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与流程
本发明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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明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。
本发明还提供了上述产生无衍射散斑的方法的实现装置，本发明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。
本发明的技术方案为：
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。
根据本发明优选的，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。
通过将方位角n等分并利用计算机生成方位角随机调制，实现每一等份0～2π的随机相位调制，并与轴棱锥相位分布进行相位叠加，从而得到可以产生无衍射散斑的合成膜片相位分布。
根据本发明优选的，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,*,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
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durnin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。
上述产生无衍射散斑的方法的实现装置，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还连接所述空间光调制器；
所述相干光源用于：实现装置的照明；可以是各个波段的具有一定相干性的各类光源，如不同波长的激光光源等。
所述照明光路用于：产生满足空间所述光调制器实现调制功能的准直激光束；
所述空间光调制器用于：显示合成膜片相位分布和与合成膜片相位分布相对应的二元全息图；
所述空间滤波系统用于：滤出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的傅里叶频谱的+1级或-1级；
所述探测单元用于：用于探测、观察和记录无衍射散斑场，并读出探测距离；
所述系统控制与信号处理单元用于：控制将生成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写入所述空间光调制器；还控制所述探测单元记录并处理所采集的图像、数据，分析无衍射散斑场的特性。
根据本发明优选的，为了去除空间光调制器的离散化结构造成的黒栅效应和系统中优先孔径限制对无衍射散斑场的影响，装置结构中加入空间滤波系统；所述空间滤波系统包括依次连接的第一傅里叶变换透镜、空间低通滤波器和第二傅里叶变换透镜；
所述空间光调制器位于所述第一傅里叶变换透镜的后焦平面位置(方向确定原则：以光传播的方向为前方向)，所述第一傅里叶变换透镜用于得到显示在空间光调制器上的合成膜片相位分布和与合成膜片相位分布相对应的二元全息图的傅里叶频谱，所述空间低通滤波器位于所述第一傅里叶变换透镜的前焦平面位置(同时也是傅里叶变换透镜的后焦平面位置，即空间滤波系统的频谱面)，所述空间低通滤波器用以滤出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的傅里叶频谱的+1级或-1级；第二傅里叶变换透镜将滤出的傅里叶频谱的+1或-1级再次进行傅里叶变换。
根据本发明优选的，所述探测单元包括带刻度的滑动导轨及设置在所述带刻度的滑动导轨上的探测器件，用于读出探测距离，探测器件连接所述系统控制与信号处理单元。
所述探测单元包括ccd相机或摄像机等具有显示和记录功能的探测器件、带刻度的滑动导轨和机械支撑与调整器件等。无衍射散斑产生的起始位置位于第二傅里叶变换透镜的前焦平面处(方向确定原则：以光传播的方向为前方向)，此处记为z＝0，最大无衍射距离为zmax，产生无衍射散斑的范围为0～zmax。
根据本发明优选的，所述系统控制与信号处理单元是指计算机，计算机上装有matlab或labview等控制与信号处理软件。所述系统控制与信号处理单元一方面用于控制显示合成膜片相位分布和与合成膜片相位分布相对应的二元全息图的空间光调制器，所述系统控制与信号处理单元一方面用于控制探测单元和处理探测器件所探测的数据和信号。
根据本发明优选的，所述空间光调制器为纯振幅空间光调制器、纯相位空间光调制器或数字微镜(dmd)器件。
根据本发明优选的，所述照明光路为光束整形结构光路。
根据本发明优选的，用ccd相机等器件在最大无衍射范围(即0～zmax范围)内探测并观察记录无衍射散斑场。最大无衍射距离zmax的求取公式如式(ⅲ)所示：
式(ⅲ)中，λ为相干光源的波长。将记录的数据信息通过系统控制与信号处理单元进行无衍射散斑场的特性分析。
本发明的有益效果为：
1、本发明简化产生无衍射散斑的实现装置结构，为无衍射散斑领域提供了一种新的产生无衍射散斑的方法。
2、本发明方便控制产生无衍射散斑的轴棱锥参数和方位角等分参数，灵活度高。
3、本发明提高了产生无衍射散斑的光能利用率。
附图说明
图1为本发明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原理过程示意图；
图2为本发明的产生无衍射散斑的装置结构示意图；
图3为探测单元结构示意图；
图4为系统控制与信号处理单元结构示意图；
图5(a)为实施例4中相对应的方位角随机调制图；
图5(b)为实施例4中相对应的轴棱锥相位分布图；
图5(c)为实施例4中相对应的合成膜片相位分布图；
图6为实施例4中相对应所得z＝41cm处无衍射散斑光强分布图；
图7为实施例4中相对应所得z＝61cm处无衍射散斑光强分布图；
图8为实施例5中相对应的与合成膜片相位分布相对应的二元全息图；
图9为实施例5中相对应所得z＝84cm处无衍射散斑光强分布图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例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，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。
实施例2
根据实施例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，其区别在于：
图1给出了本发明的原理过程示意图，包括方位角随机调制的设计、轴棱锥相位分布的设计和合成膜片相位分布的设计，以及与合成膜片相位分布相对应的二元全息图的设计。
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3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3的窄边像元数目。。
通过将方位角n等分并利用计算机生成方位角随机调制，实现每一等份0～2π的随机相位调制，并与轴棱锥相位分布进行相位叠加，从而得到可以产生无衍射散斑的合成膜片相位分布。
利用准直激光束照射纯相位空间光调制器或能实现同样功能的器件中显示的合成膜片相位分布3或利用准直激光束照射纯振幅空间光调制器或数字微镜(dmd)器件或能实现同样功能的器件中显示的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,*,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
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durnin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。
实施例3
实施例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的实现装置，如图2所示，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，系统控制与信号处理单元还连接所述空间光调制器；
相干光源用于：实现装置的照明；可以是各个波段的具有一定相干性的各类光源，如不同波长的激光光源等。照明光路用于：产生满足空间所述光调制器实现调制功能的准直激光束；空间光调制器用于：显示合成膜片相位分布和与合成膜片相位分布相对应的二元全息图；空间滤波系统用于：滤出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的傅里叶频谱的+1级或-1级；探测单元用于：用于探测、观察和记录无衍射散斑场，并读出探测距离；系统控制与信号处理单元用于：控制将生成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写入所述空间光调制器；还控制所述探测单元记录并处理所采集的图像、数据，分析无衍射散斑场的特性。
为了去除空间光调制器的离散化结构造成的黒栅效应和系统中优先孔径限制对无衍射散斑场的影响，装置结构中加入空间滤波系统；空间滤波系统包括依次连接的第一傅里叶变换透镜、空间低通滤波器和第二傅里叶变换透镜；
空间光调制器位于第一傅里叶变换透镜的后焦平面位置(方向确定原则：以光传播的方向为前方向)，第一傅里叶变换透镜用于得到显示在空间光调制器上的合成膜片相位分布和与合成膜片相位分布相对应的二元全息图的傅里叶频谱，空间低通滤波器位于所述第一傅里叶变换透镜的前焦平面位置(同时也是傅里叶变换透镜的后焦平面位置，即空间滤波系统的频谱面)，空间低通滤波器用以滤出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的傅里叶频谱的+1级或-1级；第二傅里叶变换透镜将滤出的傅里叶频谱的+1或-1级再次进行傅里叶变换。
如图3所示，探测单元包括带刻度的滑动导轨及设置在带刻度的滑动导轨上的探测器件，用于读出探测距离，探测器件连接系统控制与信号处理单元。
所述探测单元包括ccd相机或摄像机等具有显示和记录功能的探测器件、带刻度的滑动导轨和机械支撑与调整器件等。无衍射散斑产生的起始位置位于第二傅里叶变换透镜的前焦平面处(方向确定原则：以光传播的方向为前方向)，此处记为z＝0，最大无衍射距离为zmax，产生无衍射散斑的范围为0～zmax。
如图4所示，系统控制与信号处理单元是指计算机，计算机上装有matlab或labview等控制与信号处理软件。系统控制与信号处理单元一方面用于控制显示合成膜片相位分布和与合成膜片相位分布相对应的二元全息图的空间光调制器，系统控制与信号处理单元一方面用于控制探测单元和处理探测器件所探测的数据和信号。
空间光调制器为纯振幅空间光调制器、纯相位空间光调制器或数字微镜(dmd)器件。
照明光路为光束整形结构光路。
用ccd相机等器件在最大无衍射范围(即0～zmax范围)内探测并观察记录无衍射散斑场。最大无衍射距离zmax的求取公式如式(ⅲ)所示：
式(ⅲ)中，λ为相干光源的波长。将记录的数据信息通过系统控制与信号处理单元进行无衍射散斑场的特性分析。
通过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，根据实际需要，通过控制轴棱锥参数q和方位角等分参数n改变写入空间光调制器中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，可以获得满足要求的无衍射散斑。
实施例4
根据实施例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，其区别在于：以轴棱锥参数q＝15，方位角等分参数n＝120的合成膜片相位分布为例。
图5(a)是本实施例中方位角随机调制，图5(b)是本实施例中轴棱锥相位分布，图5(c)是本实施例中合成膜片相位分布。
产生无衍射散斑的装置结构为：空间光调制器为纯相位液晶空间光调制器，其像元大小为δ＝8μm,m＝1080。相干光源使用波长为632.8nm的he-ne激光器。
根据上述理论及实现方法可知，理论上所得无衍射散斑场的最大无衍射距离zmax＝81.92cm。
光路结构以及合成膜片相位分布加载完成之后，用ccd相机探测记录无衍射散斑场。图6给出了z＝41cm处的无衍射散斑场光强分布，图7给出了z＝61cm处的无衍射散斑场光强分布。
实施例5
根据实施例4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，其区别在于：
将合成膜片相位分布(如图5(c)所示)根据二元全息图制作原理，得到该条件参数下的与合成膜片相位分布相对应的二元全息图，如图8所示。
产生无衍射散斑的装置结构为：空间光调制器为数字微镜(dmd)器件，其像元大小为δ＝13.6μm,m＝768。相干光源1使用波长为632.8nm的he-ne激光器。
根据上述理论及实现方法可知，理论上所得无衍射散斑场的最大无衍射距离zmax＝168.36cm。光路结构以及与合成膜片相位分布相对应的二元全息图加载完成之后，用ccd相机探测记录无衍射散斑场。图9给出了z＝84cm处的无衍射散斑场光强分布。
综上所述，本发明根据实际需要，通过控制轴棱锥参数q和方位角等分参数n改变写入空间光调制器中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，可以得到满足要求的无衍射散斑，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。
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