CN106291961B - 一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的方法及其装置。激励源发出的光经聚焦系统聚焦和分光处理后，得到两束光束；光束分别经反射镜反射后，从镀膜凹面镜进入两个谐振腔中，经偏振处理得到偏振方向相互垂直的线偏振光束，矢量合成后经工作物质及耦合处理，再对光束进行光强整形，经傅里叶变换后，对光束的光强进行高斯型分布调制，得到矢量特殊空间关联结构部分相干光束。本发明提供的装置结构简单，操作方便，可支持大功率、多模数输出；并可通过更换振幅衰减片，实现不同空间关联结构分布；通过相位补偿，实现不同偏振态输出。装置所产生的光束在微粒捕获、激光通讯、信息加密、高质量成像、薄膜检测等方面具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的方法及其装置，特别涉及到的是光束的腔内设计以及腔外调制，所得到的光束在光学捕获、材料热处理、高质量无散斑成像、自由光通讯等方面有着重要的作用与前景。
背景技术
激光光束具有高相干性、高准直性、高强度性与单色性好等四大特性，因此，自从激光出现以来，备受研究者们的关注，并开展了深入、广泛的研究。事实证明，激光在军事、民用以及科研研究等领域发挥了极大的作用，如激光制导、激光测距、激光通信、强激光武器、激光信息存储、激光美容、激光治疗近视眼、激光切割、激光热涂敷、激光防伪等等。这是20世纪最伟大的发明之一，也将推动21世纪科技快速的发展。
对于激光的高相干性这一特点，研究者们发现，在某些时候反而限制了对它的应用，因为相干性越高，越易引起干涉，从而会出现杂散斑，这在高质量成像等方面是一个比较棘手的问题。而研究者也发现激光光束在湍流介质中传输，相干性越高，光束越容易引起畸变以及抖动，这在信息传输等方面是一个重要的障碍。对于光束，其相干性越低，则发散角越大，在同样的区域会使光束越均匀。这在激光涂敷、材料热处理等方面有着重要的作用，将推动研究者关于部分相干光束的研究工作。
对于部分相干光束产生的方式大概包括两种，一种是腔外，借助于高相干性的激光，通过动态散射体，比如旋转的毛玻璃，声光调制晶体，从而降低相干性，实现部分相干光束输出；还可以基于由扩展光源发出的非相干光束，利用Van Cittert Zernike定理产生部分相干光束。还有一种是腔内，通过对激光谐振腔进行腔内调制，输出多模光束，从而实现部分相干光束；这是因为部分相干光束可利用互不相干的激光本征模的叠加得到，比如对于腔镜为圆形的，可利用多个不同阶数拉盖尔-高斯模的叠加产生。
在2007年和2009年，Gori团队提出构建了部分相干光束（标量以及矢量）真实关联函数的充分条件。自此之后，大量具有特殊空间关联结构分布的部分相干光束得到了广泛的研究，之所以称之为特殊空间关联结构部分相干光束，是因为区分传统空间关联结构分布的部分相干光束，其关联函数为高斯分布，经典代表之一就是高斯谢尔模光束。特殊空间关联结构部分相干光束有：非均匀关联部分相干光束、多模高斯关联部分相干光束、广义多模高斯关联部分相干光束、矩形/圆形对称余弦高斯关联部分相干光束、贝塞尔高斯关联部分相干光束、拉盖尔-高斯关联部分相干光束、厄米-高斯关联部分相干光束等，这些光束的关联分布都非高斯，正是因为这一特点，这些光束在传输过程中具有独特的性质，比如：非均匀关联部分相干光束在传输过程中出现自聚焦特性；多高斯关联部分相干光束能在远场形成平顶分布；而对于广义多模高斯关联部分相干光束不仅能在远场形成平顶分布，还可以形成圆环状面包圈光强分布；矩形对称余弦高斯关联部分相干光束在传输过程中具有自分裂，能在远程形成4个子光束阵列分布；圆对称余弦高斯关联部分相干光束能在远场形成圆环状面包圈光强分布；拉盖尔高斯关联部分相干光束经聚焦传输后，能在焦点附近产生三维可控光学囚笼；厄米-高斯关联部分相干光束在传输过程中表现光束自分裂现象；而这些光束在微粒捕获、材料热处理、光通讯等方面具有重要的作用。所以我们可以通过对部分相干光束的关联函数（相干度分布）进行调制，可实现对光束性质进行调控，这将丰富光束的种类，对激光的发展、科技的进步将起到垫脚石的作用。
长期以来，研究者对光束的研究大部分局限于标量领域，往往忽略了光束的偏振性，而现实中，光束的偏振具有重要的应用，比如将椭圆偏振技术用于测量薄膜的厚度和介电性质，该技术具有高灵敏、非破坏和非接触等优点，从而在科研、工业等领域不可或缺；在激光通讯应用中，可利用激光光束的线偏振来实现；可定义一个偏振方向为1，在垂直偏振方向上为0，就能利用二进制将信息通过光束偏振方向的方式加载在激光中，经过传输后，可以通过线偏振片作为检偏器来检测偏振方向，从而实现解调过程。对于光束偏振的应用还有很多，这就意味着矢量光束的产生以及应用将会继续成为热门研究领域之一。
对于特殊空间关联结构部分相干光束的实验产生，目前主要局限于腔外，一般产生装置及过程为：通过matlab产生特定的相位片加载在空间光调制器上，从激光器出来的基模光束通过此空间光调制器，即可得到特定光强分布的光束，这是利用平面波与相位片进行干涉而来，从空间光调制器传来的光束具有很多衍射光斑，一般用光阑选取一阶衍射光斑，让其打在旋转毛玻璃上，在毛玻璃之后有一薄透镜，并且之间的距离为薄透镜的焦距，这个薄透镜起到两个作用，第一是对光束的准直，第二是起到傅里叶变换的效果。薄透镜后将紧贴高斯振幅衰减片来对光强进行整形。从高斯振幅衰减片出来的光束即为特殊空间关联结构部分相干光束，其光强分布为高斯分布，其相干度分布为旋转毛玻璃面上光强分布的傅里叶变换。这个就是实验室可产生特殊空间关联结构部分相干光束的实验装置。
由现有技术所提供的装置可以发现：空间光调制器成本较高、阈值功率较低以及效率低（衍射光斑较多），因此，对产生高功率以及高效率的特殊空间关联结构部分相干光束必然造成很大的障碍；毛玻璃由电动机进行旋转，存在机械的抖动，具有不稳定、不安全性。并且在实验室中，其相干性大小的调节是在旋转毛玻璃前放置薄透镜，通过改变毛玻璃上光斑的大小来改变光束相干性大小，光斑越小，相干性越高，但是在实验的时候必须满足毛玻璃上光斑的大小要大于毛玻璃颗粒非均匀规格尺寸，又受到毛玻璃可打光束区域大小的限制，所以相干性可调的区域相对来说有限并且是较小的。由此可见，现有的产生特殊空间关联结构部分相干光束的方法及其装置，在实际应用，特别对有高强度光束需求的领域，比如军事方面，将会成为阻碍。
对于多模激光器而言，输出模数越多，其光束的相干性越低，而目前常见多模激光器，由于腔镜大小以及谐振腔设计等影响，其腔内可支持的模数的个数是有限的，因此其相干性具有一定的取值范围，达不到完全非相干的状况。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种可支持大功率、多模数输出的产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的方法及其装置。本发明所提供的装置可直接产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束，操作简单，通过更换振幅衰减片，可实现不同空间关联结构分布；通过相位补偿，可实现线偏振或椭圆偏振（包括圆偏振）输出，克服了腔外调制现有技术存在的不足。本发明技术方案所产生的矢量特殊空间关联结构部分相干光束，在微粒捕获、激光通讯、信息加密、高质量成像、薄膜检测等方面有着重要的应用价值。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的方法，包括如下步骤：
1、将激励源发出的光束经聚焦后进行分光处理，得到两束光束；光束分别经反射镜反射后，从镀膜凹面镜进入两个谐振腔中；
2、将进入谐振腔腔内的光束经偏振处理，得到偏振方向相互垂直的线偏振光束；
3、将两个谐振腔所产生的线偏振光束进行矢量合成，输出的矢量光束经工作物质后进行耦合处理；
4、将经耦合处理后输出的光束进行光强整形，再经傅里叶变换后，对光束的光强进行高斯型分布调制；调制后的光束经准直处理，得到矢量特殊空间关联结构部分相干光束。
本发明技术方案还包括提供一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的装置，其结构为：激励源发出的光束经薄透镜聚焦后，由分束镜分成两束光束；由两片镀膜凹面镜分别与耦合输出镜组成两个谐振腔，分束镜分成的两束光束分别经平面反射镜反射后从镀膜凹面镜进入到两个谐振腔中，所述谐振腔为简并腔；从镀膜凹面镜进入的光束分别依次通过布儒斯特窗、线偏振片、半波片及相位补偿器后，输入到偏振分光镜进行矢量合成；合成后的光束经工作物质及耦合输出镜输出，依次再经振幅衰减片、薄凸透镜、高斯振幅衰减片和准直系统，输出矢量特殊空间关联结构部分相干光束。
本发明技术方案所述激励源为激光二级管，发出的光束波长为1550nm。
所述分束镜的透射率和反射率为50%。
所述的工作物质为Nd: YAG晶体，波长为1064nm。
所述谐振腔的两个镀膜凹面镜、耦合输出镜的曲率半径与每个谐振腔的腔长相等。谐振腔的镀膜凹面镜，其腔外一侧镀有激励源对应波长的高透射率膜，腔内一侧镀有工作物质对应波长的高反射率膜。
本发明的原理是基于谐振腔腔内设计，克服了现有技术腔外调制的缺陷。在本发明技术方案中，两个谐振腔是由两个镀膜凹面镜分别与耦合输出镜所构成，两个镀膜凹面镜与耦合输出镜的曲率半径相等，并与每个谐振腔的腔长（镀膜凹面镜与耦合输出镜之间的距离）也相等，从而可实现谐振腔为简并腔；由于光束在腔内经过一个完整的传输后，都能成像于自己，即满足模式的自再现，所以腔内所有的模式都是该光腔（简并腔）的本征模。简并腔所能支持的模数众多，可实现完全非相干光束的输出；本发明采用相位补偿器可对一谐振腔内的光束进行相位补偿，对输出光束的偏振态进行调控，可实现线偏振、椭圆偏振（包括圆偏振）输出；采用振幅衰减片，可对光强不同区域进行不同衰减，达到光强整形的效果，对输出的光束进行调制，产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的矢量特殊空间关联结构部分相干光束产生装置可支持大功率输出，有利于该光束的实际应用。
2、采用两个谐振腔通过偏振分光镜进行矢量合成的方法，可得到矢量完全非相干光束；装置结构简单，操作便捷。借助于一谐振腔上相位补偿器来对相位进行调控，可实现对输出光束的偏振态进行控制，得到线偏振、椭圆偏振（包括圆偏振），切换方便，实现了一系统多用途。
3、通过更换不同的振幅衰减片，可便捷地实现输出不同矢量特殊空间关联结构分布的部分相干光束；并能实现对输出光束相干性大小的调控。
4、本发明提供的产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的装置结构简单、紧凑，采用的元器件易采购，且价格相对低廉。
附图说明
图1为本发明一实施方式中提供的一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束装置的结构示意图；
图2为本发明一实施方式中提供的布儒斯特窗工作原理图；
图3为本发明一实施方式中提供的偏振分光镜工作原理图；
图4为本发明一实施方式中提供的振幅衰减片的示意图；
图5为本发明一实施方式中与振幅衰减片对应的输出光束空间关联结构分布列举示意图；
图1中：1、激励源；2和19、薄透镜；3、分束镜；4和15、平面反射镜；6和11、镀膜凹面镜；7和12、布儒斯特窗；8和13、线偏振片；9和14、半波片；10、相位补偿器；15、偏振分光镜；16、工作物质；17、耦合输出镜；18、振幅衰减片；20、高斯振幅衰减片；21、准直系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。
实施例1
本实施例提供一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的方法，包括以下步骤：
1、将激励源发出的光束经聚焦后进行分光处理，得到两束光束；光束分别经反射镜反射后，从镀膜凹面镜进入两个谐振腔中；
2、将进入谐振腔腔内的光束经偏振处理，得到偏振方向相互垂直的线偏振光束；
3、将两个谐振腔所产生的线偏振光束进行矢量合成，输出的矢量光束经工作物质后进行耦合处理；
4、将经耦合处理后输出的光束进行光强整形，再经傅里叶变换后，对光束的光强进行高斯型分布调制；调制后的光束经准直处理，得到矢量特殊空间关联结构部分相干光束。
按上述方法产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的装置，其具体结构的示意图参见附图1；该装置依次包括激励源1、薄透镜2和19、分束镜3、平面反射镜4和5、镀膜凹面镜6和11、布儒斯特窗7和12、线偏振片8和13、半波片9和14、相位补偿器10、偏振分光镜15、工作物质16、耦合输出镜17、振幅衰减片18、高斯振幅衰减片20和准直系统21。
在本实施例中，波长为1550nm的激励源激光二极管1发出的光束经薄透镜2聚焦，再由分束镜3分成两束，分别经平面反射镜4和5反射后，一束从镀膜凹面镜6进入到一个谐振腔中，另一束从镀膜凹面镜11进入到另一个谐振腔中；镀膜凹面镜6和11镀有1550nm高透射率膜以及1064nm高反射率膜，使1550nm激励源1光束高效率进入谐振腔，而对腔内振荡1064nm光束具有很高的反射率。镀膜凹面镜6和11分别与耦合输出镜17组成两个谐振腔。镀膜凹面镜6和11，以及耦合输出镜17的曲率半径相等都为R，并且两个谐振腔的腔长也为R，即满足两个谐振腔都为简并腔，由于光束经过一个完整传输后，都能成像于自己，所以这就满足了模式的自再现，即每个模式都是此光腔的本征模。这就意味着该光腔可支持的模数众多，可实现完全非相干光束的输出。
两束光束分别从镀膜凹面镜6或11进入对应的两个谐振腔中，分别经过布儒斯特窗7或12，可得部分偏振光束，如图2所示。
参见附图2，它是本实施例提供的布儒斯特窗工作原理图；当一束非偏振光束沿着谐振腔轴线以布儒斯特角为入射角（，为环境的折射率，为该布儒斯特窗材料的折射率，则为该布儒斯特窗所对应的布儒斯特角，又称之为起偏振角）入射到布儒斯特窗，那么反射的光束是线偏振光束，并且其偏振方向垂直于入射面（入射光线与布儒斯特窗的法线所在的平面为入射面），被称之为S光，其经过布儒斯特窗透射的光束，为部分偏振光束，其含有大部分平行于入射面的偏振分量（被称之为P光），以及少量的S光。这就意味着S光在谐振腔内，其损耗很大，并大于通过增益介质所得到的增益，因而无法形成振荡。则最后的结果就是，能够真正在谐振腔受激辐射放大的就是P光。这样最后从光腔输出的激光只含有P光，即能形成线偏振光束。
为了得到更纯的线偏振光束，本实施例提供的装置在布儒斯特窗7和12后，分别设置线偏振片8和13，为了滤去S光，得到P光，需要满足线偏振片的偏振方向与P光偏振方向平行。
经线偏振片8和13输出的线偏振光束，分别垂直经过半波片9和14，可以通过旋转半波片9和14改变所输出线偏振光束的偏振方向，并满足各线偏振光束的偏振方向与偏振分光镜15所对应的偏振方向相符合，如图3所示，它是本实施例提供的偏振分光镜工作原理图，当两束偏振方向相互垂直的线偏振光束以偏振分光镜所表示的方向（如图中的x方向与y方向）垂直入射偏振分光镜，偏振分光镜将对入射的两束线偏振光束进行矢量合成，输出矢量光束。基于偏振分光镜15，可实现对两束线偏振光束进行矢量叠加，得到矢量光束。对于从半波片9出来的线偏振光束，经过相位补偿器10，对该谐振腔的线偏振光束补偿相位，可对从偏振分光镜15输出光束的偏振态进行调控，可实现不同偏振如线偏振、椭圆偏振（包括圆偏振）光束输出。
对于两个谐振腔（镀膜凹面镜6和耦合输出镜17构成的一个谐振腔，以及镀膜凹面镜11和耦合输出镜17构成的另一个谐振腔）中非共同区域中，实现了两束偏振方向相互垂直的线偏振光，经偏振分光镜15，将它们矢量合成为矢量光束，并进入两谐振腔共同区域。
经偏振分光镜15输出的光束经过工作物质16 Nd: YAG晶体（波长为1064nm）,可实现对光束进行增益；光束再从耦合输出镜17进行部分输出。
在本实施例中，基于两个谐振腔都为简并腔，可支持的模数众多，所以从耦合输出镜17输出的光束为矢量完全非相干光束，并且其输出光束的偏振态由相位补偿器10进行控制。从耦合输出镜17输出的光束为矢量完全非相干光束，并且光强分布为均匀分布。当该光束经过振幅衰减片18，可得与振幅衰减片18透过率函数分布一样的光强分布光束，并且此光束仍为完全非相干光束。
基于Van Cittert Zernike定理，由如下式（1）和式（2）表示:
（1）
， （2）
其中，分别为光束在到达振幅衰减片前表面处任意两个点的矢量坐标，为光束穿过振幅衰减片后边面处任意一点的矢量坐标，为光束经过傅里叶变换输出面处的任意两点的矢量坐标，表示为狄拉克函数。式（2）表示为完全非相干光束的交叉谱密度函数（空间-频域）。基于该理论可以得到：一个光束的空间关联结构分布（相干度分布）可以基于完全非相干光束的傅里叶变换得到。因此，可利用不同光强分布的完全非相干光束获取不同空间关联结构分布的部分相干光束。
薄透镜19与振幅衰减片18间的距离为薄透镜19的焦距f，可实现傅里叶变换光学传输。由于振幅衰减片18输出光束的光强分布为该振幅衰减片透过率函数分布，所以薄透镜19输出光束的空间关联结构分布为振幅衰减片18透过率函数的傅里叶变换。这就意味着可以通过选择不同透过率函数分布的振幅衰减片18，从而获取不同空间关联结构分布的矢量光束。
参见附图4，它为本实施例提供的三个不同振幅衰减片的示意图，黑色到白色区域（色标卡从0到1）对应透过率函数为0%到100%；图中，振幅衰减片所对应的透过率函数分别为：(a)圆对称平顶分布，(b)圆环面包圈分布，(c)矩形对称余弦高斯分布。
对于振幅衰减片可透过分布区域的大小，可以实现对该系统输出光束的相干性大小的控制。分布区域越大，输出光束的相干性越小。本实施例提供的装置，更换振幅衰减片18的途径非常简便，因此，可以便捷产生多种矢量特殊空间关联结构部分相干光束，之所以称之为是特殊空间关联结构，是因为除了可以产生常规高斯型分布的空间关联结构，还可以产生新颖非高斯型的。
从薄透镜19出来的光束，其光强分布为均匀分布，经过高斯振幅衰减片20，可对光束光强进行整形，对空间关联结构分布无任何影响。最后经准直系统21对光束进行准值，得到矢量特殊空间关联结构部分相干光束。
参见附图5，它为本实施例提供的三个不同振幅衰减片所对应的最后输出光束的空间关联结构分布图；图5中的（a）、（b）和（c）图所示的空间关联结构分布分别与图4中的振幅衰减片对应；图5中各图的上下部分分别为三维图与对应的密度图。
Claims (7)
1.一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将激励源发出的光束经聚焦后进行分光处理，得到两束光束；光束分别经反射镜反射后，从镀膜凹面镜进入两个谐振腔中；
（2）将进入谐振腔腔内的光束经偏振处理，得到偏振方向相互垂直的线偏振光束；
（3）将两个谐振腔所产生的线偏振光束进行矢量合成，输出的矢量光束经工作物质后进行耦合处理；
（4）将经耦合处理后输出的光束进行光强整形，再经傅里叶变换后，对光束的光强进行高斯型分布调制；调制后的光束经准直处理，得到矢量特殊空间关联结构部分相干光束。
2.一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的装置，其特征在于：激励源（1）发出的光束经薄透镜（2）聚焦后，由分束镜（3）分成两束光束；由两片镀膜凹面镜（6、11）分别与耦合输出镜（17）组成两个谐振腔，分束镜（3）分成的两束光束分别经平面反射镜（4、5）反射后从镀膜凹面镜（6、11）进入到两个谐振腔中，所述谐振腔为简并腔；从镀膜凹面镜（6、11）进入的光束分别依次通过布儒斯特窗（7、12）、线偏振片（8、13）、半波片（9、14）及相位补偿器（10）后，输入到偏振分光镜（15）进行矢量合成；合成后的光束经工作物质及耦合输出镜（17）输出，依次再经振幅衰减片（18）、薄凸透镜（19）、高斯振幅衰减片（20）和准直系统（21），输出矢量特殊空间关联结构部分相干光束。
3.根据权利要求2所述的一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的装置，其特征在于：所述激励源为激光二级管，发出的光束波长为1550nm。
4.根据权利要求2所述的一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的装置，其特征在于：所述分束镜的透射率和反射率为50%。
5.根据权利要求2所述的一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的装置，其特征在于：所述的工作物质为Nd: YAG晶体，波长为1064nm。
6.根据权利要求2所述的一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的装置，其特征在于：两个镀膜凹面镜、耦合输出镜的曲率半径与每个谐振腔的腔长相等。
7.根据权利要求2所述的一种产生矢量特殊空间关联结构部分相干光束的装置，其特征在于：谐振腔的镀膜凹面镜，其腔外一侧镀有激励源对应波长的高透射率膜，腔内一侧镀有工作物质对应波长的高反射率膜。
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