部分相干多模高斯光束的產生系統及測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種部分相干多模高斯光束的產生系統及測量裝置，產生系統依次包括：激光器、第一線偏振片、第一偏振分光鏡、衰減片、第一平面鏡、第二平面鏡、擴束鏡、第二偏振分光鏡、第二線偏振片、聚焦透鏡、圓形光闌、旋轉毛玻璃片、準直凸透鏡和高斯濾波片，旋轉毛玻璃片表面包括若干顆粒，顆粒大小遵從高斯統計分布。本實用新型獲得的部分相干多模高斯光束在源平面都是高斯分布型，但是隨著傳輸距離的增加光束形狀會逐步演化，光強的分布形狀會從高斯分布演化為平頂分布或者空心分布，對粒子的捕獲、熱處理等方面有著重要的作用。
【專利說明】部分相干多模高斯光束的產生系統及測量裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及應用光學【技術領域】，特別是涉及一種部分相干多模高斯光束的產生系統及測量裝置。
【背景技術】
[0002]自激光出現，一直被人們利用與改進，極大地促進了社會的發展和進步。高相干性是激光四大基本特性之一，在很多領域人們一直利用這個特性，但是經過長期的實踐應用研究表明，低相干性的光束在某些應用領域(比如:大氣光通信、光學遙感等)比高相干光束更具優勢。在自然界，完全相干光是不存在的，相干長度都是一個有限值，人們把相干長度介于零到無窮大之間的這一類光束就稱為部分相干光束。部分相干光束的基本理論模型一般為高斯-謝爾模型，常用的光束源包括高斯謝爾模光源等。
[0003]近來，具有不同復相干度的部分相干光束引起了研究者們很大的興趣，特點在于:對其關聯函數進行調制，而非光源光強分布。其表現在于:其源場光強分布為高斯型，而遠場光強分布由關聯函數決定，由于關聯特性的不同，出現具有諸如橢圓、空心等特殊形狀光強。之前人們研究的光束是對源光強進行調制，那么在光束的傳輸的過程中，源平面以及近場光強分布是有調制函數來決定，但是隨著傳輸距離的增加，光束逐漸退變成高斯型。具有不同復相干度的部分相干光束的關聯特性決定其遠場光強分布，所以許多人對具有不同復相干度的光束進行了相關的研究和報道，Gori等人討論了標量部分相干光束和電磁隨機光束關聯函數應滿足的基本條件；基于這些基本條件，最近人們提出了很多關于具有不同復相干度的部分相干光束=Lajunen等人介紹了一類具有非均勻關聯分布的部分相干光束或部分相干脈沖，并表明這樣的光束顯示出一些特別的傳輸特性，比如說自聚焦和強度最大值的橫向漂移；Mei等人介紹了具有不同譜相干度都能在遠場產生環狀光斑的部分相干光束；Wang等人研究了捕圓聞斯謝爾|旲、拉蓋爾聞斯謝爾|旲和余弦-聞斯關聯的部分相干聞斯光束等等。
[0004]因為具有不同復相干度的部分相干光束的關聯特性決定其遠場光強分布，由于關聯特性的不同，從而具有諸如空心、平頂等特殊形狀，這些特殊的關聯和光強分布在微粒俘獲、熱處理、信息傳輸等領域具有廣泛的應用。因此，對部分相干光束的研究，特別是具有不同復相干度的部分相干光束的實驗研究具有重要的科學意義和實際價值。
實用新型內容
[0005]有鑒于此，本實用新型的目的在于提供一種部分相干多模高斯光束的產生系統及其測量裝置，部分相干多模高斯光束主要涉及到傳輸遠場光強分布為空心分布或平頂分布，其產生的部分相干多模高斯光束在粒子捕獲、熱處理等發面有著廣泛的應用前景。
[0006]為了實現上述目的，本實用新型實施例提供的技術方案如下:
[0007]—種部分相干多模高斯光束的產生系統，所述產生系統依次包括:激光器、第一線偏振片、第一偏振分光鏡、衰減片、第一平面鏡、第二平面鏡、擴束鏡、第二偏振分光鏡、第二線偏振片、聚焦透鏡、圓形光闌、旋轉毛玻璃片、準直凸透鏡和高斯濾波片，所述衰減片和第一平面鏡位于第一偏振分光鏡的透射光路上，所述第二平面鏡和擴束鏡位于第一偏振分光鏡的反射光路上，所述旋轉毛玻璃片表面包括若干顆粒，顆粒大小遵從高斯統計分布。
[0008]作為本實用新型的進一步改進，所述擴束鏡的擴大系數為可連續性調節，且所述擴束鏡不對光強分布進行改變。
[0009]相應地，一種部分相干多模高斯光束的測量裝置，所述測量裝置位于部分相干多模高斯光束的產生系統的光路上，所述測量系統包括:
[0010]分光鏡，用于將產生系統產生的部分相干多模高斯光束進行分束，形成透射光路和反射光路，按照1:1分束；
[0011 ] 位于透射光路上的第一凸透鏡和光束分析儀，所述光束分析儀測量光束的傳輸光強，所述光束分析儀上連接有計算機，計算機對光束的傳輸光強分布進行分析；
[0012]位于反射光路上的第二凸透鏡和CXD相機，CXD相機接收光強分布信息，所述CXD相機上連接有計算機，計算機對CCD相機所拍的光強分布圖片進行疊加關聯處理，得到光束源的關聯分布信息。
[0013]作為本實用新型的進一步改進，所述第一凸透鏡與高斯濾波片的距離為第一凸透鏡的焦距，即;所述第二凸透鏡與高斯濾波片和CCD相機之間的距離均為第二凸透鏡焦距的兩倍，即2f2 ;所述第一凸透鏡與光束分析儀之間的距離為0?f\，對應著光束從源場傳輸到無窮遠。
[0014]本實用新型部分相干多模高斯光束的產生系統及其測量裝置具有以下有益效果:
[0015]產生系統和測量裝置器件易購置、較廉價，并且這些器材對光強吸收比較小，所以對激光強度要求較小；
[0016]產生系統的結構和理論比較簡單，對兩束高斯光束進行合成，并經過后面的裝置，可實現多模高斯光束，可通過對第二線偏振片調節，可在遠場獲得空心光束和平頂光束；
[0017]擴束鏡與圓形光闌為連續可調式元器件，具有較好的適用性；
[0018]測量裝置利用CCD對光強分布進行拍照，并利用計算機對所拍的照片進行疊加，可獲得關聯的二維圖像，也可獲得一維圖像，其操作簡單、易于調整。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1為本實用新型一實施方式中一種部分相干多模高斯光束產生系統的結構不意圖；
[0021]圖2為本實用新型一實施方式中部分相干多模高斯光束(遠場為空心分布)在光源平面上的光強等高分布圖；
[0022]圖3為本實用新型一實施方式中部分相干多模高斯光束(遠場為空心分布)在光源平面上的關聯函數模的等高分布圖；
[0023]圖4為本實用新型一實施方式中部分相干多模高斯光束(遠場為平頂分布)在光源平面上的光強等高分布圖；
[0024]圖5為本實用新型一實施方式中部分相干多模高斯光束(遠場為平頂分布)在光源平面上的關聯函數模的等高分布圖；
[0025]圖6為本實用新型一實施方式中一種部分相干多模高斯光束的產生系統和測量裝置的結構示意圖；
[0026]圖7為本實用新型一實施方式中部分相干多模高斯光束(遠場為空心分布)經焦距為Π的透鏡聚焦后，傳輸z = 0.71Π時的光強等高分布圖；
[0027]圖8為本實用新型一實施方式中部分相干多模高斯光束(遠場為空心分布)經焦距為fl的透鏡聚焦后，傳輸z = fl (相當于傳輸到無窮遠處)時的光強等高分布圖；
[0028]圖9為本實用新型一實施方式中部分相干多模高斯光束(遠場為平頂分布)經焦距為fl的透鏡聚焦后，傳輸z = fl (相當于傳輸到無窮遠處)時的光強等高分布圖。
[0029]圖10為本實用新型一實施方式中第二偏振分光鏡出來的透射光束和反射光束電場的振動方向與第二線偏振片透射方向的分布示意圖。
【具體實施方式】
[0030]為了使本【技術領域】的人員更好地理解本實用新型中的技術方案，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本實用新型保護的范圍。
[0031]參圖1所示，在本實用新型中，一種部分相干多模高斯光束的產生系統依次包括激光器1、第一線偏振片2、第一偏振分光鏡3、衰減片4、第一平面鏡5、第二平面鏡6、擴束鏡7、第二偏振分光鏡8、第二線偏振片9、聚焦透鏡10、圓形光闌11、旋轉毛玻璃片12、準直凸透鏡13和高斯濾波片14，其中，衰減片4和第一平面鏡5位于第一偏振分光鏡3的透射光路上，第二平面鏡6和擴束鏡7位于第一偏振分光鏡3的反射光路上。旋轉毛玻璃片12表面包括若干顆粒，顆粒大小遵從高斯統計分布。
[0032]對應地，該部分相干多模高斯光束的產生方法具體包括:
[0033]S1、激光器發出準直高斯光束,經由第一線偏振片后產生線偏振的高斯光束；
[0034]S2、線偏振的高斯光束,通過第一偏振分光鏡后,產生兩束偏振方向相互垂直且傳輸方向也相互垂直的透射光束和反射光束，透射光束通過衰減片，再通過第一平面鏡反射到第二偏振分光鏡上，反射光束通過第二平面鏡反射，再經過擴束鏡對光斑進行擴大，到達第二偏振分光鏡上，兩束偏振互相垂直的高斯光束通過第二偏振分光鏡合成得到合成光束；
[0035]S3、合成光束通過第二線偏振片，經聚焦透鏡匯聚并經過圓形光闌截取理想光束，打在旋轉毛玻璃片上；
[0036]S4、通過旋轉毛玻璃片后產生的部分相干光經過準直凸透鏡準直，經過準直后輸出的光束通過高斯濾波片的整型濾波，即可得到部分相干多模高斯光束。
[0037]在本實用新型的一【具體實施方式】中，由激光器I發出高斯分布型激光光束，激光器I為He-Ne氣體激光器,波長為632.8nm ;光束經過第一線偏振片2得到線偏振的高斯光束；線偏振的高斯光束經過第一偏振分光鏡3分成兩束偏振方向相互垂直和傳輸方向也相互垂直的透射光束和反射光束；透射光束經過衰減片4進行光強減小，再經第一平面鏡5反射到第二偏振分光鏡8 ;反射光束經第二平面鏡6改變傳輸方向，并通過擴束鏡7來獲得光斑增大，最后同樣到達第二偏振分光鏡8 ;透射光束和反射光束經第二偏振分光鏡8合成一束光束，通過旋轉第二線偏振片9的偏振角度，可實現對兩束高斯光束進行分解合成，可得到由兩束高斯光束合成的空心光束和平頂光束，輸出光束的電場表達式為:
Zf(W (P) ^ Zfr COS^+Zf1 Sin^
[0038]「歹21y-，
= ^^exp--- cos<9+ exp--r- sin^ ^
L <」L [42(0,,)」
[0039]其中Ex與Ey分別表不到達第二偏振分光鏡8的兩束透射光束與反射光束的電場，因為到達第二偏振分光鏡的兩束光束的偏振方向相互垂直，即Ex與Ey振動方向相互垂直，如圖10所示，Etotal的方向即第二線偏振片9的透射方向，Θ即為從Ex轉向Etotal的方向，逆時針為正，順時針為負，角度范圍為-180 < Θ彡180° ;當Θ =-45°，那么從第二線偏振片9出來的光束為空心光束，當Θ = 116.57°，那么從第二線偏振片9出來的光束為平頂光束汸是系數；P = (U)是參考面上的坐標矢量；cos(.)、sin(.)分別代表余弦、正弦函數；eXp (.)代表e指數函數；ω α為透射光束的束腰半徑，為反射光束的束腰半徑。
[0040]出射光束經由聚焦透鏡10并經圓形光闌11截取理想光束，打在旋轉毛玻璃片12上，可通過調整聚焦透鏡10與旋轉毛玻璃片12之間的距離可以調節產生光束的相干長度的大小。旋轉毛玻璃片表面顆粒大小遵從高斯統計分布；從旋轉毛玻璃片12透射出來的光束，經準直凸透鏡13準直后，由高斯濾波片對其進行光束整形，最后可得部分相干多模高斯光束。其中光路的傳輸函數可以寫成:
[0041]//(r,.s j---yr(r)exp ^-{ξ2-2χξ) exp ^:(η2-2νη)，
[0042]其中，？ = (υ)和? = 分別代表入射光束和出射光束平面上的坐標矢量；λ
為激光器輸出光束波長，f為準直凸透鏡的焦距，Γ(/.) = α\ρ(-Γ::/4σ.,丨)為高斯濾波片的透射函數，其中σ ^代表高斯濾波片的透射寬度。
[0043]最后從高斯濾波片出來的部分相干多模高斯光束，其關聯函數可以分別寫成:
[0044]參圖3所示，從第二線偏振片9出來為空心光束，其關聯函數為:
[0045]
f /—.~~\ 2 nNf (—? \ 2f /—?.~~2
“、I { Κ+Τ2Λ (d) 8 2(,2-,1)(d)
JAr^rA =-^——exp 一~l-^ exp ---^ --exp ——-——^ +2exp --——，
0(2π?δ2 Λ 4σο J2^ 33^2Ρ 義
L V/ VJ VJ _
[0046]參圖5所示，從第二線偏振片9出來為平頂光束，其關聯函數為:
[0047]
“--、 I ( ΓΓ+Γ,η2 m ,1 ,.2-幻
=eXP —_3eXP+8eXP
L VJ VJ VJ_
[0048]其中，T1 =(XpJ1)及r2 = (x2,_y2)為所產生光束光源面上的任意兩點，％為高斯濾波片透射寬度，δ = λ?./π Coci代表光源處的空間相干長度。
[0049]產生部分相干多模高斯光束，其具體的操作步驟如下:
[0050]1、從激光器I發出高斯分布型激光光束，光束經過第一線偏振片2時，調節第一線偏振片2的偏振角，使出射光束成為線偏振的高斯光束；
[0051]2、產生的線偏振高斯光束經過第一偏振分光鏡3后,將產生兩束傳輸方向相互垂直個偏振方向相互垂直的透射光束和反射光束(偏振分光鏡特點:線偏振光束透過偏振分光鏡，可以產生兩束偏振方向相互垂直的線偏振光束，分別為透射光束和反射光束，通過調節入射光束的傳輸方向，可實現透射光束和反射光束的方向互相垂直)，其中透射光束經過衰減片4進行光強的衰減(衰減片可對光強大小進行控制，具體作用下面會給出)，并經第一平面鏡5反射達到第二偏振分光鏡8 ;對于反射光束，先經第二平面鏡6反射，再通過擴束鏡7對其光斑進行一個放大，光斑的大小為透射光斑的2倍，同樣到達第二偏振分光鏡8,第二偏振分光鏡8可將此兩束光束合成一束光束。
[0052]對于到達第二偏振分光鏡8的反射光束和透射光束的強度和大小要求為:
[0053]強度大小要一樣，可以通過對衰減片4的調節，并利用光功率計來測量光強度的大小，來獲得強度一樣；
[0054]對于光斑尺寸要滿足萬倍，通過擴束鏡7來對反射光束進行擴束，可利用BPA (光束分析儀)來測量光束大小，可實現透射光束和反射光束的光斑尺寸滿足萬:1的關系。
[0055]3、這樣的合成光束經過第二線偏振片9 (可將光束進行分解，沿著線偏振片透射的方向，光束可透射過去，垂直的話，無透射光束)，通過調節此線偏振片的偏振方向，可獲得空心光束和平頂光束。
[0056]從第一偏振分光鏡3出來的兩束,可以用Ex和Ey來描述其電場，因為偏振方向是垂直的，即EjJP Ey的振動方向是垂直的，令線偏振9的透射方向與正方向構成了 Θ的夾角(Θ即為從Ex正方向轉向第二線偏振片9透射的方向，逆時針為正，順時針為負，角度范圍為-180 < Θ ( 180° )，如圖10。又滿足到達第二偏振分光鏡8的兩束光束強度大小一致，即電場強度一致，滿足光斑的大小為力:I的關系，那么可以將從第二線偏振片9出來光束電場寫為Ettrtal，其大小為:
= A cos^ + ^sin^
[0057]「f21y2。
=A < exp--- cos Θ + exp--^ sin θ >
V %」(▲")
[0058]Etotal的方向即第二線偏振片9的透射方向；當Θ =-45°，那么從第二線偏振片9出來的光束為空心光束，當Θ =116.57°，那么從第二線偏振片9出來的光束為平頂光束；即只要轉動第二線偏振片9，即可得到空心光束和平頂光束。
[0059]4、得到的目標光束經聚焦透鏡10匯聚，并經圓形光闌11篩選，最后照射到旋轉毛玻璃片12上，調整聚焦透鏡10和旋轉毛玻璃片12之間的距離，可以調節出射光束的相干長度的大小。
[0060]5、由旋轉毛玻璃片12動態散射后的光束，產生了部分相干多模高斯光束，經由準直凸透鏡13準直，并通過高斯濾波片14濾波整型，最后可產生部分相干多模高斯光束。
[0061]參圖6所示，本實用新型還公開了一種部分相干多模高斯光束的光源處關聯的測量以及傳輸過程中光強測量的裝置，在實驗上，由于空間的限制，無法傳輸到很遠，所以用透鏡對產生的部分相干多模高斯光束進行聚焦，可以認為在焦點處相當于傳輸到無窮遠。該測量裝置是建立在產生系統上的，對產生裝置中產生的部分相干多模高斯光束進行測量。測量裝置位于部分相干多模高斯光束的產生系統的光路上，具體包括:
[0062]分光鏡15將產生裝置產生的部分相干多模高斯光束進行分束，形成透射光路和反射光路，按照1:1分束；
[0063]位于透射光路上的第一凸透鏡16和光束分析儀19,光束分析儀測量光束的傳輸光強，光束分析儀上連接有計算機20，計算機20對光束的傳輸光強分布進行分析；
[0064]位于反射光路上的第二凸透鏡17和(XD相機18, (XD相機18接收光強分布信息，所述CCD相機18上連接有計算機20，計算機20對CCD相機18所拍的光強分布圖片進行疊加關聯處理，得到光束源的關聯分布信息。
[0065]其中，第一凸透鏡16與高斯濾波片13的距離為第一凸透鏡16的焦距，即;第二凸透鏡17與高斯濾波片13和CCD相機18之間的距離都為第二凸透鏡17焦距的兩倍，即2f2。第一凸透鏡16與光束分析儀19之間的距離為O?距離，對應著光束從源場傳輸到無窮遠。
[0066]本實用新型以產生部分相干多模高斯光束中其傳輸遠場為空心光束和平頂光束為例，參見附圖2、圖7、圖8、以及圖4、圖9所示，給出多模高斯光束傳輸過程光強的變化，一個在遠場形成空心光束，另外一個在遠場形成平頂光束。參見附圖3和圖5，給出了對應的光源的關聯函數分布圖。這為粒子捕獲、熱處理、工業加工等領域提供了一種產生具有重要實用價值的部分相干多模高斯光束。
[0067]由此可見，部分相干多模高斯光束在源平面都是高斯分布型，但是隨著傳輸距離的增加光束形狀會逐步演化，光強的分布形狀會從高斯分布演化為平頂分布或者空心分布。這對粒子的捕獲、熱處理等方面有著重要的作用。
[0068]綜上所述，本實用新型具有以下有益效果:
[0069]產生系統和測量裝置器件易購置、較廉價，并且這些器材對光強吸收比較小，所以對激光強度要求較小；
[0070]產生系統的結構和理論比較簡單，對兩束高斯光束進行合成，并經過后面的裝置，可實現多模高斯光束，可通過對第二線偏振片調節，可在遠場獲得空心光束和平頂光束；
[0071]擴束鏡與圓形光闌為連續可調式元器件，具有較好的適用性；
[0072]測量裝置利用CCD對光強分布進行拍照，并利用計算機對所拍的照片進行疊加，可獲得關聯的二維圖像，也可獲得一維圖像，其操作簡單、易于調整。
[0073]對于本領域技術人員而言，顯然本實用新型不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本實用新型的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本實用新型。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本實用新型的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本實用新型內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0074]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【權利要求】
1.一種部分相干多模高斯光束的產生系統，其特征在于，所述產生系統依次包括:激光器、第一線偏振片、第一偏振分光鏡、衰減片、第一平面鏡、第二平面鏡、擴束鏡、第二偏振分光鏡、第二線偏振片、聚焦透鏡、圓形光闌、旋轉毛玻璃片、準直凸透鏡和高斯濾波片，所述衰減片和第一平面鏡位于第一偏振分光鏡的透射光路上，所述第二平面鏡和擴束鏡位于第一偏振分光鏡的反射光路上，所述旋轉毛玻璃片表面包括若干顆粒，顆粒大小遵從高斯統計分布。
2.根據權利要求1所述的產生系統，其特征在于，所述擴束鏡的擴大系數為可連續性調節，且所述擴束鏡不對光強分布進行改變。
3.一種部分相干多模高斯光束的測量裝置，所述測量裝置位于權利要求1所述的部分相干多模高斯光束的產生系統的光路上，其特征在于，所述測量系統包括: 分光鏡，用于將產生系統產生的部分相干多模高斯光束進行分束，形成透射光路和反射光路，按照1:1分束； 位于透射光路上的第一凸透鏡和光束分析儀，所述光束分析儀測量光束的傳輸光強，所述光束分析儀上連接有計算機，計算機對光束的傳輸光強分布進行分析； 位于反射光路上的第二凸透鏡和CCD相機，CCD相機接收光強分布信息，所述CCD相機上連接有計算機，計算機對CCD相機所拍的光強分布圖片進行疊加關聯處理，得到光束源的關聯分布信息。
4.根據權利要求3所述的測量裝置，其特征在于，所述第一凸透鏡與高斯濾波片的距離為第一凸透鏡的焦距，即;所述第二凸透鏡與高斯濾波片和CCD相機之間的距離均為第二凸透鏡焦距的兩倍，即2f2 ;所述第一凸透鏡與光束分析儀之間的距離為0?f\，對應著光束從源場傳輸到無窮遠。
【文檔編號】G02B27/28GK203930218SQ201420239425
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月12日 優先權日:2014年5月12日
【發明者】梁春豪, 王飛, 劉顯龍, 蔡陽健 申請人:蘇州大學