一种基于改造传输矩阵生成对称散斑的装置和方法

本发明属于散斑工程技术，具体为一种基于改造传输矩阵生成对称散斑的装置和方法。

背景技术：

1、光在折射率分布不均匀的介质中传播时振幅和相位会受到扰动而偏离平面波成为复杂的空间分布“散斑图样”。包含散射介质在内的光学系统的输入场与输出场之间的关系可以用一个光学传输矩阵来描述，通过控制该传输矩阵可以实现对输出散斑图样的控制。

2、目前通过利用传输矩阵来控制输出散斑分布的方法研究有：a.boniface等人基于实验中测量得到的传输矩阵，在傅里叶域通过添加一个任意掩膜计算得到一个“定制”算子从而实现矩阵的改造，并利用改造后的矩阵实现了聚焦的涡旋光斑等；louisiane devaud等人基于实验测得的传输矩阵，在其傅里叶域通过添加一个掩膜进行滤波从而实现了对输出散斑分布的控制，最终实现了x方向拉长的散斑以及短程周期性散斑等散斑分布。上述方法均需要对传输矩阵的每一列输出的频域进行滤波操作，过程复杂。并且上述方法对散斑的控制均通过控制输出频率来实现，对散斑控制有限。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本发明提出了一种基于改造传输矩阵生成对称散斑的装置。

2、实现本发明目的的技术方案为：一种基于改造传输矩阵生成对称散斑的装置，包括激光光源、第一偏振片、扩束器、第一分束镜、衰减片、第二偏振片、反射镜、第二分束镜、第三分束镜、空间光调制器、第一透镜、光阑、第二透镜、第一物镜、散射介质、第二物镜、第三透镜、第三偏振片、光电探测器；所述激光光源、第一偏振片、扩束器、第一分束镜、衰减片、第二偏振片、反射镜、第二分束镜、第三分束镜、空间光调制器、第一透镜、光阑、第二透镜、第一物镜、散射介质、第二物镜、第三透镜、第三偏振片、光电探测器被设置为：

3、所述激光光源发出的激光由第一偏振片选择偏振态，以满足空间光调制器的偏振调制要求；得到的激光经扩束器实现准直扩束；准直扩束后的激光被第一分束镜分成两束平行光，其中一束平行光经衰减片传播实现光强的衰减，由第二个偏振片选择特定方向的偏振光出射；光束作为参考光继续传播，经反射镜反射传播到第二分束镜上；另一束平行光被第三分束镜继续分成两束平行光，其中一束平行光照射到空间光调制器上进行调制；调制后的光束重新经过第三分束镜后被分成两束光；一束光被反射到光路外，另一束光向前继续传播经第一透镜、光阑、第二透镜实现缩束滤波；得到的缩束光束被第一物镜聚焦到散射介质(15)上得到散射光；得到的散射光由第二物镜收集；经第三透镜传播，在第二分束镜处，散射光与参考光发生干涉；干涉光经第三偏振片选择特定偏振方向的光出射，最后被光电探测器所探测。

4、本发明还提出了一种基于改造传输矩阵生成对称散斑的方法，具体步骤为：

5、步骤1、使用空间光调制器加载哈达玛矩阵的列向量，由光电探测器接受探测光束经散射介质后形成的散斑图样，使用五步移相法测量散射系统的传输矩阵；

6、步骤2、生成一个改造因子，对传输矩阵实施变换操作，得到改造传输矩阵；

7、步骤3、利用初始传输矩阵与改造传输矩阵的共轭转置构成一个新矩阵；

8、步骤4、对新矩阵实施特征分解得到特征输出模，利用改造传输矩阵数值相位共轭反演得到输入模式，取输入模式相位加载到空间光调制器上，调制光经散射介质散射，在光电探测器上得到对称散斑图。

9、优选地，在空间光调制器的调制区域加载频，从而在正一衍射级处得到目标光束。

10、优选地，由改造因子对初始传输矩阵实施变换得到的改造传输矩阵具体为：

11、knew＝g×kobs

12、式中,knew表示改造传输矩阵，g表示改造因子,kobs表示初始传输矩阵。

13、优选地，由初始传输矩阵与改造传输矩阵的共轭转置构成的新矩阵具体为：

14、

15、式中，w表示新矩阵，knew表示改造传输矩阵，kobs表示初始传输矩阵。

16、优选地，对新矩阵实施特征分解的具体公式为：

17、wen＝αnen

18、式中，en表示特征向量,αn表示特征值，wen为特征输出模。

19、优选地，选择新矩阵的最大特征值对应的特征向量，即第一特征向量作为输出，利用改造传输矩阵数值相位共轭反演得到的输入模式具体为：

20、

21、式中，表示第一特征输出对应的输入模，表示第一特征输出模，knew表示改造传输矩阵。

22、优选地，取输入模式的相位加载到空间光调制器上，调制光经散射介质散射，在光电探测器上得到的对称散斑图具体为：

23、

24、式中，表示输出对称散斑，k表示散射系统真实的传输矩阵，表示第一特征输出对应的输入模的相位。

25、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

26、1)本发明的光路严谨，引入参考臂并且在调制区域加载载频，保证了参考光光强的均匀分布以及消除了零级光对信号光的影响，提高了传输矩阵的测量精度；

27、2)本发明无需对传输矩阵的输出频域进行滤波，可对传输矩阵直接施加变换操作，

28、3)本发明实现了对称分布的散斑图样。

29、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种基于改造传输矩阵生成对称散斑的装置，其特征在于，包括激光光源(1)、第一偏振片(2)、扩束器(3)、第一分束镜(4)、衰减片(5)、第二偏振片(6)、反射镜(7)、第二分束镜(8)、第三分束镜(9)、空间光调制器(10)、第一透镜(11)、光阑(12)、第二透镜(13)、第一物镜(14)、散射介质(15)、第二物镜(16)、第三透镜(17)、第三偏振片(18)、光电探测器(19)；所述激光光源(1)、第一偏振片(2)、扩束器(3)、第一分束镜(4)、衰减片(5)、第二偏振片(6)、反射镜(7)、第二分束镜(8)、第三分束镜(9)、空间光调制器(10)、第一透镜(11)、光阑(12)、第二透镜(13)、第一物镜(14)、散射介质(15)、第二物镜(16)、第三透镜(17)、第三偏振片(18)、光电探测器(19)被设置为：

2.根据权利要求1所述的基于改造传输矩阵生成对称散斑的装置，其特征在于，所述激光光源(1)为连续型光器，发出的光为连续型可见激光。

3.根据权利要求1所述的基于的改造传输矩阵生成对称散斑的装置，其特征在于，所述第二偏振片(6)、第三偏振片(18)选择偏振方向垂直光轴的光束出射。

4.基于权利要求1-3任一所述装置的方法，其特征在于，具体步骤为：

5.根据权利要求4所述的基于改造传输矩阵生成对称散斑的方法，其特征在于，在空间光调制器(10)的调制区域加载频，从而在正一衍射级处得到目标光束。

6.根据权利要求4所述的基于改造传输矩阵生成对称散斑的方法，其特征在于，由改造因子对初始传输矩阵实施变换得到的改造传输矩阵具体为：

7.根据权利要求4所述的基于改造传输矩阵生成对称散斑的方法，其特征在于，由初始传输矩阵与改造传输矩阵的共轭转置构成的新矩阵具体为：

8.根据权利要求4所述的基于改造传输矩阵生成对称散斑的方法，其特征在于，对新矩阵实施特征分解的具体公式为：

9.根据权利要求4所述的基于改造输矩阵生成对称散斑的方法，其特征在于，选择新矩阵的最大特征值对应的特征向量，即第一特征向量作为输出，利用改造传输矩阵数值相位共轭反演得到的输入模式具体为：

10.根据权利要求4所述的基于改造输矩阵生成对称散斑的方法，其特征在于，取输入模式的相位加载到空间光调制器(10)上，调制光经散射介质(15)散射，在光电探测器(19)上得到的对称散斑图具体为：

技术总结
本发明公开了一种基于改造传输矩阵生成对称散斑的装置和方法。所述方法具体为：首先使用空间光调制器调制激光来测量散射系统的传输矩阵；接着生成一个改造因子对传输矩阵实施变换得到改造传输矩阵；初始传输矩阵与改造传输矩阵的共轭转置构成一个新矩阵；对该矩阵实施特征分解得到特征输出模，利用改造传输矩阵数值相位共轭反演可得到输入模，取其相位加载到空间光调制器上，在探测平面可得到对称分布的散斑图样。本发明可以控制散斑分布，生成对称形式的散斑图样；本发明光路采取双光臂，最大化可调控的输入模式数量，测得传输矩阵的效果好。

技术研发人员：辛煜,袁硕,张春旭
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11