一种采用轴棱锥相位分布和方位角随机调制产生无衍射散斑的方法及其实现装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种采用轴棱锥相位分布和方位角随机调制产生无衍射散斑的方法及其实现装置，包括步骤如下：(1)生成包含轴棱锥相位分布和方位角随机调制的合成膜片相位分布；将合成膜片相位分布生成产生无衍射散斑的与合成膜片相位分布相对应的二元全息图；(2)将合成膜片相位分布或与合成膜片相位分布相对应的二元全息图作为输入信号，直接编码写入空间光调制器；(3)用准直激光束照射空间光调制器，得到无衍射散斑。本发明专利技术提高了产生无衍射散斑的灵活性和可行性，很大程度上简化了系统结构，提高了光能利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种采用轴棱锥相位分布和方位角随机调制产生无衍射散斑的方法及其实现装置
本专利技术涉及一种光波波前调制与光束变换整形技术，特别是一种采用轴棱锥相位分布和方位角随机调制产生无衍射散斑的方法，该无衍射散斑产生方法可在探测成像、信息加密、无损检测等领域中有广泛应用。
技术介绍
无衍射(Non-diffracting)指光场在自由空间中传播时，垂直于传播方向的强度分布始终保持不变的现象。1987年，Durnin首次提出“无衍射贝塞尔光束”，该光束是自由空间标量波动方程的特殊解，横截面光场分布具有第一类贝塞尔函数形式。此后，随着激光技术的发展及其应用领域的拓展，人们发现贝塞尔光束仅仅是无衍射光束中的一员，采用各种方法可以产生其他一系列的无衍射光束：如Mathieu光束、Parabolic光束、Airy光束等。由于在传播过程中具有无衍射和自愈特性、自弯曲和横向加速特性等，无衍射光束被广泛用于激光打孔、微粒操控、光互联和精密准直、自成像、带电粒子加速、非线性光学、等离子体通道等领域。尤其是无衍射贝塞尔光束作为最早提出的无衍射光束，得到广泛的研究及应用。目前，产生无衍射贝塞尔光束的方法有多种，在实验上采用诸如环缝法、利用计算机全息图、球差透镜、轴棱锥、空间光调制器、衍射元件及主动腔等各种方法实现无衍射光束的产生。随着对无衍射场的不断研究，在无衍射贝塞尔光束的基础上，1991年J.Turune等提出了“无衍射散斑”的概念，它是指在较长范围内散斑场强度分布不随距离变化而变化的散斑，同时具有无衍射贝塞尔光束的无衍射性质和散斑的统计性质，并在实验上用平行光照明显示在空间光调制器上的具有轴棱锥分布的全息图后，在傅里叶频谱面得到环状光束，经随机调制后得到无衍射散斑(J.Turunen,A.Vasara,andA.T.Friberg,“Propagationinvarianceandself-imaginginvariable-coherenceoptics,”J.Opt.Soc.Am.A8,282–289,1991)。许多文献中用平行光照明显示在空间光调制器上的被随机调制的具有环形分布的全息图后，再经过傅里叶变换透镜和空间滤波系统得到无衍射散斑([1]D.B.Phillips,R.He,Q.Chen,G.M.Gibson,andM.J.Padgett,“Non-diffractivecomputationalghostimaging,”Opt.Express24,14172.2016；[2]A.Dudley,R.Vasilyeu,V.Belyi,N.Khilo,P.Ropot,andA.Forbes,“Controllingtheevolutionofnondiffractingspecklebycomplexamplitudemodulationonaphase-onlyspatiallightmodulator,”Opt.Commun.285,5–12,2012)。这一类用全息图产生无衍射散斑的方法，主要是直接对环形分布的随机调制或对轴棱锥全息图傅里叶频谱得到的环形分布的随机调制，但是对全息图的精度和制作流程要求严格，产生无衍射散斑的装置结构相对复杂。UnoK等人在实验上直接用准直激光束照明环缝得到环形光束，经随机调制后得到无衍射散斑(UnoK,UozumiJ,AsakuraT.“Speckleclusteringindiffractionpatternsofrandomobjectsunderring-slitillumination”OpticsCommunications,114(3-4):203-210,1995)。这一类用环缝得到产生无衍射散斑的方法需要环缝的宽度极窄，光能利用率很低。J.Uozumi在实验上用平行光直接照明轴棱锥经过傅里叶透镜之后，在轴棱锥的频谱面得到环状光束，将一散射介质置于频谱面上对该环状光束进行随机调制后得到无衍射散斑(J.Uozumi,“Generationandpropertiesoflaserspecklewithlongcorrelationtails,”Proc.SPIE4705,4705–4705–12,2002)。这一类用轴棱锥经傅里叶变换得到环状光束产生无衍射散斑的方法对轴棱锥光学元件的光学加工工艺要求很高，产生的无衍射散斑的无衍射距离受限，而且对产生无衍射散斑的参数控制性不够灵活。S.G.Redd等在实验上使用完美涡旋光束(PerfectOpticalVortex)照明随机散射介质的方法得到无衍射散斑，其中完美涡旋光束为环形光束分布，但是由贝塞尔-高斯(Bessel-Gauss)光束产生完美涡旋光束的过程和实验结构复杂(S.G.Reddy,C.P,P.Vaity,A.Aadhi,S.Prabhakar,andR.P.Singh,“Non-diffractingspecklesofaperfectvortexbeam,”J.Opt.18,055602,2016)。目前，这些产生无衍射散斑场的方法与产生无衍射贝塞尔光束的方法类似，其不同之处在于产生无衍射散斑时需要对产生过程中的环形光束进行随机调制，虽然能有效产生无衍射散斑，但是存在的缺点也是显而易见，如：光能利用率低、参数控制性差、光路结构复杂等。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种采用轴棱锥相位分布和方位角随机调制产生无衍射散斑的方法，通过方便灵活地调整合成膜片相位分布参数从而产生所需要的无衍射散斑，简化了系统结构，提高了光能利用率，因而在探测成像、信息加密、无损检测等领域有重要的应用价值。本专利技术还提供了上述产生无衍射散斑的方法的实现装置，本专利技术利用计算机直接产生包含轴棱锥相位分布和方位角随机调制的合成膜片相位分布，合成膜片相位分布或与合成膜片相位分布相对应的二元全息图作为输入信号，直接编码写入空间光调制器或数字微镜(DMD)器件或能够实现同样功能的器件，用准直激光束照射空间光调制器或数字微镜(DMD)器件或能够实现同样功能的器件，即可直接或通过空间滤波系统得到无衍射散斑。术语解释：1、轴棱锥相位分布，是指极坐标下纯相位物体轴棱锥exp(-j2πρ/ρ0)的相位部分的变化函数f(ρ)＝ρ/ρ0的分布。2、方位角随机调制，是指极坐标下按方位角随机相位调制的纯相位物体exp[j2πrandom(φn)]的相位部分的变化函数g(φn)＝random(φn)的分布。本专利技术的技术方案为：一种采用轴棱锥相位分布和方位角随机调制产生无衍射散斑的方法，包括步骤如下：(1)生成包含轴棱锥相位分布和方位角随机调制的合成膜片相位分布；将合成膜片相位分布生成产生无衍射散斑的与合成膜片相位分布相对应的二元全息图；(2)将合成膜片相位分布或与合成膜片相位分布相对应的二元全息图作为输入信号，直接编码写入空间光调制器；(3)用准直激光束照射空间光调制器，得到无衍射散斑。根据本专利技术优选的，所述步骤(1)，生成包含轴棱锥相位分布和方位角随机调制的合成膜片相位分布的透过率函数T(ρ,φn)如式(Ⅰ)所示：式(Ⅰ)中，(ρ,φn)为极坐标，合成膜片相位分布的中心O为极点，所对应的二维空间坐标系x-O-y中的x轴正向，即射线Ox为极轴，ρ为极坐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用轴棱锥相位分布和方位角随机调制产生无衍射散斑的方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)生成包含轴棱锥相位分布和方位角随机调制的合成膜片相位分布；将合成膜片相位分布生成产生无衍射散斑的与合成膜片相位分布相对应的二元全息图；(2)将合成膜片相位分布或与合成膜片相位分布相对应的二元全息图作为输入信号，直接编码写入空间光调制器；(3)用准直激光束照射空间光调制器，得到无衍射散斑。

【技术特征摘要】
1.一种采用轴棱锥相位分布和方位角随机调制产生无衍射散斑的方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)生成包含轴棱锥相位分布和方位角随机调制的合成膜片相位分布；将合成膜片相位分布生成产生无衍射散斑的与合成膜片相位分布相对应的二元全息图；(2)将合成膜片相位分布或与合成膜片相位分布相对应的二元全息图作为输入信号，直接编码写入空间光调制器；(3)用准直激光束照射空间光调制器，得到无衍射散斑。2.根据权利要求1所述的一种采用轴棱锥相位分布和方位角随机调制产生无衍射散斑的方法，其特征在于，所述步骤(1)，生成包含轴棱锥相位分布和方位角随机调制的合成膜片相位分布的透过率函数T(ρ，φn)如式(I)所示：式(I)中，(ρ，φn)为极坐标，合成膜片相位分布的中心O为极点，所对应的二维空间坐标系x-O-y中的x轴正向，即射线Ox为极轴，ρ为极坐标系的极径，φn为极角，即合成膜片相位分布的方位角，ρ为极径与极轴Ox的夹角；按方位角随机调制的相位透过率函数A(φn)＝exp[j2πrandom(φn)]，实现基于方位角的0～2π的随机相位调制；φn＝n2π/N，n＝1，2，...，N，将0-2π区域等分为N等份，N为方位角等分参数，取正整数，random(φn)表示当离散方位角变量n从1到N变化时所对应的随机数分布，实现每一等份0～2π的随机相位调制；exp(-j2πρ/ρ0)实现轴棱锥相位的分布函数，ρ0为轴棱锥的梯度常数，ρ0＝qΔ，q为轴棱锥参数，取正整数，Δ为空间光调制器的每个像元大小，j指虚数单位；R为合成膜片相位分布的孔径大小，R＝MΔ/2，M为空间光调制器的窄边像元数目。3.根据权利要求1所述的一种采用轴棱锥相位分布和方位角随机调制产生无衍射散斑的方法，其特征在于，所述步骤(1)，利用准直激光束照明空间光调制器中显示的合成膜片相位分布或与合成膜片相位分布相对应的二元全息图，所得无衍射散斑场的复振幅分布如式(II)所示：式(II)中，E(x，y，z；t)为无衍射散斑场的复振幅分布，(x，y，z)为笛卡尔空间坐标系，t为时间，j为虚数单位，α为波矢在x-o-y面的投影，β为波矢沿z轴方向的投影，满足α2+β2＝k2，k＝2π/λ，λ为相干光源的波长，ω为光的角频率；δφ＝2π/N，为对方位角进行N等分时每一份的角度大小；当N→∞时，如式(II)与Dumin提出的自由空间标量波动方程的特解相同，即为无衍射散斑场。4.权利要求1-3任一所述的一种采用轴棱锥相位分布和方位角随机调制产生无衍射散斑的方法的实现装置，其特征在于，包括依次连接的相干光源、照明光路、空间光调制器、空间滤波系统、探测单元、系统控制与信号处理单元，所述系统控制与信号处理单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉荣，赵同磊，龙涛，焦健，孙宝清，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37