利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法

摘要

本发明公开了一种利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，包括以下步骤：搭建测试光路；转动四分之一波片，使其快轴与参考光的偏振方向一致，获得第一合束光，利用光探测器拍摄并记录第一合束光的光强分布信息；转动四分之一波片，使其慢轴与参考光的偏振方向一致，获得第二合束光，利用光探测器拍摄并记录第二合束光的光强分布信息；遮挡住参考光，利用光探测器拍摄并记录待测光的光强分布信息；遮挡住待测光，利用光探测器拍摄并记录参考光的光强分布信息；计算获得待测光源的复相干度振幅和相位。其能够实现随机光场的复相干度振幅和相位的快速、高分辨率测量。

权利要求

1.一种利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：搭建测试光路，所述测试光路包括：四分之一波片、分束镜、聚光元件和光探测器，使用激光作为参考光，所述参考光经四分之一波片调制后入射至分束镜，同时待测光入射至分束镜，所述分束镜将调制后的参考光和待测光合束，获得合束光，所述合束光经聚光元件在光探测器上成像；

转动四分之一波片，使其快轴与参考光的偏振方向一致，获得第一合束光，利用光探测器拍摄并记录第一合束光的光强分布信息转动四分之一波片，使其慢轴与参考光的偏振方向一致，获得第二合束光，利用光探测器拍摄并记录第二合束光的光强分布信息遮挡住参考光，利用光探测器拍摄并记录待测光的光强分布信息I(r)；

遮挡住待测光，利用光探测器拍摄并记录参考光的光强分布信息Sr(r)；

计算获得待测光源的复相干度振幅和相位，具体包括以下步骤：S61、计算第一合束光的光强分布信息 和第二合束光的光强分布信息 的互关联Gs(1,2)(r1,r2)；

S62、计算参考光和待测光相加后的互相关GB(1,2)(r1,r2)；

S63、计算Gs(1,2)(r1,r2)和GB(1,2)(r1,r2)两个互相关的差值ΔG(1,2)(r1,r2,Δφ)；

S64、分析两个互相关的差值ΔG(1,2)(r1,r2,Δφ)，获得待测光的复相干度的振幅和相位。

2.如权利要求1所述的利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，其特征在于，所述S61具体包括：根据空间-频率域中的二阶相干矩阵，待测光的二阶统计特性由交叉谱密度函数表示为：W(r1,r2)＝  (1)其中E(r)表示在空间r点处的随机电场，上标星号表示复共轭，尖括号表示系综平均；

此时，空间r1和r2两点间的空间复相干度可以定义为：其中S(r)＝W(r,r)＝表示随机光场在空间r点处的平均光强；

在所述“转动四分之一波片，使其快轴与参考光的偏振方向一致”中，经四分之一波片调制获得的参考光的电场记为 在所述“转动四分之一波片，使其慢轴与参考光的偏振方向一致”，经四分之一波片调制获得的参考光的电场记为 而待测光的电场记为E(r)；

则电场 和 之间存在 的相位差，即：

其中，Arg表示取复函数的相位；

则第一合束光的电场ES(1)(r)和第二合束光的电场ES(2)(r)表述如下：而第一合束光的光强分布信息 和第二合束光的光强分布信息 的互关联为：

根据高斯统计定理，将公式(1)至公式(5)代入至公式(6)，获得：

3.如权利要求2所述的利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，其特征在于，所述S62具体包括：

4.如权利要求3所述的利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，其特征在于，所述S63具体包括：

5.如权利要求4所述的利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，其特征在于，所述S64具体包括：对于ΔG(1,2)(r1,r2,Δφ)，取Δφ分布为0和 同时根据公式(2)，得到复相干度的实部与虚部：上式中Im表示复函数的虚部，通过公式(10)和公式(11)得到待测光的复相干度的振幅和相位。

6.如权利要求1所述的利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，其特征在于，所述光探测器为CCD或CMOS。

7.如权利要求1所述的利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，其特征在于，所述参考光由氦氖激光器发出。

说明书

利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光场测量技术领域，具体涉及一种利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法。

背景技术

[0002] 由于自然界中的随机涨落，任何光场或多或少都伴随着光强、相位、偏振等物理参量的随机涨落，这种随机光场往往也被称为部分相干光场。部分相干光场与传统的完全相干光场相比具有更加丰富的自由度，比如时空相干性以及相干结构分布。近十几年的研究发现，对部分相干光场相干结构调控，可以产生诸如自分裂、自整形、自修复等新颖物理效应，从而使得新型相干结构分布的部分相干光束在微纳操控、复杂系统光通讯、特种光成像等领域中具有重要应用。对于随机光场，光场的空间相干性是电磁波的一个基础属性，它在理解经典与量子光波的干涉、传输以及与物质相互作用过程中起到至关重要的作用。光场的空间相干性是描述光场在空间中两点或者多点之间的空间关联程度，如果关联程度越高，那么光场的空间相干性也就越好，反之关联程度越低，空间相干性越差。上世纪五六十年代，Wolf等人提出了定量描述随机光场空间相干性的方法，他给出了空间相干度的定义。在该定义下，空间相干度是一个复函数，它的绝对值介于0到1之间。空间相干度等于0说明此时空间两点之间没有任何关联，而空间相干度等于1，说明此时两点之间完全关联。以往研究的部分相干光场相干结构调控，大部分都是对相干度的振幅进行调控。

[0003] 目前研究人员已经提出了多种测量随机光场复相干度的方法。这些方法可以分为光场干涉法和强度关联法。其中光场干涉法是指将待测光场一分为二，再经过相干叠加，形成干涉条纹，最后从干涉条纹中恢复待测光场复相干度信息。最为经典的方法是杨氏双缝干涉法，该方法将待测光通过两个具有一定间隔的圆形小孔,再通过测量远场或者透镜聚焦平面的干涉条纹分布，恢复出初始入射随机光场复相干度。复相干度的振幅信息可以通过计算干涉条纹的可见度得到，而复相干度的相位信息可以通过两次测量干涉条纹的相对位移反推出来。不过该方案在实际应用中具有两个关键的缺陷，第一个缺陷是该方案在测量光场二维相干度分布时，需要测量大量不同间隔的双孔远场干涉条纹，非常耗时。第二个缺陷是为了保证测量出来的相干度的空间分辨率，小孔的开口尺寸一般非常小，从而限制了系统的光效率，增加了测量过程中的误差。对于光场强度关联法，其只能直接测量复相干度振幅，相位信息在测量过程中丢失，且在后期恢复相位信息非常耗时。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，其能够实现随机光场的复相干度振幅和相位的快速、高分辨率测量。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，包括以下步骤：

[0006] 搭建测试光路，所述测试光路包括：四分之一波片、分束镜、聚光元件和光探测器，使用激光作为参考光，所述参考光经四分之一波片调制后入射至分束镜，同时待测光入射至分束镜，所述分束镜将调制后的参考光和待测光合束，获得合束光，所述合束光经聚光元件在光探测器上成像；

[0007] 转动四分之一波片，使其快轴与参考光的偏振方向一致，获得第一合束光，利用光探测器拍摄并记录第一合束光的光强分布信息 ；

[0008] 转动四分之一波片，使其慢轴与参考光的偏振方向一致，获得第二合束光，利用光探测器拍摄并记录第二合束光的光强分布信息

[0009] 遮挡住参考光，利用光探测器拍摄并记录待测光的光强分布信息I(r)；

[0010] 遮挡住待测光，利用光探测器拍摄并记录参考光的光强分布信息Sr(r)；

[0011] 计算获得待测光源的复相干度振幅和相位。

[0012] 作为优选的，所述“计算获得待测光的复相干度振幅和相位”，具体包括以下步骤：

[0013] S61、计算第一合束光的光强分布信息 和第二合束光的光强分布信息的互关联Gs(1,2)(r1,r2)；

[0014] S62、计算参考光和待测光相加后的互相关GB(1,2)(r1,r2)；

[0015] S63、计算Gs(1,2)(r1,r2)和GB(1,2)(r1,r2)两个互相关的差值ΔG(1,2)(r1,r2,Δφ)；

[0016] S64、分析两个互相关的差值ΔG(1,2)(r1,r2,Δφ)，获得待测光的复相干度的振幅和相位。

[0017] 作为优选的，，所述S61具体包括：。

[0018] 根据空间-频率域中的二阶相干矩阵，待测光的二阶统计特性由交叉谱密度函数表示为：

[0019] W(r1,r2)＝   (1)

[0020] 其中E(r)表示在空间r点处的随机电场，上标星号表示复共轭，尖括号表示系综平均；此时，空间r1和r2两点间的空间复相干度可以定义为：

[0021]

[0022] 其中S(r)＝W(r,r)＝表示随机光场在空间r点处的平均光强；

[0023] 在所述“转动四分之一波片，使其快轴与参考光的偏振方向一致”中，经四分之一波片调制获得的参考光的电场记为 在所述“转动四分之一波片，使其慢轴与参考光的偏振方向一致”，经四分之一波片调制获得的参考光的电场记为 而待测光的电场记为E(r)；

[0024] 则电场 和 之间存在 的相位差，即：

[0025]

[0026] 其中，Arg表示取复函数的相位；

[0027] 则第一合束光的电场ES(1)(r)和第二合束光的电场ES(2)(r)表述如下：

[0028]

[0029]

[0030] 而第一合束光的光强分布信息 和第二合束光的光强分布信息 的互关联为：

[0031]

[0032] 根据高斯统计定理，将公式(1)至公式(5)代入至公式(6)，获得：

[0033]

[0034] 作为优选的，所述S62具体包括：

[0035]

[0036] 作为优选的，，所述S63具体包括：

[0037]

[0038] 作为优选的，所述S64具体包括：

[0039] 对于ΔG(1,2)(r1,r2,Δφ)，取Δφ分布为0和 同时根据公式(2)，得到复相干度的实部与虚部：

[0040]

[0041]

[0042] 上式中Im表示复函数的虚部，通过公式(10)和公式(11)得到待测光的复相干度的振幅和相位。

[0043] 作为优选的，所述光探测器为CCD或CMOS。

[0044] 作为优选的，所述参考光由氦氖激光器发出。

[0045] 本发明的有益效果：

[0046] 1、本发明提出了一种利用光强互关联实现随机光场的复相干度振幅和相位的快速、高分辨率测量。

[0047] 2、本发明提出的方法不存在小孔衍射元件，因此本方法的测量系统具有高光效率。

[0048] 3、本发明利用随机光场强度互关联的方法，不仅能够测量出随机光场的振幅分布，而且能够测量出随机光场的相位分布，空间分辨率高。

[0049] 4、本发明中的测量方案属于汉伯里布朗特维斯型实验，高阶关联具有抗湍流的鲁棒特性。

附图说明

[0050] 图1为本发明的测试光路的结构示意图；

[0051] 图2为本发明的流程示意图。

[0052] 图中标号说明：1、待测光源；2、参考光源；3、四分之一波片；4、分束镜；5、聚光元件；6、光探测器；7、计算机；8、反射镜。

具体实施方式

[0053] 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。

[0054] 参照图1-图2所示，本发明的公开了一种利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，以下步骤：

[0055] S1、搭建测试光路，所述测试光路包括：四分之一波片3、分束镜4、聚光元件5和光探测器6，使用激光作为参考光，参考光源2发射出参考光；参考光经四分之一波片调制后入射至分束镜4，同时待测光源1发出待测光，待测光入射至分束镜4，所述分束镜4将调制后的参考光和待测光合束，获得合束光，所述合束光经聚光元件5在光探测器6上成像。聚光元件5可以为薄透镜。其中，为了使得参考光和待测光皆射在分束镜4上，在参考光或待测光的入射光路中可添加反射镜8，从而调节光路的方向。光探测器6与计算机7连接，计算机7储存光探测器6的采集信息，并进行计算。其中，待测光为随机光。

[0056] S2、转动四分之一波片3，使其快轴与参考光的偏振方向一致，获得第一合束光，利用光探测器拍摄并记录第一合束光的光强分布信息

[0057] S3、转动四分之一波片3，使其慢轴与参考光的偏振方向一致，获得第二合束光，利用光探测器拍摄并记录第二合束光的光强分布信息

[0058] S4、遮挡住参考光，即遮挡使得参考光不会到达分束镜上，此时待测光未被遮挡，利用光探测器拍摄并记录待测光的光强分布信息I(r)。

[0059] S5、遮挡住待测光，即遮挡使得待测光不会到达分束镜上，此时参考光未被遮挡，利用光探测器拍摄并记录参考光的光强分布信息Sr(r)。

[0060] S6、计算获得待测光源的复相干度振幅和相位。

[0061] 所述“计算获得待测光的复相干度振幅和相位”，具体包括以下步骤：

[0062] S61、计算第一合束光的光强分布信息 和第二合束光的光强分布信息的互关联Gs(1,2)(r1,r2)，具体如下：

[0063] 根据Wolf等人提出的空间-频率域中的二阶相干矩阵定义，待测光的二阶统计特性(包含其相干性)可以由交叉谱密度函数表示为：

[0064] W(r1,r2)＝   (1)

[0065] 其中E(r)表示在空间r点处的随机电场，上标星号表示复共轭，尖括号表示系综平均；此时，空间r1和r2两点间的空间复相干度可以定义为：

[0066]

[0067] 其中S(r)＝W(r,r)＝表示随机光场在空间r点处的平均光强；

[0068] 在所述“转动四分之一波片，使其快轴与参考光的偏振方向一致”中，经四分之一波片调制获得的参考光的电场记为 在所述“转动四分之一波片，使其慢轴与参考光的偏振方向一致”，经四分之一波片调制获得的参考光的电场记为 而待测光的电场记为E(r)；

[0069] 由于 是四分之一波片的快轴与偏振方向重合获得的参考光的电场，而是四分之一波片的慢轴与偏振方向重合获得的参考光电场，所以电场 和之间存在 的相位差，即：

[0070]

[0071] 其中，Arg表示取复函数的相位；

[0072] 则第一合束光的电场ES(1)(r)和第二合束光的电场ES(2)(r)表述如下：

[0073]

[0074]

[0075] 而第一合束光的光强分布信息 和第二合束光的光强分布信息 的互关联为：

[0076]

[0077] 根据高斯统计定理，将公式(1)至公式(5)代入至公式(6)，获得：

[0078]

[0079] 其中的Re表示取复函数的实部。我们发现光强互关联 与参考光路相位差Δφ有关，并且待测光的相干度振幅和相位信息也包含在 中。例如：当Δφ＝0时，公式(7)中的最后一项中包括了复相干度的实部信息；当 时，公式(7)中的最后一项中包括了复相干度的虚部信息。也就是说我们可以控制两参考光路的相位差来获得复相干度的实部虚部信息，从而获得随机光场的复相干度振幅和相位。此外，从公式(7)中我们发现光强互关联函数中包含了背景项。

[0080] 为了去除背景项，我们引入参考光与待测光的非相干叠加的光强互相关，即S62。

[0081] S62、计算参考光和待测光的互相关GB(1,2)(r1,r2)；

[0082]

[0083] S63、计算Gs(1,2)(r1,r2)和GB(1,2)(r1,r2)两个互相关的差值ΔG(1,2)(r1,r2,Δφ)；

[0084]

[0085] S64、分析两个互相关的差值ΔG(1,2)(r1,r2,Δφ)，获得待测光的复相干度的振幅和相位。

[0086] 对于ΔG(1,2)(r1,r2,Δφ)，取Δφ分布为0和 同时根据公式(2)，得到复相干度的实部与虚部：

[0087]

[0088]

[0089] 上式中Im表示取复函数的虚部，通过公式(10)和公式(11)得到待测光的复相干度的振幅和相位。

[0090] 本发明中，光探测器为CCD或CMOS。本实施例中，使用的CCD为Point Grey公司研发的型号为Grasshopper GRAS-20S4M专业相机，具体参数为水平分辨率1624，垂直分辨率1224，帧频/行频30fps。CCD与安装有Point Grey公司提供的名为Point Grey的软件的计算机相连，上述软件用来观察以及保存CCD接收的图像信息。CCD连接到电脑之后，打开Point Grey软件记录并保存CCD接收的图像信息。

[0091] 本发明中，参考光由氦氖激光器发出，氦氖激光器产生一束波长为632.8纳米的完全相干线偏振光。

[0092] 而待测光可以由专利号CN201410399805.8中方案制备。

[0093] 以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。