测量部分相干光空间关联结构的方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种测量部分相干光空间关联结构的方法及系统，所述方法包括：待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录光源传输至傅里叶平面处的光强；待测光源不引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录光源传输至傅里叶平面处的光强；将有扰动、无扰动两种情况下记录的光强，分别进行反傅里叶变换和筛选阵列的过滤，将过滤后的结果相减，并反传输至光源平面，即可得到光源平面的交叉谱密度函数，此时，根据关联结构函数、交叉谱密度函数和源场光强的关系，即可得到光源的关联结构。本发明专利技术本发明专利技术可以同时得到待测光源空间关联结构完整的实部和虚部信息。

Method and system for measuring spatial coherence structure of partially coherent light

The invention relates to a method for measuring the spatial correlation structure of light and partially coherent system, the method includes: a light source to be measured, after introducing a perturbation porous array structure output after Fourier transform, recording light intensity of light transmitted to the Fourier plane; the light source to be measured not in disturbance, through a porous structure after Fourier output array transform, recording light intensity of light transmitted to the Fourier plane; there will be no disturbance intensity disturbance, records of two cases, respectively, inverse Fourier transform and filter array filtering, the filtered results of subtraction, and transmission to a light plane can be obtained, the cross spectral density function, the light plane at the same time, according to the connection structure function, the cross spectral density function and the source of light, can be associated with the structure of light source. The invention can simultaneously obtain the real part and imaginary part information of the spatial correlation structure of the light source to be measured.

【技术实现步骤摘要】
测量部分相干光空间关联结构的方法及系统
本专利技术涉及一种测量部分相干光空间关联结构的方法及系统。
技术介绍
激光拥有高相干性的同时，也会引入一些噪声，而低相干性的激光束在很多方面却有着独特的优越性，例如在核聚变中用来克服散斑效应、在大气通讯中增加信噪比等等。最经典的部分相干激光束是高斯-谢尔模光束，其空间关联结构符合高斯分布，在F.Gori等人早期的研究基础上，人们又提出了大量具有特殊空间关联结构的部分相干激光束的模型，例如，拉盖尔-高斯关联部分相干激光束、厄米-高斯关联部分相干激光束等等。和传统的高斯-谢尔模部分相干激光束相比，具有特殊关联的部分相干激光束有着各自独特的特性，例如拉盖尔-高斯关联部分相干激光束经过聚焦后会在焦平面附近形成光学囚笼；厄米-高斯关联的部分相干激光束在传输过程中会发生自分裂等等。空间关联结构的测量研究可以追溯到1938年，泽尼克首次提出利用双孔干涉条纹的可见度定义两点的相干度(ZernikeF.Theconceptofdegreeofcoherenceanditsapplicationtoopticalproblems[J].Physica,1938,5(8):785-795.)，在其后的几十年里，众多研究者都投入到寻找更为方便快捷的方法中去，以获得特定光束更为完整的关联结构信息，到目前为止，获取方法大致分为三种，干涉法、衍射法及四阶关联法。(1)干涉法：从杨氏干涉演化而来，在光路中放置双孔、多孔、双缝等装置获得干涉图样，再从干涉图样中分析得到所需的信息。为了一次测量以获得更多点之间的相干度，人们设计了多孔板和无重复二维阵列孔，以及可以被广泛运用在实验中的数字微镜面阵列。对于多色光，可以运用非平行双缝或在杨氏双孔后添加消色差透镜和衍射透镜的组合。(2)衍射法：在光路中引入一个具有特定透射率函数的障碍物，通过两次光强的拍摄，分析提取得到相干度的函数。(3)四阶关联法：主要是运用归一化四阶关联函数和相干度绝对值之间的关系，经过逐点扫描，得到相干度的曲线。现有的测量光束空间关联结构的方法都有着各自的优点，但也仍然存在着一定的局限性，而这些局限性大致可以总结为以下几点：(1)实验过程复杂冗长，无法实现时效性；(2)实验后的处理过程复杂；(3)适用范围有限，例如只适用于单色光，或者无法同时获得关联结构的实部和虚部信息。因此，如何高效、实时、完整的获取光束空间关联结构的信息仍旧是一个重要的研究课题。上述的三类方法皆有各自的优势和不足，干涉法可以得到复相干度的实部和虚部，但是采样点有限，且采样越多，实验过程耗时越长；衍射法实验和处理过程简单，但是涉及零级近似，相干度越高误差越大；四阶关联的方法与干涉法有着类似的缺点，即实验耗时长，不具有实时测量的能力。鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种测量部分相干光空间关联结构的方法及系统，使其更具有产业上的利用价值。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种高效、快速测量部分相干光关联结构的测量部分相干光空间关联结构的方法及系统。为达到上述目的，本专利技术测量部分相干光空间关联结构的方法，包括：记录扰动光强：给待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录待测光源传输至傅里叶平面处的光强；记录非扰动光强：不给待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录待测光源传输至傅里叶平面处的光强；计算机将有扰动、无扰动两种情况下记录的光强，分别进行反傅里叶变换、筛选阵列的过滤，将过滤后的结果相减，并反传输至光源平面，得到光源平面的交叉谱密度函数，根据关联结构函数、交叉谱密度函数和源场光强的关系，得到待测光源的关联结构。进一步地，记录扰动光强时，在相位型空间光调制器上产生限定待测光源的关联结构呈现范围的取景框和在所述取景框内设置给待测光源的引入扰动的扰动结构；记录非扰动光强时，在相位型空间光调制器上产生限定待测光源的关联结构呈现范围的取景框；记录扰动光强、非扰动光强时，待测光源的传输路径相同，均为经相位型空间光调制器反射后输出至多孔阵列；其中，所述扰动结构的面积为取景框面积的0.05至0.15倍，取景框的相位赋值为π，取景框外的部分的相位赋值为0，扰动结构的相位赋值与取景框的相位赋值不同即可。进一步地，所述多孔阵列结构为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组成，所述参考孔的中心偏离二维周期阵列孔的中心设定距离，该设定距离介于a/2与d/2-a/2之间，其中a为矩形透光孔的边长尺寸，d为二维阵列孔的周期，二维阵列的周期d≤z*λ/L；待测光源垂直入射至所述的多孔阵列结构的入光面。进一步地，相位型空间光调制器到多孔阵列结构的距离z应满足z≥d*L/λ，其中d是二维阵列孔的周期间隔，L是取景框边界上间距最大的两点的距离大小，λ是输出待测光源的激光的波长。进一步地，在多孔阵列和光强记录装置之间设置有一傅里叶透镜，该傅里叶透镜实现待测光源的傅里叶变换；所述筛选阵列是由计算机在恢复关联结构的过程中产生的用于筛选数据的结构，所述筛选阵列由周期排列的二维阵列孔构成。进一步地，光束的关联函数通过以下公式计算：其中Γ0(r1,r0)指的是该光场的交叉谱密度，I(r1)指的是该处的光斑光强，I(r0)指的是r0处的光强值；计算关联函数的步骤分为三步：(1)拍摄源场光强I(r1,r1)I(r0,r0)指的是r0处的光强，因此，令r1＝r0，即可得到I(r0,r0)。(2)由傅里叶平面处的光强计算多孔阵列前的交叉谱密度Γ(ρmn,0)：多孔阵列结构的透射率函数表示为参考孔和二维阵列孔位置处的δ函数的叠加，即δ(ρ)+∑mnδ(ρ-ρmn)，若将傅里叶平面的光强反傅里叶变换可以得到穿过多孔阵列后的光场：F-1{I}＝Γ(0,0)δ(ρ)+∑mn∑ijΓ(ρmn,ρij)δ[ρ-(ρmn-ρij)]+∑ijΓ(0,ρij)*δ(ρ+ρij)+∑mnΓ(-ρmn,0)δ(ρ-ρmn)筛选阵列的透射率函数与多孔阵列中周期重复的部分相同，即∑mnδ(ρ-ρmn)，这个反傅里叶变换的结果经过筛选阵列的筛选并变换坐标便可以得到Γ(ρmn,0)。(3)两次拍摄与反传输处理，得到Γ0(r1,r0)：不添加和添加扰动两种情况下拍摄，光强反傅里叶变换和筛选后的结果分别为：Γ(ρmn,0)＝∫∫Γ0(r1,r2)h(r1,ρmn)h(r2,0)*dr1dr2Γ′(ρmn,0)＝∫∫Γ0(r1,r2)[1+Cδ(r1-r0)][1+Cδ(r2-r0)]*h(r1,ρmn)h(r2,0)*dr1dr2其中，h(r1,ρ1)是传输项，δ函数表示的是扰动项，两者结果相减可得：ΔΓ(ρmn,0)＝Ch(r0,ρmn)(C*Γ0(r0,r0)h(r0,0)*+C∫Γ0(r0,r2)h(r2,0)*dr2)+C*h(r0,0)*∫Γ0(r1,r0)h(r1,ρmn)dr1此时再进行反向传输，就可以得到Γ0(r1,r0)。为达到上述专利技术目的，本专利技术测量部分相干光空间关联结构的系统，包括：待测光源依次经过的光强扰动添加单元、多孔阵列结构、傅里叶变换单元、光强记录装置以及计算机；所述光强扰动添加单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量部分相干光空间关联结构的方法，其特征在于，包括：记录扰动光强：给待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录待测光源传输至傅里叶平面处的光强；记录非扰动光强：不给待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录待测光源传输至傅里叶平面处的光强；计算机将有扰动、无扰动两种情况下记录的光强，分别进行反傅里叶变换、筛选阵列的过滤，将过滤后的结果相减，并反传输至光源平面，得到光源平面的交叉谱密度函数，根据关联结构函数、交叉谱密度函数和源场光强的关系，得到待测光源的关联结构。

【技术特征摘要】
1.一种测量部分相干光空间关联结构的方法，其特征在于，包括：记录扰动光强：给待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录待测光源传输至傅里叶平面处的光强；记录非扰动光强：不给待测光源引入扰动、经过多孔阵列结构输出后进行傅里叶变换，记录待测光源传输至傅里叶平面处的光强；计算机将有扰动、无扰动两种情况下记录的光强，分别进行反傅里叶变换、筛选阵列的过滤，将过滤后的结果相减，并反传输至光源平面，得到光源平面的交叉谱密度函数，根据关联结构函数、交叉谱密度函数和源场光强的关系，得到待测光源的关联结构。2.根据权利要求1所述的测量部分相干光空间关联结构的方法，其特征在于，记录扰动光强时，在相位型空间光调制器上产生限定待测光源的关联结构呈现范围的取景框和在所述取景框内设置给待测光源的引入扰动的扰动结构；记录非扰动光强时，在相位型空间光调制器上产生限定待测光源的关联结构呈现范围的取景框；记录扰动光强、非扰动光强时，待测光源的传输路径相同，均为经相位型空间光调制器反射后输出至多孔阵列；其中，所述扰动结构的面积为取景框面积的0.05至0.15倍，取景框的相位赋值为π，取景框外的部分的相位赋值为0，扰动结构的相位赋值与取景框的相位赋值不同即可。3.根据权利要求1所述的测量部分相干光空间关联结构的方法，其特征在于，所述多孔阵列结构为一其上设有多个矩形透光孔且其余部分不透光的光学板，多个矩形透光孔为由多个周期排列的二维阵列孔和一个参考孔组成，所述参考孔的中心偏离二维周期阵列孔的中心设定距离，该设定距离介于a/2与d/2-a/2之间，其中a为矩形透光孔的边长尺寸，d为二维阵列孔的周期，二维阵列的周期d≤z*λ/L；待测光源垂直入射至所述的多孔阵列结构的入光面。4.根据权利要求3所述的测量部分相干光空间关联结构的方法，其特征在于，相位型空间光调制器到多孔阵列结构的距离z应满足λz≥d*L/λ，其中d是二维阵列孔的周期间隔，L是取景框边界上间距最大的两点的距离大小，λ是输出待测光源的激光的波长。5.根据权利要求1所述的测量部分相干光空间关联结构的方法，其特征在于，在多孔阵列和光强记录装置之间设置有一傅里叶透镜，该傅里叶透镜实现待测光源的傅里叶变换。6.根据权利要求1所述的测量部分相干光空间关联结构的方法，其特征在于，光束的关联函数通过以下公式计算：其中Γ0(r1,r0)指的是该光场的交叉谱密度，I(r1)指的是该处的光斑光强，I(r0)指的是r0处的光强值；计算关联函数的步骤分为三步：(1)拍摄源场光强I(r1,r1)I(r0,r0)指的是r0处的光强，因此，令r1＝r0，即可得到I(r0,r0)。(2)由傅里叶平面处的光强计算多孔阵列前的交叉谱密度Γ(ρmn,0)：多孔阵列结构的透射率函数表示为参考孔和二维阵列孔位置处的δ函数的叠加，即δ(ρ)+∑mnδ(ρ-ρmn)，若将傅里叶平面的光强反傅里叶变换可以得到穿过多孔阵列后的光场：F-1{I}＝Γ(0,0)δ(ρ)+∑mn∑ijΓ(ρmn,ρij)δ[ρ-(ρmn-ρij)]+∑ijΓ(0,ρij)*δ(ρ+ρij)+∑mnΓ(-ρmn,0)δ(ρ-ρmn)筛选阵列的透射率函数与多孔阵列中周期重复的部分相同，即∑mnδ(ρ-ρmn)，这个反傅里叶变换的结果经过筛选阵列的筛选并变换坐标便可以得到Γ(ρmn,0)。(3)两次拍摄与反传输处理，得到Γ0(r1,r0)：不添加和添加扰动两种情况下拍摄，光强反傅里叶变换和筛选后的结果分别为：Γ(ρmn,0)＝∫∫Γ0(r1,r2)h(r1,ρmn)h(r2,0)*dr1dr2Γ′(ρmn,0)＝∫∫...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵承良，曾军，卢兴园，朱新蕾，刘磊鑫，蔡阳健，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32