一种基于散射聚焦的高分辨率矢量扭曲光场产生系统

本发明涉及光电，具体涉及到一种基于散射聚焦的高分辨率矢量扭曲光场产生系统。

背景技术：

1、光沿直线传播这种传统光学成像规律的说法在日常生活中被当作一种常识，但这是在一种相对干净的环境中出现的一种情况。这种说法所存在局限性，就是当光束在非均匀分布的介质中传播时可能会出现相位偏差或去极化效应，人们的常识就不再适用。

2、光经过散射介质改变了原先的波前相位，最终只能观测到出射的散斑图像。2007年，mosk课题组利用波前调制技术使光透过散射介质后能够实现聚焦后，波前相位调制技术引起了广泛关注，得知光学传输矩阵可将透过散射介质的出射光与入射光结合，利用相位共轭技术使之能够在任意位置时刻实现聚焦与成像。近年来，随着对散射光的不断研究，散射聚焦技术愈发丰富，通过研究散射光的性质，通过多种途径实现了透过散射介质聚焦成像的应用。

3、扭曲相位最初是simon和mukunda两人于1993年发现的，他们在寻找最一般的旋转不变部分相干光场时，首次发现了这种由于内部不对称性使得光束在传播过程中发生旋转的相位。2018年，mei等人提出的一种新型扭曲相位由于其表达式的简洁性能够方便快捷的在实验室产生。

4、但遗憾的是现实中经常会有类散射介质的出现，对光路产生影响。2012年，tripathi等提出了一种测量vtm的方法。凭借这种方法可以测算散射介质的vtm，并通过相位共轭和四步相移法对目标光场进行聚焦，但对于复杂的矢量光场，例如扭曲矢量光场通过散射介质的产生问题，就目前而言，市面上还没有一种灵活且稳定的方法可以将扭曲矢量光场在散射介质后面产生出来，尤其是具有高分辨率的扭曲矢量光场，探究这种方法是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种基于散射聚焦的高分辨率矢量扭曲光场产生系统。以此实现通过扭曲相位的调控生成不同的目标扭曲矢量光场，不仅能够快速测算矢量光学传输矩阵，还可以依据所测得的矢量传输矩阵在散射介质后产生具有高分辨率的目标扭曲矢量光场

2、技术方案

3、一种基于散射聚焦的高分辨率矢量扭曲光场产生系统，包括依次排列的激光发生器、4f系统(1)、显微物镜(3)、散射介质(4)、显微物镜(5)、cmos接收器(6)和控制装置；其中，4f系统(1)基于两束正交圆偏光的叠加生成矢量光场，显微物镜(3)对目标进行汇聚，显微物镜(5)对目标进行放大；4f系统(1)包括对相位进行调制的空间光调制器(2)、两个傅里叶透镜、一个双孔滤波器、双胶合λ/4波片和一个朗奇光栅组成，通过双孔滤波器提取空间光调制器(2)反射后谱面上x轴和y轴的+1阶光束，并使两束光分别通过双胶合λ/4波片的不同胶合面转换为左旋、右旋圆偏振光，再通过朗奇光栅将左旋、右旋圆偏振光共线叠加生成目标矢量光束，不同偏振和相位分布的输入光场依赖于加载在空间光调制器(2)上的全息图。散射介质(4)为220砂度的各向同性的磨砂玻璃，对目标进行汇聚的显微物镜(3)用于将入射光的能量进行汇聚以穿透散射介质，对目标进行放大的显微物镜(5)用于收集散射介质后的散射信号。

4、进一步的，利用在空间光调制器(2)中加载不同的全息相位图以达到对输入光场进行相位调制的效果，所生成的扭曲矢量光场表示为：

5、

6、其中a0表示振幅，u表示扭曲系数，表示初相位，α(x,y)＝(δ1(x,y)-δ2(x,y))/2，β(x,y)＝(δ1(x,y)+δ2(x,y))/2，δ1(x,y)和δ2(x,y)分别为加载到空间光调制器(2)中的x方向和y方向的附加相位。

7、进一步的，由两个正交圆偏振光相干叠加得到矢量光场穿过散射介质，其vtm表达为：

8、

9、其中m,n,p,q表示输入平面(m,n)点和输出平面(p,q)点，矢量光束透过显微物镜(3)聚焦在散射介质(4)上，然后被显微物镜(5)收集并以散斑强度图传输到cmos接收器(6)，以hadamard矩阵的每一列作为输入模式，根据四步移相法并通过测量相应的输入模式校准元素，从而得到散射介质vtm的全部组分。

10、进一步的，对vtm整体进行共轭运算，将得到的调制波前相位加载至空间光调制器(2)，以克服散射效应，二位全息光栅的调制函数表示为：

11、

12、其中f0表示空间载频，γ表示调制深度，δx和δy分别表示左旋和右旋圆偏基的携带的相位分布，再将目标的扭曲矢量光场的相位分布附加到空间光调制器(2)中的调制波前相位中，从而能够透过散射介质构造具有空间变化偏振状态的扭曲矢量光束。

13、有益效果：

14、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

15、能够在散射介质后产生具有高分辨率的扭曲矢量光场，其矢量聚焦效果与传统透镜聚焦相比提高近10倍。

16、灵活高，适用于需要在散射介质后产生任意相位或偏振态的高分辨率扭曲矢量光场的领域，并且结构稳定；

17、能够通过扭曲相位的调控生成不同的目标扭曲矢量光场，不仅能够快速测算矢量光学传输矩阵，还可以依据所测得的矢量传输矩阵在散射介质后产生具有高分辨率的目标扭曲矢量光场，具有操作便捷，灵活调控，光场分辨率高，效果稳定等特点。

技术特征：

1.一种基于散射聚焦的高分辨率矢量扭曲光场产生系统，其特征在于：包括依次排列的激光发生器、4f系统(1)、显微物镜(3)、散射介质(4)、显微物镜(5)、cmos接收器(6)和控制装置；其中，4f系统(1)基于两束正交圆偏光的叠加生成矢量光场，显微物镜(3)对目标进行汇聚，显微物镜(5)对目标进行放大；4f系统(1)包括对相位进行调制的空间光调制器(2)、两个傅里叶透镜、一个双孔滤波器、双胶合λ/4波片和一个朗奇光栅组成，通过双孔滤波器提取空间光调制器(2)反射后谱面上x轴和y轴的+1阶光束，并使两束光分别通过双胶合λ/4波片的不同胶合面转换为左旋、右旋圆偏振光，再通过朗奇光栅将左旋、右旋圆偏振光共线叠加生成目标矢量光束，不同偏振和相位分布的输入光场依赖于加载在空间光调制器(2)上的全息图。

2.根据权利要求1的一种基于散射聚焦的高分辨率矢量扭曲光场产生系统，其特征在于：散射介质(4)为220砂度的各向同性的磨砂玻璃，对目标进行汇聚的显微物镜(3)用于将入射光的能量进行汇聚以穿透散射介质(4)，对目标进行放大的显微物镜(5)用于收集散射介质(4)后的散射信号。

3.根据权利要求1的一种基于散射聚焦的高分辨率矢量扭曲光场产生系统，其特征在于：利用基于4f系统(1)的相位调制，所生成的扭曲矢量光场表示为：

4.根据权利要求1的一种基于散射聚焦的高分辨率矢量扭曲光场产生系统，其特征在于：由两个正交圆偏振光相干叠加得到矢量光场穿过散射介质(4)，其矢量传输矩阵(vtm)表示为：

5.根据权利要求4的一种基于散射聚焦的高分辨率矢量扭曲光场产生系统，其特征在于：凭借对矢量传输矩阵(vtm)整体进行共轭运算，将得到的调制波前相位加载至空间光调制器(2)，以克服散射效应，空间光调制器(2)的调制函数表示为：

技术总结
本发明公开了一种基于散射聚焦的高分辨率矢量扭曲光场产生系统，其主要包括生成扭曲矢量光场的4f系统、对目标进行汇聚和放大的显微物镜、散射介质以及CMOS接收器，其中4f系统中包含对相位进行调制的空间光调制器。系统可以通过扭曲相位的调控生成不同的目标扭曲矢量光场，不仅能够快速测算矢量光学传输矩阵，还可以依据所测得的矢量传输矩阵在散射介质后产生具有高分辨率的目标扭曲矢量光场。此系统适用于需要在散射介质后产生高分辨率扭曲矢量光场的行业，具有操作便捷，灵活调控，光场分辨率高，效果稳定等特点。

技术研发人员：陈瑞品,米仕轩,戚伯特,沈丽华,陈昱宸
受保护的技术使用者：浙江理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13