种部分相干高斯光束束腰宽度测量装置，测得光束在传输

厘米时的光场分布图；从图中可以看出实验结果很好的符合高斯拟合，得到光束束腰宽度为毫米。 

将得到的初始横向束腰宽度毫米，初始横向相干宽度毫米，出射面

厘米处的横向束腰宽度

毫米以及光学系统的传输矩阵，代入理论公式(15) ： 

结合式(11) ：

计算后可得到初始光束的波前曲率半径

厘米。

按式(13) 

得到光束的波前曲率半径R。

为检验测量结果的准确性，可以选取不同的传输距离测量束腰宽度，多次计算就平均值的办法来检验测量值的准确性。采用本实施例提供的一种部分相干高斯光束束腰宽度测量装置，分别测得光束在传输

厘米、

厘米、

厘米、

厘米处的光场分布图，其结果参见附图7至附图10所示，利用高斯拟合，分别得到相应的束腰宽度毫米、

毫米、毫米和

毫米。同样，根据公式(15)计算得到相位半径分别为：厘米，

厘米，

厘米，

厘米。计算得到相位半径平均值

厘米。用下面误差值表达式式（16）计算误差： 

得到误差值

。从误差值可以看出，本实用新型根据理论设计的测量方法是完全可行的，具有可靠性。

Claims (2)

1.一种测量部分相干高斯光束波前相位半径的装置，其特征在于：它包括部分相干高斯光束波前相位产生装置、光束的横向束腰宽度测量装置和光束的横向相干宽度测量装置；

所述的部分相干高斯光束波前相位产生装置包括：沿光路方向依次设置的激光器（1）、线偏器（2）、反射镜（3）、薄透镜（4）、聚焦面（5）、准直透镜（6）、高斯振幅滤波片（7）和聚焦透镜（8）；

所述的横向束腰宽度测量装置为光束分析仪（9）；

所述的横向相干宽度测量装置，光束待测面后依次放置成像透镜（11）、分束镜（12）和关联器系统（13），待测面放置在成像透镜（11）前2f处；

光束分析仪（9）和关联器系统（13）的输出端与计算机（10）连接。

2.根据权利要求1所述的测量部分相干高斯光束波前相位半径的装置，其特征在于：所述的聚焦面（5）为毛玻璃片、散射体元件或电光晶体元件中的一种。

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