基于相干调控的超振荡产生及调控方法与装置

本发明属于光场操控领域，具体涉及一种基于相干调控的超振荡产生及调控方法与装置。

背景技术：

1、在传统光学领域中，由于光束衍射的本质，限制了光学系统所能形成的光斑尺寸不能小于波长的一半，这可以归结于“带限”函数的振荡速度不能超过其频谱中最高的傅里叶谐波。

2、在现有技术中，超振荡现象在带限信号的研究中引起了广泛关注，超振荡是指在局部区域内，信号的振荡频率超过其傅立叶分量中最快振荡的频率。超振荡的应用主要体现在光学领域，尤其是在超分辨率成像技术中。通过精心设计的波函数叠加，可以在局部区域形成尺寸远小于衍射极限的“热点”。

3、但是在超振荡研究中，部分相干结构通常被视为一个相对恒定的参数。但在在实际应用中，大多数光源都不是完全相干的。例如温度、机械震动或其他原因所引入的随机相位变化会不可避免的降低光的相干性，因此基于部分相干关联结构产生超震荡现象，乃至对超震荡现象进行调控，成为了当前超分辨成像技术中亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决传统聚焦系统中衍射极限所带来的分辨率的限制，本发明提供了一种基于相干调控的超振荡产生及调控方法与装置，在基于超震荡技术的超分辨成像领域引入了部分相干关联结构这一新的变量，它可以显著的减少或消除由光的干涉和散射引起的图像失真，从而显著提高图像的对比度、清晰度、质量，并减少光学伪影和噪声的影响。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于相干调控的超振荡产生及调控方法，通过引入余弦关联结构，将光束调制为径向偏振高斯余弦模式光束；选择光束源平面的初始参数，使得光束在焦平面各模式之间产生强烈干涉，所述强烈干涉是指所产生光谱信号震荡的频率大于透镜孔径所产生的带限傅里叶分量中最快震荡的频率，从而产生基于相干调控超震荡现象。

3、进一步的，所述径向偏振高斯余弦模式光束在源平面上构造具有余弦关联结构的部分相干光场交叉谱密度矩阵，其交叉谱密度矩阵表达式为：

4、

5、

6、

7、

8、其中，r1和r2表示源平面上任意两点的位置矢量，r1和r2表示源平面上任意两点的径向坐标大小，s(r)表征光束的光谱密度，r表示源平面上任意一点的径向坐标大小，w0是初始光束束腰宽度；θ(φ1,φ2)是表征光束径向偏振的偏振矩阵，φ1和φ2是横平面的方位角；

9、g(δr)表征光束的相干性，δr＝r1-r2，a是表征光源相干度的正值。

10、进一步的，为了物理上可实现，csd矩阵的元素必须具有积分表示：

11、

12、其中，α,β＝x,y，x和y分别源平面上任意两点的横平面坐标，构造径向偏振高斯余弦模式光束所需要的权重函数pαβ（v)和核函数φα(r,v）表示为：

13、

14、

15、其中，δ为狄拉克函数，v是一维无单位矢量，r表示源平面上任意一点的位置矢量。

16、进一步的，空间光调制器对光束进行相位调控的方法为：通过模式展开，将光束划分为一组离散的模式，并在每个模式中添加不同的随机相位，从而形成一张全息图；为了确保所得到的模式互相无关，必须生成大于200张带有随机相位的全息图；调整光束的空间光强分布，从而实现不同模式间的非相干叠加。

17、进一步的，通过调节光束的初始光斑束腰宽度，控制光场焦场光斑的横向大小。

18、本发明还提供一种基于相干调控的超振荡产生及调控装置，用于实现前述的方法，装置包括激光器、扩束镜、线偏器、反射镜、空间光调制器、4f滤波系统、径向偏振转化器、高数值孔径物镜和ccd相机；

19、激光器发出的激光束，经过一个扩束镜，再经过一线偏器，形成一束线偏振激光束，再经过反射镜，使得光束反射到反射型相位空间光调制器上，产生一束部分相干线性偏振光束；然后产生的部分相干光束经过4f滤波系统，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光，再经过径向偏振转换器通过计算机控制液晶单元的排布，将线偏光转换为径向偏振光，产生的部分相干光束经过一个高数值孔径物镜16进行聚焦，在ccd相机上观察到大小可控的部分相干超震荡聚焦光斑。

20、进一步的，4f滤波系统由依次设置的薄透镜一、小孔光阑、薄透镜二组成。

21、进一步的，高数值孔径物镜的数值孔径na大于0.8。

22、进一步的，所述激光器为氦氖激光器，波长为632.8nm，功率为400mw。

23、进一步的，所述薄透镜一和薄透镜二的焦距均为150mm，所述高数值孔径物镜的焦距为3mm。

24、与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明的核心创新在于将部分相干关联结构引入了超震荡现象研究，超振荡现象是指在局部区域内，信号的振荡频率超过其傅立叶分量中最快振荡的频率；通过将前处理后的激光光束进行第一次关联结构调控和第二次偏振分布调制，得到了具有周期性关联结构的径向偏振高斯余弦模式光束，该光束在紧聚焦光学系统中传播时，不同模式之间的叠加干涉，实现了亚波长级特征形貌分辨率的聚焦光场，这是传统部分相干光关联结构所不能够的，提供了控制超震荡效应的全新变量，为超震荡技术在超分辨成像领域的应用提供了新的思路。更值得关注的是，通过调控部分相干关联结构的参数能够精准控制部分相干超震荡聚焦光斑的大小，大大节省了传统超震荡成像中的迭代计算时间，并且部分相干关联结构的引入在成像应用中可以有效的减少由高相干激光所带来的伪影问题，为超震荡技术在超分辨成像领域的应用提供了更多的可能。

技术特征：

1.一种基于相干调控的超振荡产生及调控方法，其特征在于，通过引入余弦关联结构，将光束调制为径向偏振高斯余弦模式光束；选择光束源平面的初始参数，使得光束在焦平面各模式之间产生强烈干涉，所述强烈干涉是指所产生光谱信号震荡的频率大于透镜孔径所产生的带限傅里叶分量中最快震荡的频率，从而产生基于相干调控超震荡现象。

2.根据权利要求1所述的基于相干调控的超振荡产生及调控方法，其特征在于，所述径向偏振高斯余弦模式光束在源平面上构造具有余弦关联结构的部分相干光场交叉谱密度矩阵，其交叉谱密度矩阵表达式为：

3.根据权利要求2所述的基于相干调控的超振荡产生及调控方法，其特征在于，为了物理上可实现，csd矩阵的元素必须具有积分表示：

4.根据权利要求1所述的基于相干调控的超振荡产生及调控方法，其特征在于，空间光调制器对光束进行相位调控的方法为：通过模式展开，将光束划分为一组离散的模式，并在每个模式中添加不同的随机相位，从而形成一张全息图；为了确保所得到的模式互相无关，必须生成大于200张带有随机相位的全息图；调整光束的空间光强分布，从而实现不同模式间的非相干叠加。

5.根据权利要求1所述的基于相干调控的超振荡产生及调控方法，其特征在于，通过调节光束的初始光斑束腰宽度，控制光场焦场光斑的横向大小。

6.一种基于相干调控的超振荡产生及调控装置，其特征在于，用于实现权利要求1-5任一所述的方法，装置包括激光器、扩束镜、线偏器、反射镜、空间光调制器、4f滤波系统、径向偏振转化器、高数值孔径物镜和ccd相机；

7.根据权利要求6所述的基于相干调控的超振荡产生及调控装置，其特征在于，4f滤波系统由依次设置的薄透镜一、小孔光阑、薄透镜二组成。

8.根据权利要求6所述的基于相干调控的超振荡产生及调控装置，其特征在于，高数值孔径物镜的数值孔径na大于0.8。

9.根据权利要求6所述的基于相干调控的超振荡产生及调控装置，其特征在于，所述激光器为氦氖激光器，波长为632.8nm，功率为400mw。

10.根据权利要求6所述的基于相干调控的超振荡产生及调控装置，其特征在于，所述薄透镜一和薄透镜二的焦距均为150mm，所述高数值孔径物镜的焦距为3mm。

技术总结
本发明公开了一种基于相干调控的超振荡产生及调控方法与装置，装置包含沿光路设置的激光器、扩束器、起偏器、空间光调制器、4f滤波系统、径向偏振光转换器和高数值孔径物镜；通过引入余弦伪谢尔模关联结构，将高斯光束通过空间光调制器调制为径向偏振高斯余弦模式光束，并合理选择光束源平面的初始参数，使得光束在焦平面各模式之间产生强烈的干涉，从而产生基于相干调控超震荡现象。本发明突破了传统部分相干关联结构光束成像受限于衍射极限的分辨率大小限制，具备超越卓越的调节灵活性以及稳定的性能特性，并且通过精确调控光场的相干参数，可以实现对光束焦场超震荡聚焦光斑在横向的精确控制。

技术研发人员：朱时军,陈哲,李振华
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16