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CN116818115A - 离轴双孔干涉测量扭曲相位系统及方法 - Google Patents

离轴双孔干涉测量扭曲相位系统及方法 Download PDF

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CN116818115A
CN116818115A CN202310597664.XA CN202310597664A CN116818115A CN 116818115 A CN116818115 A CN 116818115A CN 202310597664 A CN202310597664 A CN 202310597664A CN 116818115 A CN116818115 A CN 116818115A
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吴泉英
董妍
王海云
刘琳
陈亚红
王飞
蔡阳健
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Suzhou University of Science and Technology
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Suzhou University of Science and Technology
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Abstract

本发明涉及一种离轴双孔干涉测量扭曲相位系统及方法，包括：激光发射组件产生线偏振光；分束器将线偏振光分解为反射光和透射光；空间光调制组件包括第一计算机和空间光调制器，第一计算机在空间光调制器上加载经过离轴双孔的动态扭曲高斯谢尔模光束的全息图；过滤组件对离轴双孔的扭曲高斯谢尔模光束进行过滤，获得第一级光斑；光探测组件包括光探测器和第二计算机，光探测器采集第一级光斑图像，第二计算机每隔预设时间间隔获取第一级光斑图像，多张第一级光斑图像叠加合成远场干涉图；第二计算机对远场干涉图进行傅里叶变换，获得傅里叶谱。其实验光路较为简单，方便调节，方便测试，耗时短，测量精度高。

Description

离轴双孔干涉测量扭曲相位系统及方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其是指一种离轴双孔干涉测量扭曲相位系统及方法。
背景技术
相较于完全相干光而言，部分相干光束在一些应用领域中具有独特的应用价值。例如，在激光通信中稳定性更好；在激光核聚变中能够克服散斑效应；在光学成像中能够实现“鬼”成像和“鬼”干涉；以及在原子冷却，微粒捕获，图像扫描等方面都具有其独特的应用价值。
在部分相干光束中，相位是可调控的重要参量，根据形式划分可分为常规相位，扭曲相位以及涡旋相位三类。扭曲相位是一个与空间两点位置相关联的函数，且不能分离为两个独立一维坐标参量的乘积，而且扭曲相位的强度受光束横向相干宽度平方反比的限制，导致其在完全相干极限内消失，所以扭曲相位不存在于完全相干光中，是部分相干光束所特有的一种相位。同时扭曲相位也具有手部特性，其内在的不对称性将使光束在传播过程中沿着光轴发生旋转。携带扭曲相位的光束，例如扭曲高斯谢尔模光束，在超分辨成像，光学捕获，自由空间光通信和光束自重建增强方面具有潜在应用。扭曲相位赋予了部分相干光束轨道角动量，其在超分辨率成像中具有独特的应用。扭曲因子是扭曲相位以及轨道角动量中的关键因素，对扭曲相位的检测和控制有望于在相干和基于轨道角动量的重影成像中进行应用。
对于扭曲高斯谢尔模光束的产生方法到目前为止已有很多种，例如三个柱透镜组成的转化系统，本征模法，随机模法以及伪模法。但对于扭曲相位的测量方法还是很稀缺的，因此拥有一种实验光路简单，实验误差小的测量扭曲相位的方法显得尤为重要。
目前，一共有两种测量扭曲相位的实验得到了报道。第一种方法基于广义汉伯利·布朗和特维斯，使得参考光和待测扭曲高斯谢尔模光束发生干涉；第二种方法基于双缝干涉。
第一种方法，是王海云等人先通过分束器将光束分为反射和透射两束光，将反射光打到空间光调制器上，空间光调制器使用随机模叠加的方法输出扭曲高斯谢尔模光束，而透射光则定义为参考光，扭曲高斯谢尔模光束经过4f系统后滤除第一衍射级，打到放置在CCD前的第二个分束器上，透射光经过两个反射镜也打在第二个分束器上，待测的扭曲高斯谢尔模光束和参考光经过第二个分束器后发生干涉，产生干涉条纹。通过广义汉伯利·布朗和特维斯方法可得到扭曲相位的实部，确定r2为参考点，推算出余弦函数的周期，周期与扭曲因子之间存在等式关系，即可得到扭曲因子，进而得到扭曲相位；第二种方法，是G.Ca～nas等人利用伪模法产生了扭曲高斯谢尔模光束，通过4f系统后打到双缝上，在经过透镜聚焦进行传输，最终在CCD上得到干涉图，通过改变扭曲高斯谢尔模光束的相干宽度去改变扭曲因子，进行了多次实验，干涉图的中心峰位置与扭曲因子之间存在等式关系，已知中心峰的偏移量，便可推出扭曲因子的值，进而得到扭曲相位。
基于广义汉伯利·布朗和特维斯方法中，实验光路较为复杂，实验对参考光和扭曲高斯谢尔模光束光路的准直性要求特高，实验光路不易搭建；基于双缝干涉的方法中，更改相干宽度需要更改加载到空间光调制器上的全息图，过程较为麻烦。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中扭曲高斯谢尔模光束的实验光路不易搭建，实验复杂的技术缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种离轴双孔干涉测量扭曲相位系统，包括：
激光发射组件，所述激光发射组件产生线偏振光；
分束器，所述分束器将线偏振光分解为反射光和透射光；
空间光调制组件，所述空间光调制组件包括第一计算机和空间光调制器，所述第一计算机在空间光调制器上加载经过离轴双孔的动态扭曲高斯谢尔模光束的全息图，所述反射光经空间光调制器获得离轴双孔的扭曲高斯谢尔模光束；
过滤组件，所述过滤组件对离轴双孔的扭曲高斯谢尔模光束进行过滤，获得第一级光斑；
光探测组件，所述光探测组件包括光探测器和第二计算机，所述光探测器采集第一级光斑图像，所述第二计算机每隔预设时间间隔获取第一级光斑图像，多张第一级光斑图像叠加合成远场干涉图；
所述第二计算机对远场干涉图进行傅里叶变换，获得傅里叶谱，所述傅里叶谱对应的峰值点处的相位即为所需测量的扭曲相位。
作为优选的，所述过滤组件包括第一透镜、光阑和第二透镜，所述第一透镜与空间光调制器之间的距离为f，所述第一透镜与光阑之间的距离为f，所述光阑与第二透镜之间的距离为f，其中，f为第一透镜和第二透镜的焦距。
作为优选的，所述空间光调制器与第一透镜分别位于分束器的两侧。
作为优选的，所述过滤组件与光探测组件之间设置有第三透镜，所述第三透镜将第一级光斑会聚至光探测器上。
作为优选的，所述激光发射组件包括激光器和偏振片和半波片，所述激光器发射激光，所述激光经偏振光形成线偏振光。
作为优选的，所述激光发射组件包括半波片，所述半波片用于调整线偏振光的旋转角度。
作为优选的，所述光探测器为电荷耦合器件。
作为优选的，所述激光发射组件与分束器之间设置有扩束镜。
作为优选的，所述空间光调制器上每隔预设时间加载全息图，每张所述全息图皆包含随机相位。
本发明公开了一种离轴双孔干涉测量扭曲相位方法，基于上述的离轴双孔干涉测量扭曲相位系统。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1、本发明提出了一种离轴双孔干涉测量扭曲相位的方法，该方法将离轴双孔直接加载到空间光调制器上的全息图内，减少了实验误差的产生，并且实验光路更加简单，只需要一组全息图对应的一组叠加合成的远场干涉图，对远场干涉图进行傅里叶变换即可从傅里叶谱的振幅谱和相位谱中分析得到扭曲相位以及扭曲因子。
2、本发明实验光路较为简单，方便调节，方便测试，耗时短，测量精度高。
附图说明
图1为离轴双孔干涉测量扭曲相位系统结构示意图；
图2中，(a)理论远场干涉图光强分布，(b)x方向理论光强一维分布，(c)x方向理论傅里叶谱的振幅谱一维分布，(d)x方向理论傅里叶谱的相位谱一维分布，(e)实验产生远场干涉图光强分布，(f)x方向实验光强一维分布，(g)x方向实验傅里叶谱的振幅谱一维分布，(h)x方向实验傅里叶谱的相位谱一维分布；
图3为x方向理论与实验拟合图，其中，(a)光强,(b)傅里叶谱的振幅谱,(c)傅里叶谱的相位谱,(a-c)中黑色实线为理论产生，圆圈为实验产生。
说明书附图标记说明：1、激光器；2、偏振片；3、半波片；4、扩束镜；5、空间光调制器；6、分束器；7、第一透镜；8、光阑；9、第二透镜；10、第三透镜；11、光探测器；12、第二计算机；13、第一计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明公开了一种离轴双孔干涉测量扭曲相位系统，包括激光发射组件、分束器6、空间光调制组件、过滤组件和光探测组件。
激光发射组件能够产生线偏振光。
分束器6将线偏振光分解为反射光和透射光。
空间光调制组件包括第一计算机13和空间光调制器5，第一计算机13在空间光调制器5上加载经过离轴双孔的动态扭曲高斯谢尔模光束的全息图，反射光经空间光调制器5获得离轴双孔的扭曲高斯谢尔模光束。
过滤组件对离轴双孔的扭曲高斯谢尔模光束进行过滤，获得第一级光斑。
光探测组件包括光探测器11和第二计算机12，光探测器11采集第一级光斑图像，第二计算机12每隔预设时间间隔获取第一级光斑图像，多张第一级光斑图像叠加合成远场干涉图；第二计算机12对远场干涉图进行傅里叶变换，获得傅里叶谱，所述傅里叶谱对应的峰值点处的相位即为所需测量的扭曲相位。
本发明的工作原理是：本发明将离轴双孔直接加载到空间光调制器5上的全息图内，减少了实验误差的产生，并且实验光路更加简单，只需要一组全息图对应的一组叠加合成的远场干涉图，对远场干涉图进行傅里叶变换即可从傅里叶谱的振幅谱和相位谱中分析得到扭曲相位以及扭曲因子。
过滤组件包括第一透镜7、光阑8和第二透镜9，第一透镜7与空间光调制器5之间的距离为f，第一透镜7与光阑8之间的距离为f，光阑8与第二透镜9之间的距离为f，其中，f为第一透镜7和第二透镜9的焦距。通过4f系统，可以过滤出所需要的第一级光斑。
空间光调制器5与第一透镜7分别位于分束器6的两侧。如此，可以减小光学系统的体积。
过滤组件与光探测组件之间设置有第三透镜10，第三透镜10将第一级光斑会聚至光探测器11上。
激光发射组件包括激光器1和偏振片2和半波片3，激光器1发射激光，激光经偏振光形成线偏振光。激光发射组件包括半波片3，半波片3用于调整线偏振光的旋转角度。偏振片2和半波片3组合可消除背景光的影响。
光探测器11为电荷耦合器件。
激光发射组件与分束器6之间设置有扩束镜4。线偏振光经过扩束镜4使得光束扩宽。
空间光调制器5上每隔预设时间加载全息图，每张全息图皆包含随机相位。所需要显示的全息图张数根据要产生的扭曲高斯谢尔模光束的具体参数来确定，如束腰，相干宽度等。
本发明公开了一种离轴双孔干涉测量扭曲相位方法，基于上述的离轴双孔干涉测量扭曲相位系统。
下面，对本发明中的技术方案进行理论解释：
经过离轴双孔的扭曲高斯谢尔模光束，在源平面处的采样光场：
其中ρ＝(ξ,η)，W(ρi,ρj)＝V(ρi)V*(ρj)表示扭曲高斯谢尔模光束，h(ρ)＝circ(ρ/a)是圆孔函数，a是圆孔半径，δ(ρ-ρn)表示第n个圆孔的位置，表示卷积；
经过公式(1)产生的远场干涉图的交叉谱密度函数表示为：
其中υ＝r/λf表示焦平面上的坐标，λ表示波长，f表示第三透镜的焦距。
当r1＝r2＝r时，远场干涉图交叉谱密度转化为光强：
其中表示圆孔函数的傅里叶变换，J1表示第一类贝塞尔函数，N表示孔径的个数。
将扭曲高斯谢尔模光束交叉谱密度用相干度表示：
其中I(ρn,ρn)＝In,I(ρm,ρm)＝Im表示第n和第m个圆孔的光强，μnm表示第n和第m个圆孔之间的相干度。
将公式(4)代入到公式(3)中，得到远场干涉图的光强：
将远场干涉图的光强写成干涉和衍射相加的形式：
对远场干涉图进行傅里叶变换：
其中Λ(ρ)表示圆孔函数的自相关。远场干涉图傅里叶变换后振幅谱对应峰值点的相位即扭曲相位。
相干度推导结果：
扭曲因子的推导结果：
其中α表示峰值点的相位。
下面，结合具体实施例对本发明做进一步说明与解释。
根据模式叠加法可知，可以用随机模叠加产生不同参数的扭曲高斯谢尔模光束，本发明选取要产生的扭曲高斯谢尔模光束参数为：束腰σx＝σy＝0.6mm，相干宽度δx＝δy＝0.6mm，扭曲因子μ0＝2.778mm-2，圆孔离轴距离y＝0.3mm，圆孔直径D＝0.3mm，两个圆孔中心点距离d＝0.5mm。激光器产生一束波长为λ＝532×10-9m的相干光，经过偏振片以及半波片后消除背景光，产生线偏振光，线偏振光经过扩束镜将光束扩宽后打到分束器上，分束器将线偏振光分成反射和透射两束光，并将反射光打到空间光调制器上，第一计算机与空间光调制器相连接，为了确保生成的扭曲高斯谢尔模光束与理论值一致，需要在空间光调制器上加载5000张全息图。经过离轴双孔的扭曲高斯谢尔模光束从空间光调制器输出后经过分束器，4f成像系统中的第一透镜(透镜焦距f＝150mm)，4f成像系统中的光阑，将实验所需要的正一级光斑滤出，再经过4f成像系统中的第二透镜(透镜焦距f＝150mm)，在第三透镜的焦平面上放置电荷耦合元件CCD，接受远场干涉图，再通过第二计算机对远场干涉图进行叠加合成，合成后进行傅里叶变换得到傅里叶谱的振幅谱和相位谱，从而得到扭曲相位。
为了验证实验结果是否与理论结果相符合，本发明用Matlab模拟了经过离轴双孔的扭曲高斯谢尔模光束在图二中得到的远场干涉图以及傅里叶谱的振幅谱图和相位谱图，并将理论与实验结果进行了拟合。
理论与实验结果拟合情况如下：
图2是是本发明优选实施例中离轴双孔干涉测量扭曲相位系统在理论(a-d)和实验(e-h)中产生的远场干涉图，傅里叶谱的振幅谱图和相位谱图。
图3是本发明优选实施例中离轴双孔干涉测量扭曲相位系统在理论和实验中产生的远场干涉图，傅里叶谱的振幅谱图和相位谱图的拟合图。其中，黑色实线和红色圆圈分别是理论和实验的结果，最终得到的扭曲因子值是2.74，验证了实验测量的扭曲相位和理论设计一致。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请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、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种离轴双孔干涉测量扭曲相位系统，其特征在于，包括：
激光发射组件，所述激光发射组件产生线偏振光；
分束器，所述分束器将线偏振光分解为反射光和透射光；
空间光调制组件，所述空间光调制组件包括第一计算机和空间光调制器，所述第一计算机在空间光调制器上加载经过离轴双孔的动态扭曲高斯谢尔模光束的全息图，所述反射光经空间光调制器获得离轴双孔的扭曲高斯谢尔模光束；
过滤组件，所述过滤组件对离轴双孔的扭曲高斯谢尔模光束进行过滤，获得第一级光斑；
光探测组件，所述光探测组件包括光探测器和第二计算机，所述光探测器采集第一级光斑图像，所述第二计算机每隔预设时间间隔获取第一级光斑图像，多张第一级光斑图像叠加合成远场干涉图；
所述第二计算机对远场干涉图进行傅里叶变换，获得傅里叶谱，所述傅里叶谱对应的峰值点处的相位即为所需测量的扭曲相位。
2.根据权利要求1所述的离轴双孔干涉测量扭曲相位系统，其特征在于，所述过滤组件包括第一透镜、光阑和第二透镜，所述第一透镜与空间光调制器之间的距离为f，所述第一透镜与光阑之间的距离为f，所述光阑与第二透镜之间的距离为f，其中，f为第一透镜和第二透镜的焦距。
3.根据权利要求2所述的离轴双孔干涉测量扭曲相位系统，其特征在于，所述空间光调制器与第一透镜分别位于分束器的两侧。
4.根据权利要求1所述的离轴双孔干涉测量扭曲相位系统，其特征在于，所述过滤组件与光探测组件之间设置有第三透镜，所述第三透镜将第一级光斑会聚至光探测器上。
5.根据权利要求1所述的离轴双孔干涉测量扭曲相位系统，其特征在于，所述激光发射组件包括激光器和偏振片和半波片，所述激光器发射激光，所述激光经偏振光形成线偏振光。
6.根据权利要求5所述的离轴双孔干涉测量扭曲相位系统，其特征在于，所述激光发射组件包括半波片，所述半波片用于调整线偏振光的旋转角度。
7.根据权利要求1所述的离轴双孔干涉测量扭曲相位系统，其特征在于，所述光探测器为电荷耦合器件。
8.根据权利要求1所述的离轴双孔干涉测量扭曲相位系统，其特征在于，所述激光发射组件与分束器之间设置有扩束镜。
9.根据权利要求1所述的离轴双孔干涉测量扭曲相位系统，其特征在于，所述空间光调制器上每隔预设时间加载全息图，每张所述全息图皆包含随机相位。
10.一种离轴双孔干涉测量扭曲相位方法，其特征在于，基于权利要求1-9任一项所述的离轴双孔干涉测量扭曲相位系统。
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CN120890562A (zh) * 2025-09-30 2025-11-04 苏州城市学院 基于相空间测量扭曲相位的方法及系统

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