一种非瑞利散斑生成及演化的装置和方法

技术领域

本发明属于光场调控领域，具体为一种非瑞利散斑生成及演化的装置和方法。

背景技术

当激光照射在毛玻璃、生物组织等散射介质表面时，其反射光为对比度高且尺寸细微的散斑图样，实际上这是散射光相互干涉的结果。因此散斑不仅仅出现在光波中，还在声波、微波、X射线以及物质波中被广泛地观察到。尽管散斑出现在不同的场景中，但是其几乎都有一个共同的统计性质：散斑场的振幅服从瑞利分布，光强服从负指数分布。散斑图样通常呈现瑞利统计的原因是：散斑场是由大量振幅和相位相互独立的分量相加而成，且相位在0～2π范围内均匀分布。近些年来，非瑞利散斑成为研究者关注的热点之一，其被应用于结构光成像：动态散斑照明显微镜、超分辨率成像以及作为高阶鬼成像的光源。

常用的生成非瑞利散斑的方法是让激光照射到加载特定相位图样的空间光调制器上，通过透镜后聚焦到CCD相机得到非瑞利散斑。这种方法得到的是聚焦到透镜的傅里叶平面的非瑞利散斑，然而在实际情况中，常常需要探究非瑞利散斑在空间中传播的情况，不然就无法确定传播后的散斑是否还保留原来的性质。常用的方法中各个器件的位置相对于固定，移动器件的位置容易破坏光路的稳定性和准确性，从而无法得到准确的非瑞利散斑在空间中传播的情况。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种非瑞利散斑生成及演化的装置和方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种非瑞利散斑生成及演化的装置，包括激光光源、偏振片、扩束器、第一分束镜、第一光阑、第二分束镜、空间光调制器、第一透镜、第二光阑、第二透镜、轴向扫描系统、第三透镜、光电探测器、计算机，其中：

所述激光光源发出的激光由偏振片校正偏振态，以适应空间光调制器的要求；激光经过扩束器进行准直扩束，扩束后的激光经过第一分束镜、第一光阑、第二分束镜后照射到空间光调制器上进行调制，调制后的光束重新经过第二分束镜继续向前传播；经过第一透镜，第二光阑允许光束经过调制后的第一衍射级通过，经过第二透镜、轴向扫描系统、第三透镜后被光电探测器所接收，所述计算机用于控制空间光调制器和采集散斑数据。

优选地，所述轴向扫描系统包括第一显微镜和第二显微镜以及位移台，所述位移台用于调节第二显微镜至第一显微镜距离。

优选地，所述激光光源为连续型激光器。

优选地，所述空间光调制器为纯相位型空间光调制器。

优选地，所述第二光阑允许光束经空间光调制器调制后的+1衍射级或者-1衍射级通过。

本发明还公开了一种非瑞利散斑生成及演化的方法，具体步骤为：

步骤1、构建如权利要求1～5任一所述的非瑞利散斑生成及演化的装置；

步骤2、使用空间光调制器加载生成非瑞利散斑所需的相位；

步骤3、激光光源发射光源，第二光阑允许光束经过调制后的第一衍射级通过，利用光电探测器接收非瑞利散斑图样；

步骤4、通过调节位移台调节第二显微镜至第一显微镜距离，重复步骤3，完成非瑞利散斑演化过程的图像采集。

优选地，当需要生成超瑞利散斑时，在空间光调制器上加载一个具有相关性像素的相位矩阵，所述相位矩阵Φ

式中，E

优选地，当需要生成亚瑞利散斑时，加载在空间光调制器的相位矩阵Φ

S1：获取瑞利散斑场的相位作为初始迭代的光场g；

S2：对光场g进行傅里叶变换获得G＝fft(g)，固定G的振幅为

S3：对G

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明的光路搭建简单，非瑞利散斑中超瑞利散斑和亚瑞利散斑的生成只需一套光路，稳定性高；

(2)本发明生成非瑞利散斑所花费的时间极短，在设计好相关的相位之后，加载在空间光调制器上的几秒之内就能获得所需的非瑞利散斑图样；

(3)本发明实现了对非瑞利散斑在空间中传播的演化的研究，且光路易于调节。

附图说明

图1是一种非瑞利散斑生成及演化的装置示意图。

图2是生成非瑞利散斑时加载在空间光调制器上的相位。

图3是非瑞利散斑在空间中传播时的演化图。

具体实施方式

如图1所示，一种非瑞利散斑生成及演化的装置，包括激光光源1、偏振片2、扩束器3、第一分束镜4、第一光阑5、第二分束镜6、空间光调制器7、第一透镜8、第二光阑9、第二透镜10、轴向扫描系统11、第三透镜12、光电探测器13、计算机14。其中：

所述激光光源1发出的激光由偏振片2校正偏振态，以适应空间光调制器7的要求；随后校正后的激光经过扩束器3进行准直扩束，扩束后的激光经过第一分束镜4、第一光阑5、第二分束镜6后照射到空间光调制器7上进行调制，调制后的光束重新经过第二分束镜6传播；经过第一透镜8之后，第二光阑9允许光束经过调制后的第一衍射级通过，然后经过第二透镜10、轴向扫描系统11、第三透镜12后被光电探测器13所接收。

进一步的实施例中，所述轴向扫描系统11包括第一显微镜11-1和第二显微镜11-2以及位移台11-3，通过调节位移台11-3可以使第二显微镜11-2远离第一显微镜的后焦点11-1，从而研究非瑞利散斑的演化过程。

进一步的实施例中，所述激光光源1为连续型激光器，发出的光束是连续的可见激光。

进一步的实施例中，所述空间光调制器7为纯相位型空间光调制器。

进一步的实施例中，所述第二光阑9只允许光束经空间光调制器调制后的+1衍射级或者-1衍射级通过。

一种非瑞利散斑生成及演化的方法，具体步骤为：

步骤1、搭建非瑞利散斑生成及演化的装置；

步骤2、使用空间光调制器7加载生成非瑞利散斑所需的相位，调节光阑使得被调制光束的+1衍射级通过后面的光学元件，最终由光电探测器12来接收非瑞利散斑图样；

步骤3、通过调节位移台11-3移动到不同的位置，并由光电探测器12接收相应的散斑图样，完成测量后位移台恢复原位。

非瑞利散斑根据光强概率分布和散斑对比度将非瑞利散斑分为超瑞利散斑和亚瑞利散斑。一般来说，超瑞利散斑的对比度大于1，亚瑞利散斑的对比度小于1。为了生成超瑞利散斑，即增强瑞利散斑的对比度，可以在空间光调制器7上加载一个具有相关性像素的相位矩阵，此相位矩阵Φ

式中，E

式中，θ

为了研究非瑞利散斑在空间中传播的演化情况，计算其传播到出不同位置时的散斑对比度，散斑对比度C的计算公式为：

本发明通过调节位移台的位置获得了非瑞利散斑在空间中传播的演化情况，图3(a-d)是超瑞利散斑在0.0mm、0.5mm、1.0mm、2.0mm处的情况，图3(e-h)是亚瑞利散斑在0.0mm、0.5mm、1.0mm、2.0mm处的情况。