部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量方法及系统，其方法包括：将待测部分相干矢量光束的各个方向分离；对分离的每个方向的光束分别引入三次不同相位赋值的扰动，并对扰动后的每个方向的光束进行傅里叶变换；记录每个方向的光束在三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强；根据三次不同相位赋值和三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强，通过反傅里叶变换得到待测部分相干矢量光束的各项交叉谱密度矩阵元。本发明专利技术简单可行，在不引入参考臂、不引入透镜以及不需要知道光源信息的情况下，实现对部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量，适用于具有复杂实数和虚数结构的部分相干矢量场。虚数结构的部分相干矢量场。虚数结构的部分相干矢量场。

【技术实现步骤摘要】
部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及光学测量
，特别涉及一种部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量方法及系统。

技术介绍

[0002]近年来，随着人们对激光认识的不断深入和激光技术应用的迅速扩展，相继提出并实现了多种振幅、相位、偏振态及相干结构等具有特殊空间分布的新型光场，例如具有螺旋相位的涡旋光场，偏振态依赖空间分布的矢量光场，具有横向自加速效应的艾里(Airy)光场，具有无衍射传输特性的贝塞尔(Bessel)光场，具有非傍轴自弯曲效应的马丢(Mathieu)光场等。随着光镊、光刻、光通信等技术的应用，激光的偏振调节、相干度调节逐渐引起人们的青睐。
[0003]光场或多或少都是随机涨落的，描述光场的随机涨落理论称为相干光学理论。对相干结构进行调控可以获得厄米高斯关联的部分相干光束，其在传输到焦平面之前拥有四通道，并于焦平面会合，又在焦平面后出现自分裂；拉盖尔高斯光束相干激光束经过聚焦后可以在焦点附近产生三维可控光学囚笼，产生的光学囚笼可用于粒子俘获等应用。由于激光的方向性强、光功率集中、难以窃听、成本低、安装快等特点，激光越来越多地应用于自由空间光通信中，但是光束在大气中传输时容易受到微小粒子、气溶胶、温度梯度引起折射率随机变化等因素影响，使得激光束的光强分布、相位分布在时间和空间上随机起伏、波前扭曲变形、光强闪烁、光束弯曲和偏移等现象。而部分相干光束在湍流大气中传输就能够更好地克服湍流等大气方面带来的负面影响。对激光束相干度大小的调控，同样也可以实现光束整形，产生空心、平顶、阵列等光强分布，从而在激光加工、激光武器等领域中有重要的应用前景
[0004]光的相干和偏振现象是光的基本特性，是处理可观测量的统计光学范畴。世界光学权威Wolf教授在2003年创历史性地提出了关于随机电磁场的相干偏振统一理论，明确指出光的相干和偏振这两个独立的基本特性是相互紧密联系在一起的，并且可以用统一的方法手段即通过使用2
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2电场关联矩阵也就是交叉谱密度矩阵来确定随机电磁光束经过确定介质或随机介质传输的光谱密度，光谱相干度，光谱偏振度等统计光学特性的变化。具体地说，就是通过刻画两点上相同或正交场分量之间的相干关系来描述起伏矢量场的统计特性。对于随机光场，矢量光场的空间相干性是电磁波的一个基础属性，它在理解经典与量子光波的干涉、传输以及与物质相互作用过程中起到至关重要的作用。因此拥有一项快速且完备的针对部分相干矢量激光场交叉谱密度函数的测量方法是精准操控矢量激光相干特性的重要保障。
[0005]目前已有的针对矢量部分相干光场交叉谱密度函数的测量方案主流方法主要有三种，一种源于双孔干涉原理(Kanseri,Bhaskar,and Hem Chandra Kandpal."Experimental determination of electric cross
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spectral density matrix and generalized Stokes parameters for a laser beam."Optics letters 33.20(2008):
2410
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2412.)，一种基于光强互关联算法(Chen,Y.,et al.(2014)."Generation and propagation of a partially coherent vector beam with special correlation functions."Physical Review A 89(1))。还有一种基于广义HBT(汉伯里
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布朗
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特维斯)光强互关联算法(Dong,Z.,et al.(2020)“Measuring complex correlation matrix of partially coherent vector light via a generalized Hanbury Brown
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Twiss experiment”.Optics Express 28,20634
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20644)。
[0006]第一种，从待测光源中分离出具有不同偏振的两束光，分别入射小孔，观察双孔的干涉图案，根据干涉条纹的明暗对比度计算两点的相干度，改变小孔距离获得更多数据以绘制一维相干度分布图；第二种，同样是从待测光源分离出两种偏振分量，拍摄大量散斑图以计算两种分量的光强关联，根据光强关联与相干度的关系可以计算得到光源的二维相干度分布。第三种，引入一束完全相干光通过与部分相干光进行干涉搭建测试光路，通过加入四分之一波片引入相位延迟，获得不同完全相干光与部分相干光干涉的合束光。利用光探测器拍摄并记录合束光的光强分布信息，遮挡住参考光，利用光探测器拍摄并记录待测光的光强分布信息，再遮挡住待测光，利用光探测器拍摄并记录参考光的光强分布信息，计算获得待测光源的复相干度振幅和相位。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题的是提供一种简单可行、耗时短、效率高的部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量方法。
[0008]为了解决上述问题，本专利技术提供了部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量方法，其包括：
[0009]将待测部分相干矢量光束的各个方向分离；
[0010]对分离的每个方向的光束分别引入三次不同相位赋值的扰动，并对扰动后的每个方向的光束进行傅里叶变换；
[0011]记录每个方向的光束在三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强；
[0012]根据三次不同相位赋值和三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强，通过反傅里叶变换得到待测部分相干矢量光束的各项交叉谱密度矩阵元。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述将待测部分相干矢量光束的各个方向分离，具体包括：
[0014]将待测部分相干矢量光束依次经过四分之一波片和偏振片，通过调节四分之一波片和偏振片的角度实现对待测部分相干矢量光束各个方向的分离。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，利用纯相位空间光调制器对分离的每个方向的光束分别引入三次不同相位赋值的扰动，并对扰动后的每个方向的光束进行傅里叶变换。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，利用光探测器记录每个方向的光束在三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，所述光探测器为CCD或CMOS。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述扰动为圆形。
[0019]本专利技术还提供了一种部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量系统，其包括：
[0020]光束分离组件，用于将待测部分相干矢量光束的各个方向分离；
[0021]纯相位空间光调制器，用于对分离的每个方向的光束分别引入三次不同相位赋值的扰动，并对扰动后的每个方向的光束进行傅里叶变换；
[0022]光探测器，用于记录每个方向的光束在三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量方法，其特征在于，包括：将待测部分相干矢量光束的各个方向分离；对分离的每个方向的光束分别引入三次不同相位赋值的扰动，并对扰动后的每个方向的光束进行傅里叶变换；记录每个方向的光束在三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强；根据三次不同相位赋值和三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强，通过反傅里叶变换得到待测部分相干矢量光束的各项交叉谱密度矩阵元。2.如权利要求1所述的部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量方法，其特征在于，所述将待测部分相干矢量光束的各个方向分离，具体包括：将待测部分相干矢量光束依次经过四分之一波片和偏振片，通过调节四分之一波片和偏振片的角度实现对待测部分相干矢量光束各个方向的分离。3.如权利要求1所述的部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量方法，其特征在于，利用纯相位空间光调制器对分离的每个方向的光束分别引入三次不同相位赋值的扰动，并对扰动后的每个方向的光束进行傅里叶变换。4.如权利要求1所述的部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量方法，其特征在于，利用光探测器记录每个方向的光束在三次不同相位赋值下傅里叶平面的光强。5.如权利要求4所述的部分相干矢量光场交叉谱密度函数的快速测量方法，其特征在于，所述光探测器为CCD或CMOS。6.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卓异，卢兴园，赵承良，蔡阳健，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：