[发明专利]一种产生矢量非均匀关联光束的系统及方法

说明书

本发明涉及光学技术领域，公开了一种产生矢量非均匀关联光束的系统及方法，其方法包括：产生第一激光束；对第一激光束进行扩束；将扩束后的第一激光束转换为光强为不同模式相互叠加的第二激光束；将第二激光束聚焦；在第二激光束聚焦后的焦平面上滤出正负一级衍射光；将滤出的正负一级衍射光分别转换成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束；将所述左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束准直；将准直后的左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束合成一束矢量光束，所述矢量光束即为矢量非均匀关联光束。本发明所产生的矢量非均匀关联光束不仅具有较低的闪烁，还具有较高的强度，为自由空间通信的通信载体、微粒操控以及纵向场整形等方面提供了绝佳的选择。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种产生矢量非均匀关联光束的系统及方法。

背景技术

空间相干性是光场的固有特性，它决定着光束传播特性，在光学信息成像、相干衍射成像等领域都有重要的影响。过去几年里，光学相干理论发展迅速。对部分相关光束的研究表明，该光束在自由空间光通信、高分辨率成像、原子冷却以及光束整形方面都有很重要的应用。但是目前为止大部分的研究还是局限于空间均匀相干分布，也称之为谢尔模光束，它仅依赖于空间两点的距离。近几年，大家更多关注到非均匀关联光束。不同于谢尔模关联光束，非均匀关联光束由于其独特的相干特性，在空间传输中表现出了特殊的自聚焦以及自偏移的特性。这种光束能够在传输过程中能够降低闪烁，保持大气湍流中的长距离传输。因此非均匀关联光束整形或是空间光通信中具有更好的应用。

除了相干性以外，偏振也是光场调控研究中一个重要参量，对于光场偏振调控一直是光学领域中的研究热点。这些新型矢量光场揭示了一系列新型物理效应，譬如其紧聚焦特性等，在微粒操控，飞秒微加工，纵向场整形等方面有重要的应用。

光场的相干性与偏振特性存在紧密的内在联系，目前能够产生矢量非均匀光束的文章屈指可数，因为相比于均匀关联光束的实验产生来说，产生非均匀关联光束的在实验上的实现较为困难，对于矢量非均匀的研究就更少了，2011年Macías-Romero等人[Macías-Romero C,Lim R,ForemanM R,et al.Synthesis ofstructured partially spatiallycoherent beams.Opt.Lett.,2011,36(9),1638.]利用模式展开提供了一种产生非均匀光束的方法，该方法利用旋转扩散产生每个相干模式不互相干的光源耦合进一捆单模光纤，再利用空间光调制器多路复用加载全息片，对这些互不相关的相干光束进行叠加来实现非均匀的部分相干光束，该方法理论上可以产生任意空间相干性的部分相干光束，但其模式局限于单模光纤的数量以及空间光调制器的硬件参数，并且对于空间光调制器上加载的全息片的设计要求苛刻等原因，其实际应用价值收到影响。2013年，Cui等人[Cui S,Chen Z,Zhang L,et al.Experimental generation of nonuniformly correlated partiallycoherent light beams.Opt.Lett.,2013,38(22),4821.]提出了一种利用随机相位屏去产生非均匀关联光束的方法，该方法仅能产生作者定义关联的非均匀光束，缺乏对这一特定非均匀光束的理论研究。2017年，Hyde等人[Hyde IV M W,Bose-Pillai S,Xiao X,et al.Afast and efficient method for producing partially coherent sources.J.Opt.,2017,19(025601),025601.]提出了一种利用伪模叠加的方法。利用变形镜变化速率较快的优点，对所求得的相干模式按照特定概率进行非相干叠加。该方法可以产生任意均匀部分相干光束以及某一类型的非均匀部分相干光。同年11月，该作者发表了该篇文章的实验结果[Hyde IV M W,Bose-Pillai S R,Wood RA.Synthesis ofnon-uniformlycorrelatedpartially coherent sources using a deformablemirror.Appl.Phy.Lett.,2017,111(10),101106.]，但事实上实验结果图并不特别理想。2020年，[Zhu X,Yu J,ChenY,et al.Experimental synthesis of random light sourceswith circular coherence by digital micro-mirror device.Applied PhysicsLetters,2020,117(12),121102.]专利申请人利用数字微镜器件以及朗奇光栅，利用模式叠加的方法产生了标量非均匀关联光束，但是缺乏矢量研究。