本發(fā)明屬于光場調(diào)控，具體涉及一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、部分相干光束具有穩(wěn)定的統(tǒng)計特性，即它們允許光束內(nèi)和時間范圍內(nèi)的相位和強(qiáng)度波動。它們固有的抑制光束干擾和降低光學(xué)噪聲的能力確保了其在無散斑光學(xué)成像、超分辨率光學(xué)全息術(shù)和高性能光子計算應(yīng)用中的可靠性能。此外，基于光學(xué)相干理論，部分相干光束可被視為多種模式的非相干疊加。這些光束因其固有的對環(huán)境擾動的適應(yīng)能力而聞名，因為對各個模式的擾動效應(yīng)往往會相互抵消。這一特性使部分相干光束特別適合于光通信、遠(yuǎn)場光學(xué)成像以及惡劣環(huán)境下的光學(xué)加密和解密等關(guān)鍵應(yīng)用。

3、作為齊次亥姆霍茲方程的精確解，無衍射光束在自由空間中傳播時形狀保持不變。自從杜寧等人的開創(chuàng)性工作以來，這些光束引起了人們的極大興趣。根據(jù)巴比涅原理，所有此類光束都天然不受畸變的影響。它們在體積成像、鬼成像、粒子捕獲、光子相關(guān)全息術(shù)和因數(shù)分解中有著廣泛的應(yīng)用。部分相干無衍射光束因數(shù)分解和部分相干光束都具有先天優(yōu)勢而受到越來越多的關(guān)注。

4、近年來，作為部分相干光束獨(dú)有的自由度，相干度引發(fā)了從基礎(chǔ)物理到寶貴應(yīng)用的廣泛研究活動。值得注意的是，相干度已被探索作為圖像加密的信息載體，通過引入隨機(jī)性，部分相干光束已實現(xiàn)高容量信息加密。然而，相干度較低的部分相干光束易受光學(xué)衍射影響，導(dǎo)致傳播過程中包括相干度在內(nèi)的所有自由度都惡化。因此，加密信息不可避免地會受到損害?？朔@一挑戰(zhàn)的基本思想在于如何構(gòu)建部分相干無衍射光束。以往構(gòu)建的部分相干皮爾斯光束在傳輸過程中由于其存在自加速光束在傳輸過程中會產(chǎn)生偏移對于信息傳輸光學(xué)加密上會有不利影響。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成方法及系統(tǒng)，本發(fā)明利用非相干疊加原理，構(gòu)造了部分相干無衍射皮爾斯光束，該光束的強(qiáng)度、相干度等性質(zhì)在自由空間中傳輸時保持不變。

2、根據(jù)一些實施例，本發(fā)明的第一方案提供了一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成系統(tǒng)，采用如下技術(shù)方案：

3、一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成系統(tǒng)，包括：

4、激光器，所述激光器發(fā)出的光束通過半波片到達(dá)擴(kuò)束器，經(jīng)過擴(kuò)束器擴(kuò)束后激光照射到空間光調(diào)制器上；

5、所述空間光調(diào)制器利用交叉密度譜函數(shù)對激光光束進(jìn)行調(diào)制，生成調(diào)制后的光束；

6、4f光學(xué)成像系統(tǒng)，所述4f光學(xué)成像系統(tǒng)將調(diào)制后的光束選出一級衍射光斑；

7、ccd相機(jī)，所述ccd相機(jī)用于對一級衍射光斑進(jìn)行記錄。

8、進(jìn)一步地，所述4f光學(xué)成像系統(tǒng)包括第一薄透鏡、光闌和第二薄透鏡。

9、進(jìn)一步地，所述空間光調(diào)制器利用交叉密度譜函數(shù)對激光光束進(jìn)行調(diào)制，具體為：

10、利用交叉密度譜函數(shù)獲取激光光束在倒易平面上不同位置點(diǎn)的偽模式；

11、基于復(fù)振幅調(diào)控算法把倒易平面上不同位置點(diǎn)的偽模式生成全息圖片。

12、進(jìn)一步地，所述基于復(fù)振幅調(diào)控算法，具體為：

13、；

14、其中，b振幅通過數(shù)值反演獲得：，其中，表示第一類一階貝塞爾函數(shù)；“arg”表示取函數(shù)的相位；表示光柵頻率，為任意核函數(shù)，表示采樣點(diǎn)在逆平面上的位置，和分別為源平面和倒易平面中的矢量位置。

15、根據(jù)一些實施例，本發(fā)明的第二方案提供了一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成方法，采用如下技術(shù)方案：

16、一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成方法，基于如第一方案所述的一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成系統(tǒng)，包括：

17、激光器發(fā)出的光束通過半波片到達(dá)擴(kuò)束器，經(jīng)過擴(kuò)束器擴(kuò)束后激光照射到空間光調(diào)制器上；

18、經(jīng)過重復(fù)刷新空間光調(diào)制器對激光光束調(diào)制，基于交叉密度譜函數(shù)獲取激光光束在倒易平面上不同位置點(diǎn)的偽模式，并生成相應(yīng)的全息圖片；

19、經(jīng)過4f光學(xué)成像系統(tǒng)的處理，篩選出每個偽模式對應(yīng)的一級衍射光斑；

20、利用ccd相機(jī)記錄下每個偽模式的一級衍射光斑，并將每個偽模式進(jìn)行疊加，形成部分相干皮爾斯光束。

21、進(jìn)一步地，所述經(jīng)過重復(fù)刷新空間光調(diào)制器對激光光束調(diào)制，基于交叉密度譜函數(shù)獲取激光光束在倒易平面上不同位置點(diǎn)的偽模式，并生成相應(yīng)的全息圖片，具體為：

22、利用高斯函數(shù)和余弦函數(shù)，構(gòu)建功率譜密度函數(shù)和任意核函數(shù)；

23、引入無量綱和差坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換功率譜密度函數(shù)和任意核函數(shù)的數(shù)學(xué)形式；

24、基于轉(zhuǎn)換后的功率譜密度函數(shù)和任意核函數(shù)，確定單個位置點(diǎn)的交叉譜密度函數(shù)；

25、利用高斯孔徑作為激光光束的截斷函數(shù)，確定單個位置點(diǎn)的截斷交叉譜密度函數(shù)；

26、重復(fù)刷新空間光調(diào)制器對激光光束調(diào)制，利用單個位置點(diǎn)的截斷交叉譜密度函數(shù)獲得激光光束在倒易平面上不同位置點(diǎn)的偽模式；

27、基于復(fù)振幅調(diào)控算法把倒易平面上不同位置點(diǎn)的偽模式生成全息圖片。

28、進(jìn)一步地，所述確定單個位置點(diǎn)的截斷交叉譜密度函數(shù)，具體為：

29、；

30、其中，和表示截斷函數(shù)的寬度，其中，和表示利用無量綱和差坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的功率譜密度函數(shù)和任意核函數(shù)，表示截斷的交叉譜。

31、進(jìn)一步地，所述利用ccd相機(jī)記錄下每個偽模式的一級衍射光斑，并將每個偽模式進(jìn)行疊加，形成部分相干皮爾斯光束，具體為：

32、；

33、其中，是離散功率譜密度函數(shù)，表示模式權(quán)重，是截斷模式，是偽模式，表示采樣點(diǎn)在逆平面上的位置，和為源平面上坐標(biāo)。

34、進(jìn)一步地，所述截斷模式，具體為：

35、；

36、其中，表示采樣點(diǎn)在逆平面上的位置，d表示采樣空間，為任意核函數(shù)，和分別為源平面和倒易平面中的矢量位置，表示高斯截斷的大小。

37、進(jìn)一步地，所述一級衍射光斑包含偽模式的信息。

38、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

39、本發(fā)明利用非相干疊加原理，構(gòu)造了部分相干無衍射皮爾斯光束，該光束的強(qiáng)度、相干度等性質(zhì)在自由空間中傳輸時保持不變，傳輸過程中具有魯棒性，即傳輸過程中抵擋衍射和其余擾動的影響。此類光束的強(qiáng)度和相干度在傳播過程中保持不變。即使在實際場景中，截斷版本仍然保留了顯著的抗光學(xué)衍射能力。這些光束自然具有兩個顯著的優(yōu)勢：低相干性和無衍射傳播。低相干性保證了光束在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)健性，而無衍射特性允許使用一定的自由度，例如相干度和強(qiáng)度，作為長距離信息傳輸?shù)男畔⑤d體。因此，無衍射部分相干皮爾斯光束在光通信、信息傳輸、光學(xué)成像等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，特別是在惡劣環(huán)境下。

技術(shù)特征：

1.一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成系統(tǒng)，其特征在于，所述4f光學(xué)成像系統(tǒng)包括第一薄透鏡、光闌和第二薄透鏡。

3.如權(quán)利要求1所述的一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成系統(tǒng)，其特征在于，所述空間光調(diào)制器利用交叉密度譜函數(shù)對激光光束進(jìn)行調(diào)制，具體為：

4.如權(quán)利要求1所述的一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成系統(tǒng)，其特征在于，所述基于復(fù)振幅調(diào)控算法，具體為：

5.一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成方法，基于如權(quán)利要求1-4任一項所述的一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成系統(tǒng)，其特征在于，包括：

6.如權(quán)利要求5所述的一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成方法，其特征在于，所述經(jīng)過重復(fù)刷新空間光調(diào)制器對激光光束調(diào)制，基于交叉密度譜函數(shù)獲取激光光束在倒易平面上不同位置點(diǎn)的偽模式，并生成相應(yīng)的全息圖片，具體為：

7.如權(quán)利要求6所述的一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成方法，其特征在于，所述確定單個位置點(diǎn)的截斷交叉譜密度函數(shù)，具體為：

8.如權(quán)利要求6所述的一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成方法，其特征在于，所述利用ccd相機(jī)記錄下每個偽模式的一級衍射光斑，并將每個偽模式進(jìn)行疊加，形成部分相干皮爾斯光束，具體為：

9.如權(quán)利要求8所述的一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成方法，其特征在于，所述截斷模式，具體為：

10.如權(quán)利要求5所述的一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成方法，其特征在于，所述一級衍射光斑包含偽模式的信息。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于光場調(diào)控領(lǐng)域，提供了一種無衍射的部分相干皮爾斯光束生成方法及系統(tǒng)，包括激光器發(fā)出的光束通過半波片到達(dá)擴(kuò)束器，經(jīng)過擴(kuò)束器擴(kuò)束后激光照射到空間光調(diào)制器上；經(jīng)過重復(fù)刷新空間光調(diào)制器對激光光束調(diào)制，基于交叉密度譜函數(shù)獲取激光光束在倒易平面上不同位置點(diǎn)的偽模式，并生成相應(yīng)的全息圖片；經(jīng)過4f光學(xué)成像系統(tǒng)的處理，篩選出每個偽模式對應(yīng)的一級衍射光斑；利用CCD相機(jī)記錄下每個偽模式的一級衍射光斑，并將每個偽模式進(jìn)行疊加，形成部分相干皮爾斯光束。本發(fā)明的方法在光束的傳輸過程中具有魯棒性，即傳輸過程中抵擋衍射和其余擾動的影響。

技術(shù)研發(fā)人員：劉勁松,曹添宇,馬普娟,梁春豪,蔡陽健
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2