一种人工微结构构建方法及包含该人工微结构的光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种人工微结构构建方法及包含该人工微结构的光学系统，该方法包括步骤：S10、根据待生成部分相干光的相干性确定其在对应人工微结构区域各元胞位置处的相位；S20、计算各元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度；S30、将具有不同的旋转角度的纳米元胞在对应的元胞位置处进行排布，构建用于实现光束相干性调控的人工微结构。通过将聚焦后的光束入射到构建的人工微结构表面，根据需求选取所述人工微结构的入射区域，即可获得相应相干度大小的部分相干光束。

An artificial microstructure construction method and optical system including the Artificial Microstructure

【技术实现步骤摘要】
一种人工微结构构建方法及包含该人工微结构的光学系统
本专利技术涉及相干光学
，特别涉及一种人工微结构构建方法及包含该人工微结构的光学系统。
技术介绍
相干光学作为现代光学的重要分支，吸引了国内外大量研究者的关注。相干性实际上表示涨落光场中两个点的某些量之间的相关的结果，这种相关可以用杨氏双缝干涉的条纹衬比度测定。相干性是光场的一个重要特性，对光场相干性调控的研究具有重要意义，研究发现光场相干性调控在自由空间光通讯、激光雷达、激光核聚变、特种光学成像、量子光学等众多领域中具有重要的应用价值。过去对光场相干度大小的调控主要利用旋转的毛玻璃产生部分相干光，通过调控毛玻璃与聚焦透镜之间的距离来调控光场相干性。但是现有的方法多是基于厘米量级的系统，不利于集成化和微型化设计。并且现有的方法不能在未测量的情况下已知产生光束的相干度，能量利用率低，对其进一步的应用存在限制。人工微结构是具有亚波长尺度结构单元的人造光学材料，人工微结构的提出为实现对光与物质相互作用的增强和有效控制提供了全新方式，为光学器件的小型化、轻质化和集成化提供了全新手段。目前，人工微结构已经能够在亚波长尺度下实现对光场振幅、相位和偏振态的有效控制，具有很高的应用价值，例如实现偏振光学防伪、消色差透镜、高饱和度结构色等等，而目前为止，人工微结构对于光场相干性这一维度的调控还少有涉及。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术目的之一在于提供一种能量利用率高，可以实现对光束精准调控的人工微结构。其采用如下技术方案：一种人工微结构构建方法，其包括以下步骤：S10、根据待生成部分相干光的相干性确定其在对应人工微结构区域各元胞位置处的相位；S20、计算各元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度；S30、将具有不同的旋转角度的纳米元胞在对应的元胞位置处进行排布，构建用于实现光束相干性调控的人工微结构。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S10，具体包括：根据部分相干光的产生条件可知，待生成部分相干光对应的随机相位的范围决定了其相干性的大小，其中，由特定相位分布的人工微结构产生的部分相干光的相干度为：其中，μ(r1,r2)为所述待生成部分相干光的相干度，为所述待生成部分相干光所对应的人工微结构区域各元胞位置处的相位分布，“<>”代表时间平均。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S10中人工微结构的相位分布公式为：其中，为所述待生成部分相干光在其不同元胞位置处的相位，a为调节人工微结构不同区域产生的部分相干光的相干性的大小参数，rand为随机函数，代表人工微结构各个元胞处对应的相位为固定区间内的随机相位。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S20，具体包括：根据相位关系公式和所述待生成部分相干光在各元胞位置处的相位分别计算各元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤S30中构建的人工微结构为纳米元胞排列组成的阵列结构。本专利技术的目的之二在于提供一种光学系统，该系统包含上述方法所构建的人工微结构，该系统还包括激光器、扩束镜、聚焦透镜、物镜、电荷耦合元件、位移机构、第二计算机，所述位移机构用于驱动所述人工微结构位移，所述第二计算机用于控制所述电荷耦合元件采集并记录产生的部分相干光束；所述激光器产生的光束经过所述扩束镜扩束，扩束后的激光束经所述聚焦透镜聚焦，接着入射到所述人工微结构表面并透射，然后经所述物镜将光束放大后由所述电荷耦合元件采集记录。作为本专利技术的进一步改进，所述位移机构包括第一计算机和电动位移台，所述电动位移台用于承载所述人工微结构，所述第一计算机用于控制所述电动位移台移动。作为本专利技术的进一步改进，所述第一计算机控制所述电动位移台以预定的频率沿人工微结构同一种相位分布的方向移动，使得对入射光束赋予的随机相位是随时间变化的，进而产生平滑均匀的部分相干光束。作为本专利技术的进一步改进，当构建的人工微结构是由多个多个圆环组成时，所述电动位移台驱动所述人工微结构沿圆环方向移动，进而产生平滑均匀的部分相干光束。本专利技术的有益效果：该人工微结构构建方法通过计算部分相干光束对应的相位分布，确定不同元胞位置处具有不同的旋转角度的纳米元胞，可以使不同的纳米元胞实现不同的光场相干性调控，可以实现定量地控制光束的相干性；对光束能量的利用率大大提高，产生的部分相干光束的光强增大；通过采用纳米元胞来构建实现相干性调控的人工微结构，可以较大程度地缩减器件的尺寸，进而可以有利于实现应用该器件的光学系统的微型化设计。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。附图说明图1是本专利技术优选实施例中人工微结构构建方法的示意图；图2是本专利技术优选实施例中单个纳米元胞的结构示意图；图3是本专利技术优选实施例中产生不同相干度的部分相干光束的人工微结构方形相位分布梯度示意图；图4是本专利技术优选实施例中光学系统的示意图；图5是本专利技术实施例中产生不同相干度的部分相干光束的光学人工微结构圆形相位分布梯度示意图。标记说明：1、激光器；2、扩束镜；3、聚焦透镜；4、人工微结构；5、物镜；6、电荷耦合元件；7、第一计算机；8、电动位移台；9、第二计算机。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。如图1所示，为本专利技术优选实施例中人工微结构构建方法，该方法包括以下步骤：S10、根据待生成部分相干光的相干性确定其在对应人工微结构区域各元胞位置处的相位。其中，元胞位置为构建所述人工微结构的各纳米元胞的空间排布位置。根据部分相干光的产生条件可知，待生成部分相干光对应的随机相位的范围决定了其相干性的大小，其中，由特定相位分布的微纳结构产生的部分相干光的相干度为：其中，μ(r1,r2)为所述待生成部分相干光的相干度，为所述待生成部分相干光所对应的人工微结构区域各元胞位置处的相位分布，“<>”代表时间平均。其中，上述人工微结构的相位分布公式为：其中，为所述待生成部分相干光在其不同元胞位置处的相位，a为调节人工微结构不同区域产生的部分相干光的相干性的大小参数，rand为随机函数，代表人工微结构各个元胞处对应的相位为固定区间内的随机相位。上述光学参数为用户基于对部分相干光束的相干度的实际需求而预先设定的。在本实施例中，所述部分相干光束为焦场处的部分相干涡旋光束。在本实施例中，用于实现待生成的部分相干光束的人工微结构是一种由纳米元胞排列组成的阵列结构，因此，人工微结构的每个元胞位置处均具有相应的相位，该相位可以根据预先设定的光学参数确定。S20、计算各元胞本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人工微结构构建方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS10、根据待生成部分相干光的相干性确定其在对应人工微结构区域各元胞位置处的相位；/nS20、计算各元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度；/nS30、将具有不同的旋转角度的纳米元胞在对应的元胞位置处进行排布，构建用于实现光束相干性调控的人工微结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种人工微结构构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、根据待生成部分相干光的相干性确定其在对应人工微结构区域各元胞位置处的相位；
S20、计算各元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度；
S30、将具有不同的旋转角度的纳米元胞在对应的元胞位置处进行排布，构建用于实现光束相干性调控的人工微结构。


2.如权利要求1所述的人工微结构构建方法，其特征在于，所述步骤S10，具体包括：
根据部分相干光的产生条件可知，待生成部分相干光对应的随机相位的范围决定了其相干性的大小，其中，由特定相位分布的人工微结构产生的部分相干光的相干度为：
其中，μ(r1,r2)为所述待生成部分相干光的相干度，为所述待生成部分相干光所对应的人工微结构区域各元胞位置处的相位分布，“<>”代表时间平均。


3.如权利要求1所述的人工微结构构建方法，其特征在于，所述步骤S10中人工微结构的相位分布公式为：
其中，为所述待生成部分相干光在其不同元胞位置处的相位，a为调节人工微结构不同区域产生的部分相干光的相干性的大小参数，rand为随机函数，代表人工微结构各个元胞处对应的相位为固定区间内的随机相位。


4.如权利要求1所述的人工微结构构建方法，其特征在于，所述步骤S20，具体包括：
根据相位关系公式和所述待生成部分相干光在各元胞位置处的相位分别计算各元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度。


5.如权利要求4所述的人工微结构构建方法及包含该人工微结构的光...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊鑫，刘文玮，王飞，赵承良，陈树琪，蔡阳健，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32