一种非干涉的相位测量装置及方法

本发明属于微纳光学技术、信息光学，涉及一种非干涉的相位测量装置及方法

背景技术：

1、相位作为光波携带的一种重要信息却无法直接测量获取，通常需要干涉方法将其转化为强度分布后再计算获得。光强传输方程提供了一种非干涉的相位测量方法，由于光传播过程中沿光轴方向强度变化量与横截面上光场的相位梯度有关，通过探测光场在特定平面的轴向微分，即可实现光场的定量相位测量。但这种方法需要在两个或多个平面多次测量强度分布获得，导致便捷性降低，且容易引入测量误差而影响精度。

2、超表面是一种由亚波长结构阵列(例如金属或介质纳米结构)构成的二维人工材料，可以在亚波长厚度范围精确地控制光波的复振幅，因此可实现光场参量结构高度定制化的调控。通过超表面的相位调制作用，可以引起透射光束横向的分离，以及在纵向不同相移导致的等效传播距离之间的差异，能够实现单个平面单次曝光获取具有不同衍射距离的图像，并由光强传输方程的轴向微分，快速进行定量相位测量。

技术实现思路

1、为解决现有技术的不足之处，本发明提出一种非干涉的相位测量装置及方法，旨在解决现有相位测量方案中存在的相位系统复杂、多次测量的问题。

2、本发明的目标可以采用如下的技术方案实现：

3、一种非干涉的相位测量装置及方法，其特征在于包括起偏器1、透镜2、超表面3、透镜4和光学相机5；依光路设置为起偏器1、透镜2、超表面3、透镜4和光学相机；所述透镜2的后焦面和透镜4的前焦面重合，构成4f光学系统；所述超表面3放置在透镜2的后焦平面；所述光学相机5放置在透镜4的后焦面；所述超表面3的特征在于包括基底和刻蚀在基底上的单层纳米结构阵列。

4、所述超表面纳米结构为各向异性结构，具有相同高度、长、短轴尺寸，不同方位角，其中方位角为纳米结构的长轴与x轴之间的夹角。

5、所述超表面结构对沿长、短轴方向的偏振光的相位调制差为π。

6、所述超表面基底采用透明材料，包括但不限于石英玻璃或蓝宝石。

7、所述超表面纳米结构采用低损耗电介质材料，包括但不限于硅或二氧化钛。

8、所述超表面纳米结构的几何图形包括但不限于长方形或椭圆形。

9、所述超表面纳米结构的方位角θ按空间坐标(x,y)排列，满足：

10、

11、其中，k＝2π/λ为波数，β为光束偏离光轴的夹角，△z为轴向位移常数，f为透镜4的焦距。

12、一种采用所述非干涉相位测量装置实施相位测量的方法，其特征在于步骤如下：

13、步骤1：被测样品放置在透镜2的前焦面处；

14、步骤2：起偏器1将样品透射光转换为线偏振光；

15、步骤3：透镜2对样品透射光进行傅里叶变换；

16、步骤4：超表面3对入射光的空间频谱进行调制，其对入射光左、右旋分量的透射率函数分别为tl(x,y)＝exp(-i2θ)和tr(x,y)＝exp(i2θ)，即对左旋、右旋分量施加相反的相位调制作用；

17、步骤5：透镜4对经超表面3调制的光进行傅里叶逆变换；

18、步骤6：光学相机采集出射光的强度分布图像，图像包含欠焦的左旋偏振强度图像i(x,y,-△z)、未经超表面调制的在焦线偏振强度图像i(x,y,0)，过焦的右旋偏振强度图像i(x,y,△z)；

19、步骤7：利用欠焦强度图像i(x,y,-△z)和过焦强度图像i(x,y,△z)，获得被测物透射光在4f系统像平面的光强的轴向微分分布满足：

20、

21、步骤8：根据傍轴条件下光波衍射特性中强度与相位梯度的关系，由像平面的光强轴向微分分布，可得被测物透射光经4f系统所成像面的相位分布φ(x,y)：

22、

23、该相位分布为被测物透射光的相位分布或4f系统物面光波的相位分布。

24、有益效果

25、本发明提出一种非干涉的相位测量装置及方法，涉及微纳光学技术、信息光学技术领域。所述装置及方法对被测物透射光或特定被测平面的光进行偏振调制，调制后的线偏振光在4f系统的频谱面被超表面调制，对进入装置的光的左、右旋偏振分量施加相反的相位调制，在像平面产生两个横向分离且具有不同传播距离的图像，通过相机对两个图像单次采集，并通过差分计算获得被测平面或物体的相位分布。

26、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

27、1.本发明方法解决了现有技术中存在的求解相位过程繁琐，避免了干涉方法解相位包裹的过程。

28、2.本发明方法解决了现有的技术需要两次测量不同平面光强分布的问题，采用单次曝光的方法便可获得，简化了测量过程，提高了纵向位移的精度，加快了复原过程，同时也利于相位复原装置的集成化和小型化。

29、3.本发明的单层电介质纳米结构、基底周期均为亚波长量级，具有平面化、小型化、轻量化、易加工的优点，具备工业化生产、可系统集成的潜力。

技术特征：

1.一种非干涉的相位测量装置及方法，其特征在于：所属装置包括起偏器1、透镜2、超表面3、透镜4和光学相机5；依光路设置为起偏器1、透镜2、超表面3、透镜4和光学相机5；所述透镜2的后焦面和透镜4的前焦面重合，构成4f光学系统；所述超表面3放置在透镜2的后焦平面；所述光学相机5放置在透镜4的后焦面。所述超表面3的特征在于包括基底和刻蚀在基底上的单层纳米结构阵列。

2.根据权利要求1所述的一种非干涉的相位测量装置及方法，其特征在于：所述超表面纳米结构为各向异性结构，具有相同高度、长、短轴尺寸，不同方位角，其中方位角为纳米结构的长轴与x轴之间的夹角。

3.根据权利要求1所述的一种非干涉的相位测量装置及方法，其特征在于：所述超表面结构对沿长、短轴方向的偏振光的相位调制差为π。

4.根据权利要求1所述的一种非干涉的相位测量装置及方法，其特征在于：所述超表面基底采用透明材料，包括但不限于石英玻璃或蓝宝石。

5.根据权利要求1所述的一种非干涉的相位测量装置及方法，其特征在于：所述超表面纳米结构采用低损耗电介质材料，包括但不限于硅或二氧化钛。

6.根据权利要求1所述的一种非干涉的相位测量装置及方法，其特征在于：所述超表面纳米结构的几何图形包括但不限于长方形或椭圆形。

7.根据权利要求1所述的一种非干涉的相位测量装置及方法，其特征在于：所述超表面纳米结构的方位角θ按空间坐标(x,y)排列，满足：

8.一种权利要求1～7任一项所述的一种非干涉的相位测量装置及方法，其特征在于步骤如下：步骤1：被测样品放置在透镜2的前焦面处；步骤2：起偏器1将样品透射光转换为线偏振光；步骤3：透镜2对样品透射光进行傅里叶变换；步骤4：超表面3对入射光的空间频谱进行调制，其对入射光左旋、右旋分量的透射率函数分别为tl(x,y)＝exp(-i2θ)和tr(x,y)＝exp(i2θ)，即对左旋、右旋分量施加相反的相位调制作用；步骤5：透镜4对经超表面3调制的光进行傅里叶逆变换；步骤6：光学相机5采集出射光的强度分布图像，图像包含欠焦的左旋偏振强度图像i(x,y,-△z)、未经超表面调制的在焦线偏振强度图像i(x,y,0)，过焦的右旋偏振强度图像i(x,y,△z)；步骤7：利用欠焦强度图像i(x,y,-△z)和过焦强度图像i(x,y,△z)，获得被测物透射光在4f系统像平面的光强的轴向微分分布满足：步骤8：根据傍轴条件下光波衍射特性中强度与相位梯度的关系，由像平面的光强轴向微分分布，可得被测物透射光经4f系统所成像面的相位分布φ(x,y)：

技术总结
本发明涉及一种非干涉的相位测量装置及方法，其特征在于：被测样品放置在4f系统前焦面，从被测样品透射的光被起偏器转换为线偏振光，然后照射在放置于4f系统频谱面的超表面，经超表面调制的入射光分离为左、右旋圆偏振分量，并在4f的像面产生两个横向分离、具有微小传输距离差的图像，图像被放置子4f系统像平面的光学相机单次报告采集，并由光波衍射特性与相位梯度关系解算出被测样品的相位。本发明仅需单次曝光便可获得不同平面的强度分布，加快了复原过程，也利于相位复原装置的集成化和小型化。

技术研发人员：李鹏,武炫光,任康
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1