[发明专利]测量矢量随机电磁光场二维空间相干结构分布的方法

说明书

本发明公开了一种测量矢量随机电磁光场二维空间相干结构分布的方法，包括以下步骤：搭建测试光路；遮挡参考光，光探测器记录光强分布；转动四分之一波片，使其快轴方向与线偏振片的透光轴方向一致；遮挡待测矢量随机光，移除参考光的遮挡，光探测器记录光强分布；移除待测矢量随机光的遮挡，光探测器记录光强分布；转动四分之一波片，使其快轴方向与线偏振片的透光轴方向垂直；遮挡待测矢量随机光，移除参考光的遮挡，光探测器记录光强分布；移除待测矢量随机光的遮挡，光探测器记录光强分布；计算获得待测矢量随机光的振幅和相位。其能够测出矢量随机电磁光场的振幅分布和相位分布，测试速度快。

技术领域

本发明涉及电磁光场测量技术领域，具体涉及一种测量矢量随机电磁光场二维空间相干结构分布的方法。

背景技术

矢量随机电磁光场是标量随机光场的矢量拓展，其在自由空间传播、光学干涉、光与物质相互作用等方面展现出丰富的偏振和相干特性。矢量电磁相干理论在描述矢量随机电磁光场的统计特性中起指导作用，根据矢量电磁相干理论，矢量随机电磁光场的二维空间相干结构可由复相干矩阵表征，复相干矩阵能够详细的描述在一对点处波动光场分量之间的相关性，并且对复相干矩阵的研究已经在晶体光学、非相干光源重建和光学成像等领域得到了广泛的应用。与标量随机光场中的场相干度不同，矢量随机电磁光场的复相干矩阵不仅包括同一个场里两个不同点之间的关联性，还涉及同一点上两个正交分量之间的关联性。

研究人员在对矢量电磁光场的相干结构进行研究的过程中发现，通过调控相干结构可以方便有效的实现光场调控，实现一些奇特的传输特性。比如：2014年，陈亚红等人提出了一种具有特殊空间相干结构的部分相干矢量光束，由于相干结构的特殊性，这种矢量光束在自由空间中表现出非凡的传播特性：这种光束在光源处是非偏振的，但在传播过程中偏振特性逐渐增强，并且在远场处初始空间相干度很低的情况下显示出很纯的径向偏振态。之前对矢量光场相干结构的研究，主要集中在相干结构的振幅分布上，但是最近很多研究都表明空间二维相干结构的相位分布也对矢量光场特性研究起到了重要作用。陈亚红等人2019年就通过在空间相干度中引入线性相位，实现了矢量随机电磁光场自由空间传输过程中的偏振自漂移。此外也有很多研究表明，复相干矩阵的振幅和相位测量可以在图像信息加密、结晶结构探测、活细胞相位成像、复杂介质中动态目标追踪、非相干光源恢复等研究中得到应用。

由于二维空间相干结构在矢量随机电磁光场调控中起到的重要作用，使得对空间相干结构分布的测量成了本研究领域的重点与难点问题。到目前为止，实现测量空间相干结构的方法大致有杨氏双孔测量法和经典HBT(汉波利布朗特威思)实验法两种。

第一种杨氏双孔测量法是Wolf在2007年提出的，对于矢量随机电磁光场来说，不同点之间复相干矩阵的振幅信息可以通过传统的杨氏双孔实验形成干涉条纹的可见对比度来测量，相位信息则可以通过测量多次干涉条纹的位移推算得到；而同一点上两个正交分量之间的相干性最近也通过修正杨氏双孔实验形成的斯托克斯参量干涉条纹测得。但是该方案在测量矢量随机电磁光场二维空间相干矩阵的相位信息时，需要通过多次测量不同间隔的杨氏双孔干涉条纹，并且杨氏双孔实验中的开孔必须非常小，影响了系统的光效率。尽管现在也有一些方法能在某些方面完善杨氏双孔测量法的局限性，但是这些方法仍不可避免的存在光效率低、实验操作困难、耗时长等缺点。

第二种方法是Friberg等人在2011提出的，测量服从高斯统计的矢量随机电磁光场时，可以采用的经典HBT(汉波利布朗特威思)实验法，原理是通过测量更高阶的相干性来恢复矢量随机电磁光场的二阶相干性，在实验中测量随机光场的强度互相关，结合高斯统计定理计算得到二维空间复相干矩阵。但是经典的HBT实验只能测量到复相干矩阵的振幅分布，相位信息无法测量，在后期运用算法恢复相位信息则会大大增加耗时。

黄钊锋等人在专利[黄钊锋，陈亚红，王飞，蔡阳健，利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，国家发明专利，CN201910791478.3]中提出一种利用光强关联的方法测量随机光场的复相干度，但是该方法只适用于标量光场，无法实现矢量电磁光场二维相干结构的测量。

发明内容