CN203930218U - 部分相干多模高斯光束的产生系统及测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种部分相干多模高斯光束的产生系统及测量装置，产生系统依次包括：激光器、第一线偏振片、第一偏振分光镜、衰减片、第一平面镜、第二平面镜、扩束镜、第二偏振分光镜、第二线偏振片、聚焦透镜、圆形光阑、旋转毛玻璃片、准直凸透镜和高斯滤波片，旋转毛玻璃片表面包括若干颗粒，颗粒大小遵从高斯统计分布。本实用新型获得的部分相干多模高斯光束在源平面都是高斯分布型，但是随着传输距离的增加光束形状会逐步演化，光强的分布形状会从高斯分布演化为平顶分布或者空心分布，对粒子的捕获、热处理等方面有着重要的作用。

Description

部分相干多模高斯光束的产生系统及测量装置

技术领域

本实用新型涉及应用光学技术领域，特别是涉及一种部分相干多模高斯光束的产生系统及测量装置。

背景技术

自激光出现，一直被人们利用与改进，极大地促进了社会的发展和进步。高相干性是激光四大基本特性之一，在很多领域人们一直利用这个特性，但是经过长期的实践应用研究表明，低相干性的光束在某些应用领域(比如：大气光通信、光学遥感等)比高相干光束更具优势。在自然界，完全相干光是不存在的，相干长度都是一个有限值，人们把相干长度介于零到无穷大之间的这一类光束就称为部分相干光束。部分相干光束的基本理论模型一般为高斯-谢尔模型，常用的光束源包括高斯谢尔模光源等。

近来，具有不同复相干度的部分相干光束引起了研究者们很大的兴趣，特点在于：对其关联函数进行调制，而非光源光强分布。其表现在于：其源场光强分布为高斯型，而远场光强分布由关联函数决定，由于关联特性的不同，出现具有诸如椭圆、空心等特殊形状光强。之前人们研究的光束是对源光强进行调制，那么在光束的传输的过程中，源平面以及近场光强分布是有调制函数来决定，但是随着传输距离的增加，光束逐渐退变成高斯型。具有不同复相干度的部分相干光束的关联特性决定其远场光强分布，所以许多人对具有不同复相干度的光束进行了相关的研究和报道，Gori等人讨论了标量部分相干光束和电磁随机光束关联函数应满足的基本条件；基于这些基本条件，最近人们提出了很多关于具有不同复相干度的部分相干光束：Lajunen等人介绍了一类具有非均匀关联分布的部分相干光束或部分相干脉冲，并表明这样的光束显示出一些特别的传输特性，比如说自聚焦和强度最大值的横向漂移；Mei等人介绍了具有不同谱相干度都能在远场产生环状光斑的部分相干光束；Wang等人研究了椭圆高斯谢尔模、拉盖尔高斯谢尔模和余弦-高斯关联的部分相干高斯光束等等。

因为具有不同复相干度的部分相干光束的关联特性决定其远场光强分布，由于关联特性的不同，从而具有诸如空心、平顶等特殊形状，这些特殊的关联和光强分布在微粒俘获、热处理、信息传输等领域具有广泛的应用。因此，对部分相干光束的研究，特别是具有不同复相干度的部分相干光束的实验研究具有重要的科学意义和实际价值。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种部分相干多模高斯光束的产生系统及其测量装置，部分相干多模高斯光束主要涉及到传输远场光强分布为空心分布或平顶分布，其产生的部分相干多模高斯光束在粒子捕获、热处理等发面有着广泛的应用前景。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供的技术方案如下：

一种部分相干多模高斯光束的产生系统，所述产生系统依次包括：激光器、第一线偏振片、第一偏振分光镜、衰减片、第一平面镜、第二平面镜、扩束镜、第二偏振分光镜、第二线偏振片、聚焦透镜、圆形光阑、旋转毛玻璃片、准直凸透镜和高斯滤波片，所述衰减片和第一平面镜位于第一偏振分光镜的透射光路上，所述第二平面镜和扩束镜位于第一偏振分光镜的反射光路上，所述旋转毛玻璃片表面包括若干颗粒，颗粒大小遵从高斯统计分布。

作为本实用新型的进一步改进，所述扩束镜的扩大系数为可连续性调节，且所述扩束镜不对光强分布进行改变。

相应地，一种部分相干多模高斯光束的测量装置，所述测量装置位于部分相干多模高斯光束的产生系统的光路上，所述测量系统包括：

分光镜，用于将产生系统产生的部分相干多模高斯光束进行分束，形成透射光路和反射光路，按照1:1分束；

位于透射光路上的第一凸透镜和光束分析仪，所述光束分析仪测量光束的传输光强，所述光束分析仪上连接有计算机，计算机对光束的传输光强分布进行分析；

位于反射光路上的第二凸透镜和CCD相机，CCD相机接收光强分布信息，所述CCD相机上连接有计算机，计算机对CCD相机所拍的光强分布图片进行叠加关联处理，得到光束源的关联分布信息。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一凸透镜与高斯滤波片的距离为第一凸透镜的焦距，即f₁；所述第二凸透镜与高斯滤波片和CCD相机之间的距离均为第二凸透镜焦距的两倍，即2f₂；所述第一凸透镜与光束分析仪之间的距离为0～f₁，对应着光束从源场传输到无穷远。

本实用新型部分相干多模高斯光束的产生系统及其测量装置具有以下有益效果：

产生系统和测量装置器件易购置、较廉价，并且这些器材对光强吸收比较小，所以对激光强度要求较小；

产生系统的结构和理论比较简单，对两束高斯光束进行合成，并经过后面的装置，可实现多模高斯光束，可通过对第二线偏振片调节，可在远场获得空心光束和平顶光束；

扩束镜与圆形光阑为连续可调式元器件，具有较好的适用性；

测量装置利用CCD对光强分布进行拍照，并利用计算机对所拍的照片进行叠加，可获得关联的二维图像，也可获得一维图像，其操作简单、易于调整。

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中记载的一些实施例，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为本实用新型一实施方式中一种部分相干多模高斯光束产生系统的结构示意图；

图2为本实用新型一实施方式中部分相干多模高斯光束(远场为空心分布)在光源平面上的光强等高分布图；

图3为本实用新型一实施方式中部分相干多模高斯光束(远场为空心分布)在光源平面上的关联函数模的等高分布图；

图4为本实用新型一实施方式中部分相干多模高斯光束(远场为平顶分布)在光源平面上的光强等高分布图；

图5为本实用新型一实施方式中部分相干多模高斯光束(远场为平顶分布)在光源平面上的关联函数模的等高分布图；

图6为本实用新型一实施方式中一种部分相干多模高斯光束的产生系统和测量装置的结构示意图；

图7为本实用新型一实施方式中部分相干多模高斯光束(远场为空心分布)经焦距为f1的透镜聚焦后，传输z＝0.71f1时的光强等高分布图；

图8为本实用新型一实施方式中部分相干多模高斯光束(远场为空心分布)经焦距为f1的透镜聚焦后，传输z＝f1(相当于传输到无穷远处)时的光强等高分布图；

图9为本实用新型一实施方式中部分相干多模高斯光束(远场为平顶分布)经焦距为f1的透镜聚焦后，传输z＝f1(相当于传输到无穷远处)时的光强等高分布图。

图10为本实用新型一实施方式中第二偏振分光镜出来的透射光束和反射光束电场的振动方向与第二线偏振片透射方向的分布示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

参图1所示，在本实用新型中，一种部分相干多模高斯光束的产生系统依次包括激光器1、第一线偏振片2、第一偏振分光镜3、衰减片4、第一平面镜5、第二平面镜6、扩束镜7、第二偏振分光镜8、第二线偏振片9、聚焦透镜10、圆形光阑11、旋转毛玻璃片12、准直凸透镜13和高斯滤波片14，其中，衰减片4和第一平面镜5位于第一偏振分光镜3的透射光路上，第二平面镜6和扩束镜7位于第一偏振分光镜3的反射光路上。旋转毛玻璃片12表面包括若干颗粒，颗粒大小遵从高斯统计分布。

对应地，该部分相干多模高斯光束的产生方法具体包括：

S1、激光器发出准直高斯光束，经由第一线偏振片后产生线偏振的高斯光束；

S2、线偏振的高斯光束，通过第一偏振分光镜后，产生两束偏振方向相互垂直且传输方向也相互垂直的透射光束和反射光束，透射光束通过衰减片，再通过第一平面镜反射到第二偏振分光镜上，反射光束通过第二平面镜反射，再经过扩束镜对光斑进行扩大，到达第二偏振分光镜上，两束偏振互相垂直的高斯光束通过第二偏振分光镜合成得到合成光束；

S3、合成光束通过第二线偏振片，经聚焦透镜汇聚并经过圆形光阑截取理想光束，打在旋转毛玻璃片上；

S4、通过旋转毛玻璃片后产生的部分相干光经过准直凸透镜准直，经过准直后输出的光束通过高斯滤波片的整型滤波，即可得到部分相干多模高斯光束。

在本实用新型的一具体实施方式中，由激光器1发出高斯分布型激光光束，激光器1为He-Ne气体激光器，波长为632.8nm；光束经过第一线偏振片2得到线偏振的高斯光束；线偏振的高斯光束经过第一偏振分光镜3分成两束偏振方向相互垂直和传输方向也相互垂直的透射光束和反射光束；透射光束经过衰减片4进行光强减小，再经第一平面镜5反射到第二偏振分光镜8；反射光束经第二平面镜6改变传输方向，并通过扩束镜7来获得光斑增大，最后同样到达第二偏振分光镜8；透射光束和反射光束经第二偏振分光镜8合成一束光束，通过旋转第二线偏振片9的偏振角度，可实现对两束高斯光束进行分解合成，可得到由两束高斯光束合成的空心光束和平顶光束，输出光束的电场表达式为：

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{total}}\left(\stackrel{\→}{V}\right)=E_x\cos \mathrm{\θ}+E_y\sin \mathrm{\θ}\\ =A\left\{\exp \right[-\frac{{\stackrel{\→}{V}}^2}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α}}^2}]\cos \mathrm{\θ}+\exp [-\frac{{\stackrel{\→}{V}}^2}{{\left(\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α}}\right)}^2}\left]\sin \mathrm{\θ}\right\}\end{array},$

其中E_x与E_y分别表示到达第二偏振分光镜8的两束透射光束与反射光束的电场，因为到达第二偏振分光镜的两束光束的偏振方向相互垂直，即E_x与E_y振动方向相互垂直，如图10所示，E_total的方向即第二线偏振片9的透射方向，θ即为从E_x转向E_total的方向，逆时针为正，顺时针为负，角度范围为-180＜θ≤180°；当θ＝-45°，那么从第二线偏振片9出来的光束为空心光束，当θ＝116.57°，那么从第二线偏振片9出来的光束为平顶光束；A是系数；是参考面上的坐标矢量；cos(.)、sin(.)分别代表余弦、正弦函数；exp(.)代表e指数函数；ω_α为透射光束的束腰半径，为反射光束的束腰半径。

出射光束经由聚焦透镜10并经圆形光阑11截取理想光束，打在旋转毛玻璃片12上，可通过调整聚焦透镜10与旋转毛玻璃片12之间的距离可以调节产生光束的相干长度的大小。旋转毛玻璃片表面颗粒大小遵从高斯统计分布；从旋转毛玻璃片12透射出来的光束，经准直凸透镜13准直后，由高斯滤波片对其进行光束整形，最后可得部分相干多模高斯光束。其中光路的传输函数可以写成：

$H(\stackrel{\→}{r},\stackrel{\→}{s})=-\frac{i}{\mathrm{\λf}}T\left(\stackrel{\→}{r}\right)\exp \left[\frac{\mathrm{i\π}}{\mathrm{\λf}}({\mathrm{\ξ}}^2-2\mathrm{x\ξ})\right]\exp \left[\frac{\mathrm{i\π}}{\mathrm{\λf}}({\mathrm{\η}}^2-2\mathrm{y\η})\right],$

其中，和分别代表入射光束和出射光束平面上的坐标矢量；λ为激光器输出光束波长，f为准直凸透镜的焦距，为高斯滤波片的透射函数，其中σ₀代表高斯滤波片的透射宽度。

最后从高斯滤波片出来的部分相干多模高斯光束，其关联函数可以分别写成：

参图3所示，从第二线偏振片9出来为空心光束，其关联函数为：

$J_0(r_2,r_1)=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2{\mathrm{\δ}}^2}\exp (-\frac{r_1^2+r_2^2}{4{\mathrm{\σ}}_0^2})[\exp (-\frac{{(\stackrel{\→}{r_2}-\stackrel{\→}{r_1})}^2}{2{\mathrm{\δ}}^2})-\frac{8}{3}\exp (-\frac{2{(\stackrel{\→}{r_2}-\stackrel{\→}{r_1})}^2}{3{\mathrm{\δ}}^2})+2\exp (-\frac{{(\stackrel{\→}{r_2}-\stackrel{\→}{r_1})}^2}{{\mathrm{\δ}}^2})],$

参图5所示，从第二线偏振片9出来为平顶光束，其关联函数为：

$J_0(\stackrel{\→}{r_1},\stackrel{\→}{r_2})=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\π}\right)}^2{\mathrm{\δ}}^2}\exp (-\frac{r_1^2+r_2^2}{4{\mathrm{\σ}}_0^2})[\exp (-\frac{{(\stackrel{\→}{r_2}-\stackrel{\→}{r_1})}^2}{2{\mathrm{\δ}}^2})-\frac{2}{3}\exp (-\frac{{(\stackrel{\→}{r_2}-\stackrel{\→}{r_1})}^2}{3{\mathrm{\δ}}^2})+\frac{1}{8}\exp (-\frac{{(\stackrel{\→}{r_2}-\stackrel{\→}{r_1})}^2}{4{\mathrm{\δ}}^2})]$

其中，及为所产生光束光源面上的任意两点，σ₀为高斯滤波片透射宽度，δ＝λf/πω₀代表光源处的空间相干长度。

产生部分相干多模高斯光束，其具体的操作步骤如下：

1、从激光器1发出高斯分布型激光光束，光束经过第一线偏振片2时，调节第一线偏振片2的偏振角，使出射光束成为线偏振的高斯光束；

2、产生的线偏振高斯光束经过第一偏振分光镜3后，将产生两束传输方向相互垂直个偏振方向相互垂直的透射光束和反射光束(偏振分光镜特点：线偏振光束透过偏振分光镜，可以产生两束偏振方向相互垂直的线偏振光束，分别为透射光束和反射光束，通过调节入射光束的传输方向，可实现透射光束和反射光束的方向互相垂直)，其中透射光束经过衰减片4进行光强的衰减(衰减片可对光强大小进行控制，具体作用下面会给出)，并经第一平面镜5反射达到第二偏振分光镜8；对于反射光束，先经第二平面镜6反射，再通过扩束镜7对其光斑进行一个放大，光斑的大小为透射光斑的2倍，同样到达第二偏振分光镜8，第二偏振分光镜8可将此两束光束合成一束光束。

对于到达第二偏振分光镜8的反射光束和透射光束的强度和大小要求为：

强度大小要一样，可以通过对衰减片4的调节，并利用光功率计来测量光强度的大小，来获得强度一样；

对于光斑尺寸要满足倍，通过扩束镜7来对反射光束进行扩束，可利用BPA(光束分析仪)来测量光束大小，可实现透射光束和反射光束的光斑尺寸满足的关系。

3、这样的合成光束经过第二线偏振片9(可将光束进行分解，沿着线偏振片透射的方向，光束可透射过去，垂直的话，无透射光束)，通过调节此线偏振片的偏振方向，可获得空心光束和平顶光束。

从第一偏振分光镜3出来的两束，可以用E_x和E_y来描述其电场，因为偏振方向是垂直的，即E_x和E_y的振动方向是垂直的，令线偏振9的透射方向与E_x的正方向构成了θ的夹角(θ即为从E_x正方向转向第二线偏振片9透射的方向，逆时针为正，顺时针为负，角度范围为-180＜θ≤180°)，如图10。又满足到达第二偏振分光镜8的两束光束强度大小一致，即电场强度一致，满足光斑的大小为的关系，那么可以将从第二线偏振片9出来光束电场写为E_total，其大小为：

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{total}}\left(\stackrel{\→}{V}\right)=E_x\cos \mathrm{\θ}+E_y\sin \mathrm{\θ}\\ =A\left\{\exp \right[-\frac{{\stackrel{\→}{V}}^2}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α}}^2}]\cos \mathrm{\θ}+\exp [-\frac{{\stackrel{\→}{V}}^2}{{\left(\sqrt{2}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α}}\right)}^2}\left]\sin \mathrm{\θ}\right\}\end{array}.$

E_total的方向即第二线偏振片9的透射方向；当θ＝-45°，那么从第二线偏振片9出来的光束为空心光束，当θ＝116.57°，那么从第二线偏振片9出来的光束为平顶光束；即只要转动第二线偏振片9，即可得到空心光束和平顶光束。

4、得到的目标光束经聚焦透镜10汇聚，并经圆形光阑11筛选，最后照射到旋转毛玻璃片12上，调整聚焦透镜10和旋转毛玻璃片12之间的距离，可以调节出射光束的相干长度的大小。

5、由旋转毛玻璃片12动态散射后的光束，产生了部分相干多模高斯光束，经由准直凸透镜13准直，并通过高斯滤波片14滤波整型，最后可产生部分相干多模高斯光束。

参图6所示，本实用新型还公开了一种部分相干多模高斯光束的光源处关联的测量以及传输过程中光强测量的装置，在实验上，由于空间的限制，无法传输到很远，所以用透镜对产生的部分相干多模高斯光束进行聚焦，可以认为在焦点处相当于传输到无穷远。该测量装置是建立在产生系统上的，对产生装置中产生的部分相干多模高斯光束进行测量。测量装置位于部分相干多模高斯光束的产生系统的光路上，具体包括：

分光镜15将产生装置产生的部分相干多模高斯光束进行分束，形成透射光路和反射光路，按照1:1分束；

位于透射光路上的第一凸透镜16和光束分析仪19，光束分析仪测量光束的传输光强，光束分析仪上连接有计算机20，计算机20对光束的传输光强分布进行分析；

位于反射光路上的第二凸透镜17和CCD相机18，CCD相机18接收光强分布信息，所述CCD相机18上连接有计算机20，计算机20对CCD相机18所拍的光强分布图片进行叠加关联处理，得到光束源的关联分布信息。

其中，第一凸透镜16与高斯滤波片13的距离为第一凸透镜16的焦距，即f₁；第二凸透镜17与高斯滤波片13和CCD相机18之间的距离都为第二凸透镜17焦距的两倍，即2f₂。第一凸透镜16与光束分析仪19之间的距离为0～f₁距离，对应着光束从源场传输到无穷远。

本实用新型以产生部分相干多模高斯光束中其传输远场为空心光束和平顶光束为例，参见附图2、图7、图8、以及图4、图9所示，给出多模高斯光束传输过程光强的变化，一个在远场形成空心光束，另外一个在远场形成平顶光束。参见附图3和图5，给出了对应的光源的关联函数分布图。这为粒子捕获、热处理、工业加工等领域提供了一种产生具有重要实用价值的部分相干多模高斯光束。

由此可见，部分相干多模高斯光束在源平面都是高斯分布型，但是随着传输距离的增加光束形状会逐步演化，光强的分布形状会从高斯分布演化为平顶分布或者空心分布。这对粒子的捕获、热处理等方面有着重要的作用。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：

产生系统和测量装置器件易购置、较廉价，并且这些器材对光强吸收比较小，所以对激光强度要求较小；

产生系统的结构和理论比较简单，对两束高斯光束进行合成，并经过后面的装置，可实现多模高斯光束，可通过对第二线偏振片调节，可在远场获得空心光束和平顶光束；

扩束镜与圆形光阑为连续可调式元器件，具有较好的适用性；

测量装置利用CCD对光强分布进行拍照，并利用计算机对所拍的照片进行叠加，可获得关联的二维图像，也可获得一维图像，其操作简单、易于调整。

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 (4)

1.一种部分相干多模高斯光束的产生系统，其特征在于，所述产生系统依次包括：激光器、第一线偏振片、第一偏振分光镜、衰减片、第一平面镜、第二平面镜、扩束镜、第二偏振分光镜、第二线偏振片、聚焦透镜、圆形光阑、旋转毛玻璃片、准直凸透镜和高斯滤波片，所述衰减片和第一平面镜位于第一偏振分光镜的透射光路上，所述第二平面镜和扩束镜位于第一偏振分光镜的反射光路上，所述旋转毛玻璃片表面包括若干颗粒，颗粒大小遵从高斯统计分布。

2.根据权利要求1所述的产生系统，其特征在于，所述扩束镜的扩大系数为可连续性调节，且所述扩束镜不对光强分布进行改变。

3.一种部分相干多模高斯光束的测量装置，所述测量装置位于权利要求1所述的部分相干多模高斯光束的产生系统的光路上，其特征在于，所述测量系统包括：

分光镜，用于将产生系统产生的部分相干多模高斯光束进行分束，形成透射光路和反射光路，按照1:1分束；

位于透射光路上的第一凸透镜和光束分析仪，所述光束分析仪测量光束的传输光强，所述光束分析仪上连接有计算机，计算机对光束的传输光强分布进行分析；

位于反射光路上的第二凸透镜和CCD相机，CCD相机接收光强分布信息，所述CCD相机上连接有计算机，计算机对CCD相机所拍的光强分布图片进行叠加关联处理，得到光束源的关联分布信息。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述第一凸透镜与高斯滤波片的距离为第一凸透镜的焦距，即f₁；所述第二凸透镜与高斯滤波片和CCD相机之间的距离均为第二凸透镜焦距的两倍，即2f₂；所述第一凸透镜与光束分析仪之间的距离为0～f₁，对应着光束从源场传输到无穷远。