一种基于空间Stokes层析的光束复振幅测量方法，涉及光学技术领域，用以解决传统波前传感测量中分辨率低或抗干扰能力差的问题。本发明专利技术的技术要点包括：引入与待测光场偏振正交的参考光场，待测光场和参考光场通过偏振分光棱镜合束形成矢量光束，对矢量光束做空间Stokes测量，即对矢量光束的每一像素点做Stokes测量，获取空间Stokes参量，最后通过测得的空间偏振分布计算反演得出待测光场的空间复振幅信息。本发明专利技术通过空间Stokes测量计算得到光场复振幅，每个像素单独计算，各像素之间相互独立，互不串扰，抗干扰能力强，降低了整体误差的同时，提高了相位测量分辨率。提高了相位测量分辨率。提高了相位测量分辨率。
【技术实现步骤摘要】
一种基于空间Stokes层析的光束复振幅测量方法
[0001]本专利技术涉及光学
，具体涉及一种基于空间Stokes层析的光束复振幅测量方法。
技术介绍
[0002]光场的空间复振幅(包括强度和相位分布)表征是超精密测量、生物超分辨显微、量子信息编码等现代光学研究及应用中的基础工具。因此，如何对目标光场实现快速、高效、高分辨率的复振幅测量尤为关键。
[0003]而光场的复振幅信息在现阶段无法由光束测量设备直接观测。因为光电设备只能直接探测光强信息，如CCD/CMOS相机。而相位信息则需要借助波前传感器间接测量，其原理主要分两类：一种是微透镜阵列焦平面探测技术，这种测量方法由于依赖传统的光学透镜系统，分辨率低，误差大，设备故障难以排查；另一种是利用多光束干涉技术，该技术依赖对干涉图样傅里叶变换的计算结果，每一像素的误差均会影响整体结果，因此该类型的波前传感器抗干扰能力差，且受制于算法影响，对于一些复杂波前信息难以处理。
技术实现思路
[0004]鉴于以上问题，本专利技术提出一种通过空间Stokes实现光场空间复振幅(即强度及相位)测量的新型光束复振幅测量方法，用以解决传统波前传感测量中分辨率低或抗干扰能力差的问题。
[0005]一种基于空间Stokes层析的光束复振幅测量方法，对于待测光场的复振幅中相位的测量步骤包括：
[0006]引入与待测光场偏振正交的参考光场，待测光场和参考光场通过偏振分光棱镜合束形成矢量光束，对所述矢量光束做空间Stokes测量，即对所述矢量光束的每一像素点做Stokes测量，获取空间Stokes参量则待测光场的相位按照下式获得：
[0007][0008]式中，表示像素点的二维极坐标；θ表示参考光场的相位角。
[0009]进一步地，所述参考光场的强度分布覆盖待测光场，所述参考光场包括高斯光场或平顶光场。
[0010]进一步地，获取空间Stokes参量的过程包括：
[0011]空间Stokes测量的参量构造如下：
[0012][0013]其中，A
x
表示水平偏振分量的振幅；A
y
表示竖直偏振分量的振幅；φ表示待测光场与参考光场之间的相对波前；I
H
、I
V
分别表示所述矢量光束在水平偏振、竖直偏振方向上的光强分量；I
L
、I
R
分别表示左旋和右旋偏振的光强分量；I
D
、I
A
分别表示+45
°
、
‑
45
°
方向偏振的光强分量；
[0014]设置待测光场为水平偏振光场、参考光场为竖直偏振光场，则水平偏振分量即为待测光场，竖直偏振分量为参考光场，空间Stokes参量表示为：
[0015][0016]式中，A1表示待测光场的振幅；A2表示参考光场的振幅。
[0017]进一步地，所述空间Stokes测量通过半波片、四分之一波片和偏振片对所述矢量光束进行水平偏振分量、竖直偏振分量、+45
°
、
‑
45
°
方向偏振分量以及左旋、右旋圆偏振分量的偏振投影测量，以构造空间Stokes参量。
[0018]进一步地，待测光场的复振幅中振幅根据待测光场的强度获得，利用光学相机测量获取待测光场的强度，待测光场的振幅按照下式获得：
[0019][0020]式中，表示待测光场的强度，表示待测光场的振幅。
[0021]本专利技术的有益技术效果是：
[0022]本专利技术通过引入与待测目标光场偏振正交的参考光场，通过偏振合束形成矢量光束，再对该矢量光束做空间Stokes测量，最后通过测得的空间偏振分布计算反演得出待测光场空间复振幅信息。本专利技术能够同时观测光场振幅、波前，实现光场复振幅信息的高效、高分辨直接测量，是一种融合了光束分析仪与波前传感器两种功能的光束全维度测量、分析方法。
附图说明
[0023]图1是本专利技术实施例中对待测光场进行复振幅测量的测量光路示意图；
[0024]图2是本专利技术实施例中待测LG
3,1
拉盖尔高斯光场与待测HG
4,1
厄米高斯光场对应的光强分量I
H
、I
V
、I
D
、I
A
、I
L
、I
R
；其中，(a)对应LG
3,1
拉盖尔高斯光场，(b)对应HG
4,1
厄米高斯光场；
[0025]图3是本专利技术实施例中待测LG
3,1
拉盖尔高斯光场与待测HG
4,1
厄米高斯光场对应获得的空间Stokes参量其中，(a)对应LG
3,1
拉盖尔高斯光场，(b)对应HG
4,1
厄米高斯
光场；
[0026]图4是本专利技术实施例中待测HG
3,1
拉盖尔高斯光场的振幅与相位；其中，(a)对应振幅，(b)对应相位；
[0027]图5是本专利技术实施例中待测HG
4,1
厄米高斯光场的振幅与相位；其中，(a)对应振幅，(b)对应相位。
具体实施方式
[0028]下面将参考若干示例性实施方式来描述本专利技术的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本专利技术，而并非以任何方式限制本专利技术的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。在本文中，需要理解的是，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。
[0029]本专利技术实施例提供一种基于空间Stokes层析的光束复振幅测量方法。
[0030]在二维极坐标系下，待测目标光场的复振幅可表示为：
[0031][0032]其中，为待测目标光场的空间振幅分布，为待测目标光场的空间相位分布，i表示虚数单位。
[0033]光场强度作为可观测量，其空间分布可由光学相机直接获取，且强度为振幅的平方，即则待测目标光场的振幅可以根据光学相机采集的光场强度按照下式获得：
[0034][0035]对于待测目标光场的相位的测量，测量光路如图1所示。首先引入与待测目标光场偏振正交的另一高斯光场作为参考光场，实际中只要与待测光场偏振正交，且强度分布能够覆盖待测光场的都可以作为参考光，为了方便制备、计算和避免误差，一般选用高斯光场或平顶光场作为参考光。图1中1为偏振分光棱镜，待测目标光场和参考光场通过偏振分光棱镜合束形成矢量光束，也称自旋轨道耦合(SOC)光束ψ
SOC
。由于二者的偏振正交性，并不会发生干涉现象。图1中5为电荷耦合相机，用于采集光场强度。
[0036]图1中2、3、4分别为半波片、四分之一波片和偏振片，用于对矢量本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于空间Stokes层析的光束复振幅测量方法，其特征在于，待测光场的复振幅中相位的测量步骤包括：引入与待测光场偏振正交的参考光场，待测光场和参考光场通过偏振分光棱镜合束形成矢量光束，对所述矢量光束做空间Stokes测量，即对所述矢量光束的每一像素点做Stokes测量，获取空间Stokes参量则待测光场的相位按照下式获得：式中，表示像素点的二维极坐标；θ表示参考光场的相位角。2.根据权利要求1所述的一种基于空间Stokes层析的光束复振幅测量方法，其特征在于，所述参考光场的强度分布覆盖待测光场，所述参考光场包括高斯光场或平顶光场。3.根据权利要求2所述的一种基于空间Stokes层析的光束复振幅测量方法，其特征在于，获取空间Stokes参量的过程包括：空间Stokes测量的参量构造如下：其中，A
x
表示水平偏振分量的振幅；A
y
表示竖直偏振分量的振幅；φ表示待测光场与参考光场之间的相对波前；I
H
、I
V
分别表示所述矢量光束在水平偏振、竖直偏振方向上的光强分量；I
L
、I
R
分别表示左旋和右旋偏振的...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱智涵，于丙石，陈鹏，陆延青，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：
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