一种矢量非均匀厄米关联光束的产生装置及方法与流程

本公开涉及光学技术领域，特别涉及一种矢量非均匀厄米关联光束的产生装置及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

高空间相干性是激光的一个重要特性，研究发现适当的降低相干性使其成为部分相干光时，在光通讯，遥感技术，其具有更好的优势。根据相干结构可以将部分相干光分为均匀关联(或谢尔模型)部分相干光和非均匀关联部分相干光，非均匀关联部分相干光展现出自聚焦，自偏移特性，在湍流介质中有较低的光强闪烁和较高的光强强度，尤其是当激光束用于自由空间光通讯时，非均匀关联分布相干光束的此特性将发挥巨大作用。偏振是光场的一个基本特性，根据偏振态，可以将矢量部分相干光束分为均匀偏振部分相干光束和非均匀偏振部分相干光束(例如径向偏振部分相干光束或角向偏振部分相干光束)。非均匀偏振光束可以减少湍流介质中的光强闪烁，所以将非均匀偏振态和非均匀关联结构结合的径向偏振厄米非均匀关联光束，将更利于减少湍流介质引起的光强闪烁，在光通讯和激光系统中起到很大的作用。

本公开发明人发现，目前产生非均匀关联光束的研究，包括利用模式展开方法、利用随机相位屏去产生非均匀关联光束的方法以及利用伪模叠加的方法，但是上述方法均是用于产生标量非均匀关联光束，均无法准确的生成非均匀偏振态和非均匀关联结构结合的径向偏振厄米非均匀关联光束。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种矢量非均匀厄米关联光束的产生装置及方法，能够准确的产生径向偏振厄米非均匀关联光束(rphunc)，相比于传统的厄米非均匀关联光束，光强闪烁进一步的降低，光强强度得到了进一步的加强，能够更好的应用于自由空间光通信。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种矢量非均匀厄米关联光束的产生装置。

一种矢量非均匀厄米关联光束的产生装置，包括反射镜以及反射镜反射点两侧的第一支路和第二支路；

所述第一支路包括依次设置的光源、滤波片和光束扩展仪，光源的出射端口、光束扩展仪的出射端口与反射镜的反射点共线；

所述第二支路包括依次设置的线偏振片、空间光调制器、第一选择元件、第一透镜、第二选择元件、第二透镜、高斯振幅滤波片和径向偏振转换器，线偏振片的中心、第一透镜的中心和第二透镜的中心与反射镜的反射点共线，光束经第一支路和反射点进入第二光路后输出矢量非均匀厄米关联光束。

本公开第二方面提供了一种矢量非均匀厄米关联光束的产生方法。

一种矢量非均匀厄米关联光束的产生方法，包括以下步骤：

按顺序依次沿光路方向设置光源、滤波片、光束扩展仪、反射镜、线偏振片、空间光调制器、第一圆孔、第一透镜、第二圆孔、第二透镜、高斯振幅滤波片、径向偏振转换器和ccd相机；

根据预设的模式数量和全息图数量，根据预设权重函数确定每个模式的权重；

按照每个模式的权重，将所有全息图加载到空间光调制器上循环播放；

通过ccd相机拍摄不同模式下的合成光束的光斑。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的装置及方法，与传统的径向偏振光束(rppc)相比，径向偏振厄米非均匀关联光束(rphnuc)有着独特的传输特性，具体表现为，即使在很长的传播距离，rphnuc也能保持空心分布，径向偏振态也能很好的保持；并且在中等距离rphnuc存在自聚焦和独特的演化特性；rphnuc光束存在着很强的鲁棒结构，在多种应用中有着很好的应用潜力，如可以在自由空间光通信中用作信息传递，其自身的部分相干和非均匀特性也可以用于粒子捕获，另外其自身的空间结构和偏振特性可以用于偏振敏感成像等应用中。

2、本公开所述的装置及方法，通过依次设置的光源、滤波片、光束扩展仪、反射镜、线偏振片、空间光调制器、第一圆孔、第一透镜、第二圆孔、第二透镜、高斯振幅滤波片和径向偏振转换器，能够准确的产生矢量偏振厄米非均匀关联光束，相比于传统的厄米非均匀关联光束，光强闪烁进一步的降低，光强强度得到了进一步的加强，能够更好的应用于自由空间光通信。

3、本公开所述的装置及方法，利用圆孔选择全息图的一级衍射图样，接着从第一圆孔出来的光再经过薄透镜，然后经过用于移除额外光线的第二圆孔，然后再通过准直透镜和高斯振幅滤波片得到最终的厄米非均匀关联光束，极大的提高了生成的光束的准确性，有效的去除了干扰光的影响。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1提供的矢量厄米非均匀关联光束的产生装置的结构示意图。

图2为本公开实施例1提供的不同阶数的rphunc光束在不同传输距离处的强度分布图。

图3为本公开实施例1提供的不同阶数的rphnuc光束分量sx和sy在一定的传输距离时的实验结果图。

1、氦氖激光器；2、滤波片；3、光束扩展仪；4、反射镜；5、线偏振片；6、空间光调制器；7、第一圆孔；8、薄透镜；9、第二圆孔；10、准直透镜；11、高斯振幅滤波片；12、径向偏振转换器；13、ccd相机；14、计算机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1所示，本公开实施例1提供了一种矢量厄米非均匀关联光束的产生装置，包括按照光路方向依次设置的氦氖激光器1、滤波片(ndf)2、光束扩展仪(be)3、反射镜(rm)4、线偏振片(lp)5、空间光调制器(slm)6、第一圆孔(ca1)7、薄透镜(l1)8、第二圆孔(ca2)9、准直透镜(l2)10、高斯振幅滤波片(gaf)11和径向偏振转换器(rpc)12；

所述高斯振幅滤波片后侧的观察平面上设有ccd相机13，被配置为记录不同模式下的厄米非均匀关联光束在不同位置以及不同传输距离处的光强分布.

所述空间光调制器(slm)6和ccd相机13均与计算机(pc)通信连接。

其产生过程为：一束从氦氖激光器出来的单色激光束，依次经过一个中性密度滤波片(ndf)和一个光束扩展仪(be)，然后经过一个反射镜(rm)反射，然后经过一个线偏振片(lp)，然后再经过一个空间光调制器(slm)；

slm是一个用计算机全息法设计的相位光栅，然后用圆孔(ca1)选择全息图的一级衍射图样，接着从ca1出来的光再经过薄透镜(l1)，然后经过用于移除额外光线的ca1，然后再通过准直透镜(l2)和高斯振幅滤波片(gaf)和径向偏振转换器(rpc)，在rpc之后就产生了径向偏振厄米非均匀关联光束，然后用ccd就可以捕获rphnuc光束在不同位置以及不同传输距离处的光强分布。

由于slm后的不同衍射级次的光斑不能直接分离，所以用l1和l2组成的一个4f成像系统来获得纯一级衍射光斑。图中的三个镶嵌图是几种不同模式的相位光栅图案的图像。

实施例2：

本公开实施例2提供了一种矢量厄米非均匀关联光束的产生方法，包括以下步骤：

按顺序依次沿光路方向设置光源、滤波片、光束扩展仪、反射镜、线偏振片、空间光调制器、第一圆孔、第一透镜、第二圆孔、第二透镜、高斯振幅滤波片、径向偏振转换器和ccd相机；

根据预设的模式数量和全息图数量，根据预设权重函数确定每个模式的权重；

按照每个模式的权重，将所有全息图加载到空间光调制器上循环播放；

通过ccd相机拍摄不同模式下的合成光束的光斑。

详细的，包括以下内容：

在空间频率域，矢量部分相干光束用交叉谱矩阵表征，

其中，为交叉谱密度矩阵元，分别为横截面上的任意两个位置坐标。

根据非负正定条件，要成为物理上可实现的光束，则交叉谱密度矩阵的每个元素可表示为：

pαβ(v)和分别为以下权重矩阵的矩阵元和以下形式的核函数，

权重矩阵元pαβ(v)满足下面的不等式：

pxx(v)≥0，pyy(v)≥0，pxx(v)pyy(v)≥|pxy(v)|²(4)

r(r)是关于坐标r的一个实标量函数，pαβ(v)、和r(r)的不同形式对应不同类型的非均匀关联结构的矢量部分相干光的，当pαβ(v)，和r(r)分别为以下形式时，可产生径向偏振厄米非均匀关联部分相干光：

其中，aαβ，(α，β＝x,y)代表常数，bαβ代表关联系数；

其中，w0代表初始光斑宽度。

在自由空间传输时，根据菲涅尔衍射积分，传输到任意z平面处的交叉谱密度矩阵元为：

其中，是传播面的任意两个坐标矢量，z是传播距离，λ是光波长，k是波数，i是虚数单位。

可以将表示为以下形式：

其中，为构造光源核函数。

基于以上理论基础分析，在实际操作中，为了实验中产生径向非均匀关联光束，将公式(2)中对v的积分离散化，用一个有限集合有效地取代了不相干模式的连续分布，因为已经证实伪模展开可以很好地逼近精确积分，即使模数相对较少。用离散的形式，交叉谱密度矩阵的矩阵元可表示为：

其中，n是模式指数，n是模式总数，α，β＝x,y代表方向，anβ伪模。

所以，在任意z平面点处的光强可以表示为以下形式：

n是伪模式数量，在区间v≤4a内采样，并且采样间隔为δv＝2a/25，也就是取了101个模式，在计算机中合成了101个相位图，并以随机动画序列将它们加载到slm中，其中每个伪模式出现的概率p(v)由公式(6)决定。加载到slm的相位模式序列的平均每秒帧数(fps)约为15s^-1，低于最大slm刷新速率60hz。然后通过对ccd捕获的伪模图像序列进行平均，得到了rphnuc光束的强度,实验中使用的图像数量约为1000幅。实验中采取以下几个光束参数值，λ＝632.8nm,w0＝0.3mm,rc＝0.3mm。

图2为使用该实验装置产生的不同光束阶数的rphnuc光束在不同传输距离处的光强分布情况，为了便于比较，本实施例中给出了同样光束参数情况下的理论结果。图2中的(a)为理论结果，图2中的(b)为实验结果，(a/b-0)对应阶数m＝0，(a/b-1)对应阶数m＝1。

不同的序列号代表不同的光束阶数，0(或1)代表光束阶数为m＝0(或m＝1)。正如预测的那样，在较短的传输距离内，在初始环强度的中间出现了一个微小的环形光，而rphunc光束在远场保持着暗空心光束的特性。从图2可以看出我们的实验结果与理论预测一致。

图3给出了在某一传输距离时具有不同阶数的rphnuc光束的分量sx和sy的分布情况，图3的实验结果进一步证实我们实验产生的光束为rphnuc光束。图3中的(a)中，m＝0，在z＝0.12m处，图3中的(b)中，m＝1，在z＝0.09m处。

实际上我们可以通过调节rpc的电压来实现角向偏振厄米非均匀关联光束，此时应将(7)式变为(14)式的形式：

综上所述，本实施例设计了产生径向(或角向)偏振厄米非均匀关联部分相干光束的实验产生装置，并且通过该装置可以快速方便产生该光束，并且本装置采用的设备简单，成本低，易搭建，产生的光束质量高，因此对于工业、科研和光通讯等领域有着广阔的应用前景。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。