透过散射介质的圆柱矢量光束生成方法

1.本发明涉及通过散射介质生成各种结构化光束，属于波前整形方法领域，尤其涉及透过散射介质的圆柱矢量光束生成方法。


背景技术：

2.在日常生活中有很多散射介质，例如生物组织、浑浊的液体和雨雾等，光通过散射介质时发生散射效应，波前会被破坏。通常可以借助一些特别的光学手段来处理散射介质的散射问题。研究人员提出了光学传输矩阵技术，通过传输矩阵就建立了输入光场和输出光场之间的联系，可以实现波前整形。
3.通过散射介质实现灵活的光束整形在生物组织成像和高分辨成像中具有重大意义。迄今为止，利用散射介质在实验上已经证实可以生成传统的oam光束、贝塞尔光束、螺旋光束、针状光束和完美涡旋光束。
4.圆柱矢量光束是指一类偏振态具有空间非均匀分布的光波模式。圆柱矢量光束的强度和偏振在光束横截面上具有轴对称性。其中，电场方向沿着径向的径向偏振光束和沿着方位角的角向偏振光束引起了广泛的关注。这两种偏振光束在材料加工、粒子捕捉、提高存储密度以及高分辨显微镜测量等方面发挥了重要作用。
5.然而，大多数利用散射介质生成特种光束时，都没有考虑散射介质对光偏振特性的影响，而集中在振幅或相位上进行了大量研究。本发明结合圆柱矢量光束的偏振特性，使其与偏振传输矩阵相结合，实现了通过散射介质生成圆柱矢量光束。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出了透过散射介质的圆柱矢量光束生成方法。
7.为了实现上述目的，本方法通过测量水平偏振方向和垂直偏振方向的传输矩阵，并将其与特定相位掩模相乘，获得对圆柱矢量光束进行编码的两个虚拟传输矩阵。经过互相关运算计算得到偏振传输矩阵，对其偏振角进行二元偏振近似，最终进行共轭反演得到圆柱矢量光束。
8.本方法包括以下四个步骤：s1，测量两个传输矩阵；s2，获得两个虚拟传输矩阵；s3，合成偏振传输矩阵；s4，生成圆柱矢量光束。
9.s1：测量两个传输矩阵过程，在空间光调制器中加载不同的相位图可以实现对入射光波进行调整，旋转所述第二偏振片，分别测量得到以水平偏振方向入射以及以垂直偏振方向入射的传输矩阵th和tv；
10.s2：获得两个虚拟传输矩阵过程，分别对两个偏振方向的传输矩阵t
x
进行二维傅里叶变换产生里叶变换产生里叶变换产生
式中，为的一列，c代表水平偏振方向h或者垂直偏振方向v，k为波矢量，t
mn
为第m个输出模式的入射光场连接到第n个输入模式。
11.圆柱矢量光束分别包括径向偏振光束与角向偏振光束，所述径向偏振光束为垂直偏振方向的hg
10
与水平偏振方向的hg
01
叠加形成；所述角向偏振光束为垂直偏振方向的hg
01
与水平偏振方向的hg
10
叠加形成。若想生成所述径向偏振光束，则将的每一列乘以相位掩膜p，以在傅里叶域中获得新的数值滤波元素：素：其中，k
x
为x方向的波矢量，ky为y方向的波矢量。
12.然后，通过对以上两个等式进行二维傅里叶逆变换返回到空域：然后，通过对以上两个等式进行二维傅里叶逆变换返回到空域：从而获得对径向偏振光束进行编码的两个虚拟传输矩阵和
13.s3：合成偏振传输矩阵过程，设所述虚拟传输矩阵组合并与含有偏振角的偏振传输矩阵之间进行互相关，并对所得线性偏振角进行二元偏振近似，从而确定所述偏振传输矩阵；
14.s4：生成圆柱矢量光束过程，将经过算法处理的所述偏振传输矩阵通过共轭反演，经过光路回放，实现在所述散射介质后面的输出平面生成圆柱矢量光束中的径向偏振光束。
15.与现有技术相比，本发明提供的技术方案的有益成果是：本方法首次实现经过散射介质生成圆柱矢量光束，相较于经过散射介质生成涡旋光束，圆柱矢量光束因为其特殊的偏振分布以及聚焦特性，广泛应用于各个领域。
附图说明
16.图1本发明提供的透过散射介质的圆柱矢量光束生成方法系统示意图。
17.图2基于透过散射介质的圆柱矢量光束生成方法流程图。
18.图3具体实施方案的透过散射介质生成圆柱矢量光束结果，(a)本发明所生成的径向偏振光束，(b)本发明所生成的角向偏振光束。
19.附图标记说明：
20.1、激光器，2、衰减片，3、显微物镜，4、针孔，5、第一凸透镜，6、第二凸透镜，7、第一反射镜，8、第二反射镜，9、第一1/2波片，10、第一偏振片，11、光阑，12、分光棱镜，13、空间光调制器，14、第二偏振片，15、第三凸透镜，16、散射介质，17、第四凸透镜，18、第三偏振片，19、图像传感器。
具体实施方式
21.下面结合附图给出本发明的实施流程，以详细说明本发明的技术方案。
22.实施例。
23.如图1所示，所述激光器(1)发出的激光由所述衰减片(2)调整光强，以调整到整个光路的适当光强值；随后激光经过所述显微物镜(3)、所述针孔(4)、所述第一凸透镜(5)和所述第二凸透镜(6)实现准直扩束；扩束后的光经过所述第一反射镜(7)和所述第二反射镜(8)将光调至适当光高；所述显微物镜(3)的数值孔径na＝0.3，所述针孔(4)直径为15mm，所述激光器(1)的中心波长为532nm。
24.之后通过所述第一1/2波片(9)和所述第一偏振片(10)校正偏振态，以适应所述空间光调制器(13)的要求，所述空间光调制器(13)采用向列相硅基液晶面板，对垂直线偏振光调制效果最佳；所述光阑(11)将光束的直径调整到合适大小；调整后的光经过所述分光棱镜(12)分成两束平行光，其中一束不被光路所用，另一束平行光照射到所述空间光调制器(13)。
25.所述光阑(11)将光束的直径调整到合适大小，使得光束照射到所述空间光调制器(13)上后，被分为调制中心部分的面积与非中心的参考部分面积比为65％:35％。
26.所述空间光调制器(13)未调制时做反射镜使用，反射的光经过所述分光棱镜(12)和所述第二偏振片(14)后，所述第三凸透镜(15)和所述第四凸透镜(17)构成4f系统，所述散射介质(16)处于4f系统的频谱面后，经过所述第三偏振片(18)检偏后由所述图像传感器(19)采集所生成的散斑图像。
27.测量传输矩阵过程，在所述空间光调制器中加载不同的相位图可以实现对入射光波进行调整，分别旋转所述第二偏振片至水平偏振方向和垂直偏振方向，分别测量得到以水平偏振方向入射以及以垂直偏振方向入射的传输矩阵th和tv；
28.获得对所述圆柱矢量光束进行编码的传输矩阵过程，对所述两个偏振方向的传输矩阵tc进行二维傅里叶变换产生进行二维傅里叶变换产生进行二维傅里叶变换产生
29.式中，为的一列，c代表水平h或者垂直v偏振方向，k为波矢量，t
mn
为第m个输出模式的入射光场连接到第n个输入模式。
30.所述圆柱矢量光束分别包括径向偏振光束与角向偏振光束，所述径向偏振光束为垂直偏振方向的hg
10
与水平偏振方向的hg
01
叠加形成；所述角向偏振光束为垂直偏振方向的hg
01
与水平偏振方向的hg
10
叠加形成。
31.将频域的所述传输矩阵的每一列乘以相对应偏振方向的厄米高斯模获得新的数值滤波元素，将的每一列乘以相位掩膜p,以在傅里叶域中获得新的数值滤波元素：的每一列乘以相位掩膜p,以在傅里叶域中获得新的数值滤波元素：
32.然后，通过对上面两个等式进行二维傅里叶逆变换返回到空域：
33.从而获得对径向偏振光束进行编码的两个虚拟传输矩阵和
34.合成偏振传输矩阵过程，设所述虚拟传输矩阵组合并与含有偏振角的偏振传输矩阵之间进行互相关，并对所得线性偏振角进行二元偏振近似，从而确定所述偏振传输矩阵。
35.生成圆柱矢量光束过程，使用所述空间光调制器(13)进行调制，调制后的光通过所述第三凸透镜(15)将光聚焦至所述散射介质(16)上，所述出射散射光经由所述第四凸透镜(17)，并通过所述第三偏振片(16)进行检偏后由所述图像传感器(17)采集径向偏振光，如图3(a)所示。
36.本发明还可以通过在频域中将所述传输矩阵的每一列乘以角向偏振光所对应的厄米高斯模，从而生成圆柱矢量光束中的角向偏振光束，如图3(b)所示。
37.具体实施方式中的实施例仅代表本发明的一种实施方式。实施例1是按照本发明所提出方法，设计的一种实施装置及流程，不代表本发明的保护范围。所有从事相关技术领域的技术人员，均能够按照本发明提出方法设计多种不同的实施例。凡实施方式符合本发明权利要求，均在本专利的保护范围内。