[发明专利]基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法

说明书

本发明提出一种基于散射介质的可编程光学元件及光场调控系统和方法，解决了传统光学元件功能单一、光波调制成本高、装置复杂、集成度低的技术难题。本发明系统依次设有光源扩束、调制、散射介质显微和探测模块，在调制和探测模块间设有数据处理模块。由计算机循环控制空间光调制器调制输入光场，探测器探测输出光场，进行数据整形，测得散射介质光学传输矩阵，并作可编程智能光学元件，结合光学相位共轭、相位恢复及散斑重建等方法实现光场调控，包括成像、色散、反常色散、聚焦及整形等。本发明智能化、多功能、低成本、易操作、高集成、操控性强，可用于军事、生物医学、集成光学及纳米光子学等科学研究领域中。

技术领域

本发明属于新体制光学成像与光场调控技术领域，主要涉及可编程智能光学元件及成像系统，具体是一种基于散射介质的数字化智能可编程光学元件及其成像系统。利用本发明可实现光波的可编程控制与多功能可控光学元件的构建，用于光波调控以及光束整形。

背景技术

使用传统的折射光学元件并基于折射定律可以对光束进行控制、约束，但是单一光学元件很难产生较复杂光场，一般要产生特定的复杂光场，需要使用折反射透镜组合系统来实现。

双折射透镜组整形系统通过两对双折射晶体透镜以及一个检偏器构成，可产生特定复杂光场，此方法使用双折射元件组进行光束整形。此灵活方便，易于改变其透过率函数，尤其适用于线偏振的高斯光束的整形并且该系统设计方便，结构紧凑，费用低廉，在工程上有较高的实用价值，但此种方法在近场动态情况下还无法实现对光波的整形。

非球面透镜组整形系统是最早的无能量损失的相位型光束整形系统，可将高斯光束整形为均匀光束，但是其只对单模激光光束的整形效果较好，对于激光器发出的光场强度分布未知甚至随时间不断变化的复杂多模激光束则失去作用。

微透镜阵列整形系统由多个微透镜单元组成，可以产生较复杂的光场，但是它由多个单元排成阵列，无论怎么紧密，表面总会有空隙，除了这些空隙造成能量损失外，微透镜的边缘要发生菲涅尔衍射，也使能量有所损失，而且此方法无法随光束灵活的调节其透过率函数。

衍射光学元件通过控制光波的衍射与传输，可以实现波前调制与相位调控，可用来产生不同于传统折衍射光学元件的光束变换功能，具有结构简单，集成度高，可设计自由度大的特点，但是其设计制作难度大，成本高，以及无法实现复杂光场自由控制的不足，限制了其在实际光学系统中的应用。

超表面是最近发展起来的纳米光子学领域的一个重要研究方向，通过微纳结构，超表面可以实现光场控制并制作为超表面成像器件和光学功能元件。其具有亚波长控制精度与高度集成化的特点，同时可设计实现多功能光学控制、全息成像、偏振转换、反常折反射等功能元件。由于其设计复杂精细，制作加工需要亚波长控制精度，成本很高，能量利用效率有限，因此其应用发展与应用领域收到了一定的制约。

上述方法各有所长，但都有一个共同的缺点：每个器件针对特定的光束而设计，且制作好的光学元件功能限定而无法灵活地调节其透射函数。因此，无法实现多功能光学变换效果，无法构建实时可控的光学元件与系统。

那么是否有一种方法，可以全面、准确的表征系统对任意光场的调控作用并且可以实现灵活智能的变换呢？实际上由巴黎工业物理和化学高等教育机构社提出的“光学传输矩阵”可以较为理想的描述上述作用，一旦散射介质的光学传输矩阵被测量，其对于入射光场的作用就变得可控，也就是说此时的散射介质可以充当可编程光学元件实现光波整形和光束变换，这是一种可实现多功能光学变换效果、构建实时可控光学元件的新颖思路，但是在目前的新体制光学成像与光场调控技术领域中，并没有较为具体的系统或结构利用散射介质的光学传输矩阵实现对任意光场的调控作用，以及任意改变散射介质以构建更为复杂的光场。故本发明提出的基于散射介质的数字化可编程光学元件，其使用前提就是测得散射介质的光学传输矩阵。

目前，测量散射介质光学传输矩阵的主要测量方法有：相位匹配方法，空间频率分解法、波前相位调制法以及全场四步相移干涉测量方法等。