利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的方法，包括：S10、根据待生成特殊关联部分相干光的关联结构及其相干长度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，构建用于实现光束关联结构以及相干性调控的人工微结构；S40、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，并获得相应关联结构以及相应相干长度的部分相干光束。本发明专利技术可以实现定量地控制光束的相干结构及其相干长度，对光束能量的利用率大大提高，可以缩减器件尺寸，有利于实现光学系统的微型化。

【技术实现步骤摘要】
利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的方法
本专利技术涉及相干光学
，特别涉及一种利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的方法。
技术介绍
不论在自然界中，还是在实验室里，所有光场或多或少都是随机涨落的，描述该光场随机涨落的基础理论称为相干光学理论。相干性是光场的重要属性之一，分为空间相干性和时间相干性，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。高斯谢尔模光束是最典型的部分相干激光束，它的光强分布和相干性分布都满足高斯分布。目前产生高斯谢尔模光束的方法包括：利用旋转的毛玻璃产生部分相干光以及利用人工微结构产生特定相干度大小的部分相干光束，后者相对于前者促进了集成化和微型化设计，提高了能量利用率，并且在未进行测量的情况下可以已知产生光束的相干度。但是这一方法只能产生相干函数分布为高斯分布的部分相干光束，然而部分相干光束的相干特性并不仅仅局限于传统的高斯分布，具有非传统高斯分布相干结构的部分相干光束有着奇特的传输特性，这类特殊关联结构光束在空间或时间域中表现出自分裂、自聚焦、自漂移、自整形等物理效应及现象使得光束相干结构调控在超分辨成像、多微粒操控、自由空间光通信、光束整形等领域中具有重要的应用前景。到目前为止，产生特殊关联结构光束的方法一般为利用空间光调制器对入射光束的振幅进行调制并使调制后的光束入射到旋转的毛玻璃上使产生的光束具有特殊的关联结构。但是现有的方法大多系统复杂，并且基于厘米级系统，不利于系统的集成化和小型化，能量利用率低，不能在未测量的情况下已知光束的相干度分布，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只限于产生相干结构分布为高斯分布的部分相干光束，对于产生非高斯相干结构分布的特殊关联结构分布的部分相干光束还未有涉及。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术目的在于提供一种能量利用率高，调控精度高的利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的方法。其采用如下技术方案：一种利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的方法，其包括以下步骤：S10、根据待生成特殊关联部分相干光的关联结构及其相干长度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，构建用于实现光束关联结构以及相干性调控的人工微结构；S40、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，并获得相应关联结构以及相应相干长度的部分相干光束。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，φ(ρ)为所述人工微结构在其不同元胞位置处的相位，T(ρ)为根据待生成特殊关联结构部分相干光束的功率谱密度（PSD）计算得到的复相位分布，arg[]为对所述人工微结构的复相位分布提取相位部分从而实现所述人工微结构的纯相位调控。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，所述相位关系公式为：；其中，为所述调控光束相干性人工微结构在第i个元胞位置处的相位，为第i个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S40中根据需求选取所述人工微结构的入射区域，并获得相应关联结构以及相应相干长度的部分相干光束，具体包括：根据所需光束关联结构及其相干长度大小确定人工微结构各元胞位置处的相位分布，各元胞位置处的相位分布由待产生特殊关联结构光束的功率谱密度函数（PSD）调控，功率谱密度函数（PSD）中包含了待产生特殊关联部分相干光束的关联结构及其相干长的信息，通过计算不同关联结构以及相干长度的特殊关联部分相干光束的功率谱密度函数（PSD）得到所述人工微结构的相位分布，从而实现对入射光场关联结构及其相干长度的精准调控。作为本专利技术的进一步改进，所述特殊关联部分相干光束为焦场处的拉盖尔高斯关联部分相干光束。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。作为本专利技术的进一步改进，所示纳米元胞为二氧化钛切角长方柱元胞，包括二氧化硅衬底和位于二氧化硅衬底上的切角长方柱。作为本专利技术的进一步改进，所述二氧化硅衬底为方形，边长p=330nm，长方柱的尺寸为：长L=260nm，宽w=90nm，切角长度a=40nm，高h=450nm。本专利技术的有益效果：本专利技术利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的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结构以及相干长度调控，可以实现定量地控制光束的相干结构及其相干长度；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结构以及相干长度调控的人工微结构，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利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的方法的示意图；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关联结构以及相干长度的部分相干光束的人工微结构相位分布示意图；图4是本专利技术优选实施例中利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的系统的示意图。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、傅里叶透镜；7、电荷耦合元件；8、第一计算机；9、电动位移台；10、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利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的方法，该方法包括以下步骤：S10、根据待生成特殊关联部分相干光的关联结构及其相干长度确定其在对应人工微结构区域各元胞位置处的相位。根据特殊关联部分相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS10、根据待生成特殊关联部分相干光的关联结构及其相干长度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，构建用于实现光束关联结构以及相干性调控的人工微结构；/nS40、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，并获得相应关联结构以及相应相干长度的部分相干光束。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、根据待生成特殊关联部分相干光的关联结构及其相干长度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，构建用于实现光束关联结构以及相干性调控的人工微结构；
S40、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，并获得相应关联结构以及相应相干长度的部分相干光束。


2.如权利要求1所述的利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的方法，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，φ(ρ)为所述人工微结构在其不同元胞位置处的相位，T(ρ)为根据待生成特殊关联结构部分相干光束的功率谱密度（PSD）计算得到的复相位分布，arg[]为对所述人工微结构的复相位分布提取相位部分从而实现所述人工微结构的纯相位调控。


3.如权利要求1所述的利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的方法，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。


4.如权利要求3所述的利用人工微结构调控光束关联结构及其相干长度的方法，其特征在于，所述相位关系公式为：；
其中，为所述调控光束相干性人工微结构在第i个元胞位置处的相位，为第i个元胞位置处所排布纳米元胞的旋转...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊鑫，彭啸峰，刘文玮，王飞，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