基于泊松亮斑实验的随机光场相干结构的测量方法及系统

1.本发明属于相关技术领域，尤其涉及基于泊松亮斑实验的随机光场相干结构的测量方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.与光强、相位、偏振态等光学参量不同，光学空间相干结构是部分相干光束的特有属性之一，由随机电场的二阶统计特性描述。具有特定光学相干结构的部分相干光场已经被广泛的应用于光学相干层析成像、光通信、鬼成像、超分辨率光学成像等研究领域。空间相干结构是一个关于四维空间坐标的复值参量，包含振幅和相位(实部和虚部)，其绝对值大于0小于1。对于谢尔模型部分相干光束，其空间相干结构是关于位置差的二维结构，对于非谢尔模型部分相干光束(非均匀关联)，其二维空间相干结构与参考点的选取有关。近年来，利用随机光场的空间相干结构作为信息载体实现了对光学图像的高安全加密和远场鲁棒成像。这些研究进展均依靠于相干结构的精确测量技术。最为原始的相干结构测量方法是利用杨氏干涉实验中的两点之间的干涉条纹可见度和位移来分别决定其振幅和相位，要想完整的表征相干结构二维结构需要在光源处独立地扫描每个位置点，这无疑需要消耗大量的时间。后来，基于衍射方法的y形光栅、非冗余孔径阵列和基于干涉方法的波前折叠干涉仪、自参考法等测量技术也被提出。然而，这些测量方法需要特定的近似条件并且存在装置复杂，对光路准直和实验环境要求高，波长敏感等缺点。最近所提出的基于hanburybrown-twiss实验和广义hanbury brown-twiss实验测量空间相干结构可以完美地克服上述缺点，然而这种方法只适用于待测随机光场满足高斯统计的情况，并且这种方法需要拍摄大量的随机散斑进行统计计算，测量周期长，不适用于高速变化的随机光场。因此，如何对具有任意统计特性的部分相干光场的空间相干结构进行快速精确地测量仍然是一个挑战性的技术。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供基于泊松亮斑实验的随机光场相干结构的测量方法及系统，该方法对随机光场的统计特性没有要求，只需拍摄三组光强即可实时准确地计算出相干结构，此外该系统不需要额外的参考光路，可应对恶劣的环境条件。
5.为了实现上述目的，本发明的第一个方面提供基于泊松亮斑实验的随机光场相干结构的测量系统，采用如下技术方案：
6.激光器，用于发射线偏振光束；
7.扩束器，用于对所述激光器发射的线偏振光束进行扩束；
8.第一反射式相位型空间光调制器，用于对经过所述扩束器的光束进行调制；
9.光学成像系统，用于将经第一反射式相位型空间光调制器反射的调制光成像到第
二空间光调制器；
10.分束镜，用于将经第一反射式相位型空间光调制器反射的调制光成像到第一相机；
11.第二空间光调制器、第二相机分别位于第三凸透镜的前焦面和后焦面。
12.一个或多个实施例提供了基于泊松亮斑实验的随机光场相干结构的测量方法，采用上述基于泊松亮斑实验的随机光场相干结构的测量系统，包括：
13.获取待测光束在光源面被障碍物遮挡后的的光束在远场处的光强分布；
14.选择不同的障碍物的透过率函数；
15.基于不同的障碍物透过函数得到待测光束不同的远场光强；
16.根据不同的远场光强作差得到光强差；
17.基于所得到的光强差计算空间相干结构。
18.本发明的有益效果是：
19.本发明所提出的系统和方法对随机光场的统计特性没有要求，只需拍摄三组光强即可实时准确地计算出相干结构，此外该系统不需要额外的参考光路，可应对恶劣的环境条件。
附图说明
20.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
21.图1是本发明实施例一中基于泊松亮斑实验的随机光场相干结构的测量系统示意图；
22.图2(a)为本发明实施例二中具有高斯统计特性的部分相干谢尔模源实验上拍摄的随机光场示意图；
23.图2(b)为本发明实施例二中具有高斯统计特性的部分相干谢尔模源实验测量的概率密度函数曲线示意图；
24.图2(c)为本发明实施例二中具有高斯统计特性的部分相干谢尔模源实验测量的空间相干结构的实部；
25.图2(d)为本发明实施例二中具有高斯统计特性的部分相干谢尔模源实验测量的空间相干结构的虚部；图2(e)为本发明实施例二中具有非高斯统计特性的部分相干谢尔模源实验上拍摄的随机光场示意图；图2(f)为本发明实施例二中具有非高斯统计特性的部分相干谢尔模源实验测量的概率密度函数曲线示意图；图2(g)为本发明实施例二中具有非高斯统计特性的部分相干谢尔模源实验测量的空间相干结构的实部；图2(h)为本发明实施例二中具有非高斯统计特性的部分相干谢尔模源实验测量的空间相干结构的虚部；图3(a)为本发明实施例二中障碍物位于r0＝(0mm，0mm)仿真中位置实部示意图；图3(b)为本发明实施例二中障碍物位于r0＝(0mm，0mm)仿真中位置虚部示意图；
图3(c)为本发明实施例二中障碍物位于r0＝(0mm，0mm)实验中位置实部示意图；图3(d)为本发明实施例二中障碍物位于r0＝(0mm，0mm)位置实验中虚部示意图；图3(e)本发明实施例二中障碍物位于r0＝(1mm，0mm)仿真中位置实部示意图；图3(f)本发明实施例二中障碍物位于r0＝(1mm，0mm)仿真中位置虚部示意图；图3(g)本发明实施例二中障碍物位于r0＝(1mm，0mm)实验中位置实部示意图；图3(h)本发明实施例二中障碍物位于r0＝(1mm，0mm)实验中位置虚部示意图。
具体实施方式
26.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
27.实施例一
28.实施例一
29.如图1所示，本实施例提供一种基于泊松亮斑实验的随机光场相干结构的测量系统，包括：
30.激光器，用于发射线偏振光束；
31.扩束器，用于对激光器发射的线偏振光束进行扩束；
32.第一反射式相位型空间光调制器，用于对经过扩束器的光束进行调制；
33.光学成像系统，用于将经第一反射式相位型空间光调制器反射的调制光成像到第二空间光调制器；
34.分束镜，用于将经第一反射式相位型空间光调制器反射的调制光成像到第一相机；
35.第二空间光调制器、第二相机分别位于第三凸透镜的前焦面和后焦面。
36.在本实施例中，如图1所示，包括具有特定空间相干结构部分相干光场的实验生成即第一部分和实验测量即第2部分。
37.在本实施例的第一部分中，波长λ＝632.8nm的线偏振光束从he-ne激光器出射经扩束器扩束后均匀照射到第一反射式相位型空间光调制器，因为相位型空间光调制器只对入射为水平偏振的光具有调制作用，因此通过旋转半波片以确保空间光调制器上的入射光束具有水平偏振方向。
38.在本实施例的试验装置中，使用随机模式和伪模式叠加原理来生成具有特定空间相干结构和统计特性的随机光场。如图2(a)所示，每个模式可以通过全息图的方式加载到第一反射式相位型空间光调制器上，第一反射式相位型空间光调制器反射的调制光经由第一凸透镜和第二凸透镜组成的4f光学成像系统和分束器之后分别成像到第二空间光调制器和第一相机，其中，位于第一凸透镜和第二凸透镜中间的狭缝用于选取1级衍射光。在此光学系统中，第二空间光调制器和第一相机所在处的随机光场是相同的。
39.如图1所示，第二空间光调制器和第一相机所在平面均为待测随机光场的光源面。图1中标注为b的小图为相机1所拍摄的瞬时随机光场的光强，其中的阴影区域为第二空间光调制器上所加载的一个障碍物。
40.在本实施例的第2部分，是对该随机光场进行泊松亮斑实验，在第二空间光调制器
上加载障碍物全息图，调制之后的待测随机光场透过分束器和第三凸透镜到达第二相机。其中，第二空间光调制器和第二相机分别位于第三凸透镜的前焦面和后焦面，第三凸透镜的焦距为25cm。第二相机之前的狭缝即靠近第二相机，能够把第一级衍射光斑过滤出来即可，用来选取经第二空间光调制器调制的一级衍射光强。因此该测量系统的响应函数满足：
41.h(r,u)＝exp(-i2πu
·
r/λf) (1)
42.其中，r和u分别为第二空间光调制器和第二相机所在平面矢量位置坐标，λ为波长，f为第三凸透镜焦距。
43.通过刷新第二空间光调制上的障碍物oi(r)(i＝1,2,3)可分别获得三个远场光强ii(u)(i＝1,2,3)，进而计算得到测量的空间相干结构分布。
44.实施例二
45.本实施例提供基于泊松亮斑实验的光学空间相干结构的测量方法，包括：
46.获取待测光束在光源面被障碍物遮挡后的的光束在远场处的光强分布；
47.选择不同的障碍物的透过率函数；
48.基于不同的障碍物透过函数得到待测光束不同的远场光强；
49.根据不同的远场光强作差得到光强差；
50.基于所得到的光强差计算空间相干结构。
51.在本实施例中，在空间-频率域中，对于一个准单色、统计稳定的标量随机电场e(r)，其二阶统计特性可以由交叉谱密度函数来描述：
52.w(r1,r2)＝《e(r1)e*(r2)》
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
53.其中rj(j＝1,2)是待测光源所在平面处的任意空间位置矢量，星号和角括号分别表示复共轭和系宗平均。公式(2)可以写成如下形式：
54.w(r1,r2)＝τ(r1)τ
*
(r1)γ(r1,r2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
55.其中τ(r)和γ(r1,r2)分别表示待测部分相干光束的振幅和空间相干结构。
56.在本实施例中，采用改进的泊松亮斑实验，其中待测光束在光源面处被障碍物阻挡，遮挡后的光束在远场处的光强分布可以利用惠更斯-菲涅耳衍射积分来表示：
57.i(u)＝∫∫γ(r1,r2)o(r1)o
*
(r2)h(r1,u)h
*
(r2,u)d2r1d2r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
58.其中u为远场观察面的位置坐标。o(r)和h(r,u)分别表示障碍物的透射函数和光学系统的响应函数。
59.为了精确恢复待测光束空间相干结构γ(r1,r2)，分别选择障碍物的透过率函数为o1(r)＝1-q(r-r0)，o2(r)＝exp(iπ)-q(r-r0)和o3(r)＝exp(iπ2)-q(r-r0)，其中q(r-r0)表示中心位置在r0处的障碍物的形状。
60.由公式(4)可以分别得到到三个远场光强ii(u)，其中i＝1，2，3。将光强i2(u)减去光强i1(u)可得光强差为：
61.δi
21
(u)＝i2(u)-i1(u)＝4re[λ(u)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0062]
同样地，将光强i3(u)减去光强i1(u)可得光强差为：
[0063]
δi
31
(u)＝i3(u)-i1(u)＝2re[λ(u)]-2im[λ(u)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0064]
其中，
[0065]
λ(u)＝∫∫γ(r1,r2)q(r
1-r0)h(r1,u)h*(r2,u)d2r1d2r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0066]
符号re[]和im[]分别表示取实部和虚部的运算。通过公式(5)～(7)的简单计算，
可以得到：
[0067]
λ(u)＝δi
21
/4+i(δi
21
/4-δi
31
/2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0068]
在我们的光学系统中，观察平面位于远场处，故系统的响应函数为h(r,u)＝exp(-i2πu
·
r)。对公式(7)等号两边分别做傅里叶变换可得：
[0069][0070]
其中波浪线符号表示二维傅里叶变换运算。从公式(8)和(9)可知，可以根据加载不同障碍物得到的三个光强和障碍物来计算得出空间相干结构γ(r1,r2)。
[0071]
对于谢尔模型随机光场，其相干结构是一个关于位置差的函数，即γ(r',r+r')＝γ(r)。因此，这种情况下，公式(9)可以进一步化简为：且测量结果与障碍物的位置、形状和大小没有关系。
[0072]
根据非谢尔模型源的定义，其空间相干结构与参考点的选取位置有关。因此将障碍物选为位于r0处的一个狄拉克点，在此情况下，非谢尔模型源的相干结构可以通过公式(9)得到：发现相干结构与障碍物的位置r0有关。
[0073]
图2为实验上对具有不同统计特性的部分相干谢尔模源空间相干结构的测量结果。图2(a)～图2(d)具有高斯统计特性的部分相干谢尔模源，图2(e)～图2(h)具有非高斯统计特性的部分相干谢尔模源。图2(a)和图2(e)实验上拍摄的随机光场，图2(b)和图2(f)实验测量的概率密度函数曲线，图2(c)～图2(d)和图2(g)～图2(h)实验测量的空间相干结构的实部和虚部。
[0074]
如图2所示为利用该方法和系统测量的实验结果，其中图2(a)～图2(d)为利用随机模式产生的部分相干谢尔模光束，其瞬时光强和对应的概率密度函数如图2(a)和图2(b)所示，可见该部分相干谢尔模源满足高斯统计。图2(e)～图2(f)为利用伪模式产生的部分相干谢尔模光束，其瞬时光强和对应的概率密度函数如图2(e)和图2(f)所示，可见该部分相干谢尔模源满足非高斯统计。两种情况下用该方法实验测量的空间相干结构的实部和虚部分别于图2(c)～图2(d)和图2(g)～图2(h)所示，虽然两者的统计特性不同，但测量结果是一致的，说明该方法适用于具有不同统计特性的部分相干光束。
[0075]
如图3所示，利用该方法和系统测量了具有非均匀关联结构的部分相干光束，其中图3(a)～图3(d)为障碍物位于r0＝(0mm，0mm)位置，图3(e)～图3(f)为障碍物位于r0＝(1mm，0mm)位置。可以发现，其空间相干结构的实部和虚部都与参考点r0的选取有关，说明该部分相干结构光束具有非均匀空间关联结构。
[0076]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.基于泊松亮斑实验的光学空间相干结构的测量系统，其特征在于，包括：激光器，用于发射线偏振光束；扩束器，用于对所述激光器发射的线偏振光束进行扩束；第一反射式相位型空间光调制器，用于对经过所述扩束器的光束进行调制；光学成像系统，用于将经第一反射式相位型空间光调制器反射的调制光成像到第二空间光调制器；分束镜，用于将经第一反射式相位型空间光调制器反射的调制光成像到第一相机；第二空间光调制器、第二相机分别位于第三凸透镜的前焦面和后焦面。2.如权利要求1所述的基于泊松亮斑实验的光学空间相干结构的测量系统，其特征在于，在所述激光器和所述扩束镜之间设置有半波片，调整所述半波片使所述第一反射式相位型空间光调制器上的入射光束为水平偏振方向。3.如权利要求1所述的基于泊松亮斑实验的光学空间相干结构的测量系统，其特征在于，所述成像系统包括第一凸透镜和第二凸透镜，在所述第一凸透镜和第二凸透镜之间具有狭缝，用于提取1级衍射光。4.如权利要求3所述的基于泊松亮斑实验的光学空间相干结构的测量系统，其特征在于，所述第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜的焦距均为25cm。5.基于泊松亮斑实验的光学空间相干结构的测量方法，采用上述权利要求1-4任一项所述的基于泊松亮斑实验的光学空间相干结构的测量系统，其特征在于，包括：获取待测光束在光源面被障碍物遮挡后的的光束在远场处的光强分布；选择不同的障碍物的透过率函数；基于不同的障碍物透过函数得到待测光束不同的远场光强；根据不同的远场光强作差得到光强差；基于所得到的光强差计算空间相干结构。6.如权利要求5所述的基于泊松亮斑实验的光学空间相干结构的测量方法，其特征在于，待测光束在光源面被障碍物遮挡后的的光束在远场处的光强分布利用惠更斯-菲涅耳衍射积分来表示为：i(u)＝∫∫γ(r1,r2)o(r1)o
*
(r2)h(r1,u)h
*
(r2,u)d2r1d2r2其中，u为远场观察面的位置坐标。o(r)和h(r,u)分别表示障碍物的传输函数和光学系统的响应函数，γ(r1,r2)为待测光束空间相干结构，r
j
(j＝1,2)是待测光源所在平面处的任意空间位置矢量，星号表示复共轭。7.如权利要求6所述的基于泊松亮斑实验的光学空间相干结构的测量方法，其特征在于，所选取的障碍物的透过率函数分别为：o1(r)＝1-q(r-r0)o2(r)＝exp(iπ)-q(r-r0)o3(r)＝exp(iπ/2)-q(r-r0)其中，q(r-r0)表示中心位置在r0处的障碍物的形状。8.如权利要求7所述的基于泊松亮斑实验的光学空间相干结构的测量方法，其特征在于，根据不同的远场光强作差得到光强差，其中，光强i2(u)减去光强i1(u)可得光强差为：δi
21
(u)＝i2(u)-i1(u)＝4re[λ(u)]
光强i3(u)减去光强i1(u)可得光强差为:δi
31
(u)＝i3(u)-i1(u)＝2re[λ(u)]-2im[λ(u)]其中，λ(u)＝∫∫γ(r1,r2)q(r
1-r0)h(r1,u)h
*
(r2,u)d2r1d2r2，符号re[]和im[]分别表示取实部和虚部的运算。9.如权利要求8所述的基于泊松亮斑实验的光学空间相干结构的测量方法，其特征在于，对于谢尔模型随机光场，相干结构是一个关于位置差的函数，即μ(r',r+r')＝μ(r)，即：于，对于谢尔模型随机光场，相干结构是一个关于位置差的函数，即μ(r',r+r')＝μ(r)，即：其中，波浪线符号表示二维傅里叶变换运算。10.如权利要求8所述的基于泊松亮斑实验的光学空间相干结构的测量方法，其特征在于，对于非谢尔模型源，将障碍物选为位于r0处的一个狄拉克点，则相关结构的获取公式为：

技术总结
本发明提供基于泊松亮斑实验的光学空间相干结构的测量方法及系统，该方法对随机光场的统计特性没有要求，只需拍摄三组光强即可实时准确地计算出相干结构，此外该系统不需要额外的参考光路，可应对恶劣的环境条件。可应对恶劣的环境条件。可应对恶劣的环境条件。


技术研发人员：刘欣 蔡阳健 梁春豪
受保护的技术使用者：山东师范大学
技术研发日：2022.12.21
技术公布日：2023/10/7