一种参数可控的随机结构光生成装置和方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种参数可控的随机结构光生成装置和方法。

背景技术

本部分的陈述只是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

近年来结构光束受到广泛关注，结构光在信息检测、光学成像、光学捕获等方面有着广泛的应用。例如，典型的结构光束包括涡旋光束，该光束携带螺旋相，这些具有不同拓扑荷的相位在希尔伯特空间中形成无限维度，进而能够在高数据速率通信中提供强大的载体；典型的结构光束还包括矢量光束，矢量光束在复杂场和偏振中都具有非均匀的空间分布，通过调制偏振，紧聚焦的矢量光束将产生奇异的偏振拓扑结构，从而产生新的光学应用，到目前为止，已提出了多种生成矢量光束的方案。尽管目前对结构光的操作越来越成熟，但是，结构光新自由度的开发一直是光学技术领域中的一个迫切追求，新自由度结构光对新的应用产生深远的影响。

现有的对生成结构光束的研究仅能产生非常有限种类的随机结构光束，无法精准的对结构光的空间相干度和偏振态进行调控，难以生成所有参数可控的、物理可实现的随机结构光。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种参数可控的随机结构光生成装置和方法，能够准确地产生随机结构光束，相较于传统的结构光束，本发明能够对产生的随机结构光束同时进行偏振度和空间相干度的调控，为任意操纵庞加莱球内部结构光束的偏振态提供了新的机会，在自由空间光通信和光学成像中具有重要的应用。

第一方面，本公开提供了一种参数可控的随机结构光生成装置，包括激光器、线偏振片、扩束镜、加载全息片的数字微镜装置、分束镜和共路干涉系统；激光器发出光束依次经过线偏振片和扩束器后入射到分束镜，分束镜反射的光束为第一路光束，第一路光束进入加载全息片的数字微镜装置中进行调制，经过调制后得到第二路光束，第二路光束再入射到分束镜中，经过透射后入射到共路干涉系统中；

所述共路干涉系统包括构成光学4F系统的第一透镜和第二透镜、位于两个透镜焦平面且依次设置的的小孔光阑和两个半波片、朗奇光栅；第二路光束经过第一透镜，在第一透镜的焦平面处通过小孔光阑滤出正负一级光斑，正负一级光斑分别通过两个半波片后，经过第二透镜、朗奇光栅组合成随机矢量光束。

进一步的技术方案，还包括随机结构光测量装置；

所述装置包括构成光学4F系统的第三透镜和第四透镜、分束镜、线偏振片、四分之一波片、电荷耦合器件；

通过朗奇光栅得到的随机矢量光束通过构成光学4F系统的第三透镜和第四透镜后，入射至第四透镜后焦平面处的分束镜中，分束镜透射的光束为第三路光束，分束镜反射的光束为第四路光束；

第三路光束依次通过线偏振片和四分之一波片入射至电荷耦合器件中，通过所记录的光束进行计算，获取光束斯托克斯参数；

第四路光束再通过分束镜分别透射和反射至相应的电荷耦合器件中，根据Hanbury Brown-Twiss原理测量获取光束的互相干函数。。

第二方面，本公开提供了一种参数可控的随机结构光生成方法，采用上述所提出的参数可控的随机结构光生成装置实现，包括以下步骤：

激光器发出光束依次经过线偏振片和扩束器后入射到分束镜，分束镜反射的光束为第一路光束，第一路光束进入加载全息片的数字微镜装置中进行调制，经过调制后得到第二路光束，第二路光束再入射到分束镜中，经过透射后入射到共路干涉系统中；

第二路光束经过第一透镜，在第一透镜的焦平面处通过小孔光阑滤出正负一级光斑，正负一级光斑分别通过两个半波片后，经过第二透镜、朗奇光栅组合成随机矢量光束。

进一步的技术方案，还包括：

通过朗奇光栅得到的随机矢量光束通过构成光学4F系统的第三透镜和第四透镜后，入射至第四透镜后焦平面处的分束镜中，分束镜透射的光束为第三路光束，分束镜反射的光束为第四路光束；

第三路光束依次通过线偏振片和四分之一波片入射至电荷耦合器件中，通过所记录的光束进行计算，获取光束斯托克斯参数；

第四路光束再通过分束镜分别透射和反射至相应的电荷耦合器件中，根据Hanbury Brown-Twiss原理测量获取光束的互相干函数。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、本发明提供了一种参数可控的随机结构光生成装置和方法，能够准确地产生随机结构光束，相较于传统的结构光束，本发明能够对产生的随机结构光束同时进行偏振度和空间相干度的调控，为任意操纵庞加莱球内部结构光束的偏振态提供了新的机会，在自由空间光通信和光学成像中具有重要的应用。

2、本发明通过该参数可控的随机结构光生成装置能够实时产生随机结构光束，且该装置及方法为任意操纵庞加莱球内部结构光束的偏振态提供了新的机会，在自由空间光通信和光学成像中有重要的应用。

附图说明

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。

图1为本发明实施例一所述生成装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中电磁高斯谢尔模光束在源平面和光源面的示意图，以及通过不同角度(45°和135°)的线偏振片后在光源面的示意图；

图3为本发明实施例中获取的电磁高斯谢尔模光束理论与实验相比较的偏振轨迹图；

图4为本发明实施例中经过透镜聚焦后随机柱矢量光束在不同传播距离处的光强分布，以及相对应的理论与实验相比较的偏振度的结果图；

图5为焦平面上产生的另外两个柱矢量光束的光强分布和斯托克斯参数。

其中，1、氦氖激光器，2、第一线偏振片，3、扩束镜，4、第一分束镜，5、数字微镜装置，6、第一透镜，7、小孔光阑，8、半波片，9、第二透镜，10、朗奇光栅，11、反射镜，12、第三透镜，13、第四透镜，14、第二分束镜，15、第三分束镜，16、第二线偏振片，17、四分之一波片，18、第一电荷耦合器件，19、第二电荷耦合器件，20、第三电荷耦合器件。

具体实施方式

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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本实施例提供了一种参数可控的随机结构光生成装置，如图1所示，包括激光器、线偏振片、扩束镜、加载全息片的数字微镜装置(Digtial Micromirror Devices，DMD)、分束镜(Beam Splitter，BS)和共路干涉系统；氦氖激光器1发出光束依次经过第一线偏振片2和扩束镜3后入射到第一分束镜4，第一分束镜4反射的光束为第一路光束，第一路光束进入加载全息片的数字微镜装置DMD5中进行调制，经过调制后得到第二路光束，第二路光束再入射到第一分束镜4中，经过透射后入射到共路干涉系统中。

上述装置中，由氦氖激光器发出光束进入数字微镜装置DMD中进行调制，考虑到DMD只能接收垂直偏振的光束，因此，本实施例在氦氖激光器后增加了线偏振片，通过线偏振片选出所需的偏振方向的光束，在线偏振片后设置扩束镜，用于对光束进行扩束，以便后续能够精准的控制光束的束腰宽度。

上述数字微镜装置中加载全息片，全息片包含所要生成的光束模型的信息(光束的振幅和相位)，该全息片含有复高斯随机数且加载在DMD上，将该DMD中加载的全息片称为复屏幕。通过加载全息片，数字微镜装置中数字微镜分为两个屏幕，分别单独的对两个方向的电场进行调控，即分别对两个复屏幕进行调控，复屏幕中包含光束的偏振和空间相干度，利用数字微镜装置中的两个复屏幕分别对第一路光束进行调制，调控两个复屏幕上光束的振幅和相位，使调制后的光束的振幅和相位与全息片中的光束模型信息相同，以此实现生成参数可控的随机结构光。

所述共路干涉系统包括构成光学4F系统的两个透镜、位于两个透镜焦平面且依次设置的小孔光阑7和半波片8、朗奇光栅10；第二路光束经过第一透镜6，在第一透镜6的焦平面处通过小孔光阑7滤出正负一级光斑，正负一级光斑分别通过两个半波片8后，经过第二透镜9、朗奇光栅10组合成随机矢量光束。

上述透镜和小孔光阑的设置是为了筛选出实验所需的正负一级光斑，若不进行上述设置，则无法直接将其筛选出来，其中的半波片用于调制两束光束的偏振，经过两个半波片，正负一级光斑就相应的变为左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束，再通过朗奇光栅，将两个具有不同偏振状态的光束进行合束，得到最终的随机矢量光束。

进一步的，本实施例为了验证上述生成装置生成随机结构光的有效性，还给出了一种随机结构光测量装置，该装置包括构成光学4F系统的两个透镜、分束镜、线偏振片、四分之一波片、电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)。通过朗奇光栅10得到的随机矢量光束经过反射镜11后，入射到随机结构光测量装置中，通过构成光学4F系统的两个透镜(即第三透镜12和第四透镜13)后，入射至第四透镜13后焦平面处的第二分束镜14中，第二分束镜14透射的光束为第三路光束，第二分束镜14反射的光束为第四路光束，第三路光束依次通过第二线偏振片16和四分之一波片17入射至第一电荷耦合器件18中，通过第一电荷耦合器件CCD18所记录的光束进行计算，获取光束斯托克斯参数；第四路光束再通过第三分束镜15分别透射和反射至相应的电荷耦合器件CCD(即第二电荷耦合器件19和第二电荷耦合器件20)中，根据Hanbury Brown-Twiss原理测量获取光束的互相干函数。

上述通过将所生成的随机矢量光束经过分束镜分为两束，分别测量该光束的斯托克斯参数和互相关函数，由于斯托克斯参数和互相关函数的测量方法不同，因此本实施例针对第三路光束和第四路光束分别采用不同装置进行测量。针对第三路光束，测量斯托克斯参量时需要计算通过线偏振片后的光强以及相位延迟差，因此，在此处设置线偏振片和半波片；针对第四路光束，测量互相干函数时需要分开单独测量，因此，在此处再设置一个分束镜将第四路光束分开，并通过电荷耦合器件CCD分别进行测量。

通过上述随机结构光测量装置，测量所生成的随机结构光的斯托克斯参数和互相关函数，进一步验证上述生成装置生成随机结构光的有效性。

实施例二

本实施例提出了一种参数可控的随机结构光生成方法，采用上述实施例一所提出的生成装置实现，具体步骤包括：

步骤S1、激光器发出光束依次经过第一线偏振片2和扩束镜3后入射到第一分束镜4，第一分束镜4反射的光束为第一路光束，第一路光束进入加载全息片的数字微镜装置DMD5中进行调制，经过调制后得到第二路光束，第二路光束再入射到第一分束镜4中，经过透射后入射到共路干涉系统中；

步骤S2、第二路光束经过第一透镜6，在第一透镜6的焦平面处通过小孔光阑7滤出正负一级光斑，正负一级光斑分别通过两个半波片8后，经过第二透镜9、朗奇光栅10组合成随机矢量光束。

上述步骤S2的具体过程为：数字微镜装置DMD反射的光被散射成多个衍射级，而生成随机结构光所需的两个电场分量以第一衍射级产生，因此，该衍射的光再次通过分束镜BS进入由两个透镜组成的光学4F系统，在第一个透镜的焦平面处放置一个双孔滤波器(即上述小孔光阑)，滤出所需要的一级衍射级，分别经过两个半波片将光的偏振态旋转90度，另外一个作为补偿，最后通过朗奇光栅组合成随机矢量光束，重新组合得到的光束即是所需的随机结构矢量光束。

进一步的，为了验证所生成的随机结构光的有效性，本实施例还给出了一种随机结构光的测量方法，包括：

步骤S3、将随机矢量光束通过构成光学4F系统的第三透镜12和第四透镜13后，入射至第四透镜13后焦平面处的第二分束镜14中，第二分束镜14透射的光束为第三路光束，第二分束镜14反射的光束为第四路光束，第三路光束依次通过第二线偏振片16和四分之一波片17入射至第一电荷耦合器件18中，通过第一电荷耦合器件CCD18所记录的光束进行计算，获取光束斯托克斯参数；

步骤S4、第四路光束再通过第三分束镜15分别透射和反射至相应的电荷耦合器件CCD(即第二电荷耦合器件19和第二电荷耦合器件20)中，根据Hanbury Brown-Twiss原理测量获取光束的互相干函数。

通过下述生成电磁高斯谢尔模光束和生成随机柱矢量光束为例，进一步说明本实施例所提出方案的有效性。

(一)从理论上合成谢尔模关联随机矢量场的具体方式

首先，从理论上介绍并分析电磁高斯谢尔模光束。

随机结构光场的关联函数用一个2×2的矩阵来表示，即：

其中，r

其中：

上式中，f是空间频域中的矢量，T为复屏幕，*表示共轭，Φ

即Φ

其中，J为零均值化圆形复高斯傅里叶级数系数，m、n是离散空间频率指数，L

其中，<|J

组合上述分析结果，则两个复屏幕T

其中，r

根据公式(7)，T

因此，为了生成互相关函数u

根据式(8)以及上述生成随机结构光的实验装置，通过生成全息片加载到DMD上，将DMD分为两个复屏幕，分别单独且同时对T

(二)在DMD屏幕上实现随机场理论方法

DMD是一种仅限振幅的空间光调制器，其对光束的振幅进行调制，在生成全息片的基础上将生成的全息片进行调整加载到DMD上。为了完全调制复场的振幅和相位，将包含随机场实现的x和y场分量的复场写成如下形式：

为了从只显示振幅的生成的全息图重建复场S(x,y)，振幅模式的形式如下：

h(x,y)＝C

其中，C

通过式(11)可以得到DMD中全息片分别调制两个方向上的电场矢量。

(三)测量相干度的模的理论方法

基于光学相干理论，随机矢量场的归一化自相关和互相关强度表示为：

其中，

考虑到随机过程服从高斯统计，因此得到：

/>

进一步的，归一化的自关联和互关联强度可以简化为：

|μ

上式中，E

根据公式(15)，可以根据强度相关测量值测量关联函数的平方模，即测量相干度函数得到的是

(四)测量光束的斯托克斯参数理论方法

随机矢量场的四个Stokes参数可以由光束相干偏振矩阵确定，即：

上式中，J(r,r)为交叉谱密度函数矩阵。

在本实施例中，借助偏振和四分之一波片，使用标准方法测量Stokes参数。当光束通过偏振器和相位延迟器时，输出强度分布为：

I(θ,δ)＝J

其中，θ是偏振片和x轴的透射角形成的角度；δ是相位延迟器引入的x和y场分量之间的相位差。

进一步的，互相关系数B

偏振度由以下公式计算获得：

由以上公式，可测量得到光束的斯托克斯参量。也就是说，测量斯托克斯参量通过测量经偏振片后的光强I(θ,δ)来测量斯托克斯参量。

(五)生成电磁高斯谢尔模光束

电磁高斯谢尔模源在光源面上的光束模型为：

其中，A

通过实施例一所述装置以及本实施例所述方法，利用上述(一)和(二)的调制、生成并加载全息片至DMD，生成电磁高斯谢尔模光束，生成这一光束来验证本实施例所述方法的有效灵活性。通过上述测量装置，得到电磁高斯谢尔模源的相干度的模方实验结果图，如图2和图3所示，图2给出了电磁高斯谢尔模光束在源平面以及光源面的光强示意图，图3所示光强图的上半部分给出了实验和理论的拟合曲线，通过拟合曲线可以看出，本实施例所生成的光束与理论结果能够完美的拟合。与此同时，图2和图3还给出了通过不同角度即45°(I

(六)生成随机柱矢量光束

基于上述相同的方法，生成随机柱矢量光束，通过生成两种光束为例，说明本实施例所述方案的灵活性。

柱矢量光束的偏振态通过一定的关系映射到高阶庞加莱球上面，即：

其中，θ和φ是球坐标中的极角和方位角，LG

用高阶庞加莱球来表示生成光束的偏振态，只是将产生的光束的偏振态映射到高阶庞加莱球上，以便直观的理解。

为了合成相应的SCVB，首先将电场转换为笛卡尔坐标系中的水平场和垂直场分量；然后通过运算得到2×2功率谱矩阵，自相关函数和互相关函数是矩阵对角元素和反对角元素的傅里叶变换，基于运算结果对输入光束进行调制，调整光束的振幅相位偏振和相干度参数，通过参数(振幅相位偏振和相干度)可控，生成所需的随机结构光束。

也就是说，上述方案中，首先设置所要生成的随机结构光的相应参数，然后根据该参数生成全息片，将全息片加载到DMD中，以此来调制输入的光束的振幅和相位，光束调制后再通过共路干涉系统，生成所需的随机结构光。

本实施例给出了两个光束模型(电磁高斯谢尔模光束和随机柱矢量光束)，通过分别对其中的参数进行调控，并通过光束验证方法验证生成方案的可行性，该可行性具体体现在这两种光束的生成结果中。

进一步的，如图4所示，光束在传输过程中会逐渐演化为空心，偏振度也会进一步的增加，偏振态保持不变，因此，也可通过调节其他参数来改变偏振状态，具体如图5所示。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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。