[發明專利]測量矢量隨機電磁光場二維空間相干結構分布的方法

有效

• 申請號: 202010449530.X
• 申請日: 2020-05-25
• 公開（公告）號: CN111537087B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 董震;黃釗鋒;陳亞紅;王飛;蔡陽健
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00;G01J1/42
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 王玉仙

本發明公開了一種測量矢量隨機電磁光場二維空間相干結構分布的方法，包括以下步驟：搭建測試光路；遮擋參考光，光探測器記錄光強分布；轉動四分之一波片，使其快軸方向與線偏振片的透光軸方向一致；遮擋待測矢量隨機光，移除參考光的遮擋，光探測器記錄光強分布；移除待測矢量隨機光的遮擋，光探測器記錄光強分布；轉動四分之一波片，使其快軸方向與線偏振片的透光軸方向垂直；遮擋待測矢量隨機光，移除參考光的遮擋，光探測器記錄光強分布；移除待測矢量隨機光的遮擋，光探測器記錄光強分布；計算獲得待測矢量隨機光的振幅和相位。其能夠測出矢量隨機電磁光場的振幅分布和相位分布，測試速度快。

技術領域

本發明涉及電磁光場測量技術領域，具體涉及一種測量矢量隨機電磁光場二維空間相干結構分布的方法。

背景技術

矢量隨機電磁光場是標量隨機光場的矢量拓展，其在自由空間傳播、光學干涉、光與物質相互作用等方面展現出豐富的偏振和相干特性。矢量電磁相干理論在描述矢量隨機電磁光場的統計特性中起指導作用，根據矢量電磁相干理論，矢量隨機電磁光場的二維空間相干結構可由復相干矩陣表征，復相干矩陣能夠詳細的描述在一對點處波動光場分量之間的相關性，并且對復相干矩陣的研究已經在晶體光學、非相干光源重建和光學成像等領域得到了廣泛的應用。與標量隨機光場中的場相干度不同，矢量隨機電磁光場的復相干矩陣不僅包括同一個場里兩個不同點之間的關聯性，還涉及同一點上兩個正交分量之間的關聯性。

研究人員在對矢量電磁光場的相干結構進行研究的過程中發現，通過調控相干結構可以方便有效的實現光場調控，實現一些奇特的傳輸特性。比如：2014年，陳亞紅等人提出了一種具有特殊空間相干結構的部分相干矢量光束，由于相干結構的特殊性，這種矢量光束在自由空間中表現出非凡的傳播特性：這種光束在光源處是非偏振的，但在傳播過程中偏振特性逐漸增強，并且在遠場處初始空間相干度很低的情況下顯示出很純的徑向偏振態。之前對矢量光場相干結構的研究，主要集中在相干結構的振幅分布上，但是最近很多研究都表明空間二維相干結構的相位分布也對矢量光場特性研究起到了重要作用。陳亞紅等人2019年就通過在空間相干度中引入線性相位，實現了矢量隨機電磁光場自由空間傳輸過程中的偏振自漂移。此外也有很多研究表明，復相干矩陣的振幅和相位測量可以在圖像信息加密、結晶結構探測、活細胞相位成像、復雜介質中動態目標追蹤、非相干光源恢復等研究中得到應用。

由于二維空間相干結構在矢量隨機電磁光場調控中起到的重要作用，使得對空間相干結構分布的測量成了本研究領域的重點與難點問題。到目前為止，實現測量空間相干結構的方法大致有楊氏雙孔測量法和經典HBT(漢波利布朗特威思)實驗法兩種。

第一種楊氏雙孔測量法是Wolf在2007年提出的，對于矢量隨機電磁光場來說，不同點之間復相干矩陣的振幅信息可以通過傳統的楊氏雙孔實驗形成干涉條紋的可見對比度來測量，相位信息則可以通過測量多次干涉條紋的位移推算得到；而同一點上兩個正交分量之間的相干性最近也通過修正楊氏雙孔實驗形成的斯托克斯參量干涉條紋測得。但是該方案在測量矢量隨機電磁光場二維空間相干矩陣的相位信息時，需要通過多次測量不同間隔的楊氏雙孔干涉條紋，并且楊氏雙孔實驗中的開孔必須非常小，影響了系統的光效率。盡管現在也有一些方法能在某些方面完善楊氏雙孔測量法的局限性，但是這些方法仍不可避免的存在光效率低、實驗操作困難、耗時長等缺點。

第二種方法是Friberg等人在2011提出的，測量服從高斯統計的矢量隨機電磁光場時，可以采用的經典HBT(漢波利布朗特威思)實驗法，原理是通過測量更高階的相干性來恢復矢量隨機電磁光場的二階相干性，在實驗中測量隨機光場的強度互相關，結合高斯統計定理計算得到二維空間復相干矩陣。但是經典的HBT實驗只能測量到復相干矩陣的振幅分布，相位信息無法測量，在后期運用算法恢復相位信息則會大大增加耗時。

黃釗鋒等人在專利[黃釗鋒，陳亞紅，王飛，蔡陽健，利用光強互關聯實現隨機光場復相干度測量的方法，國家發明專利，CN201910791478.3]中提出一種利用光強關聯的方法測量隨機光場的復相干度，但是該方法只適用于標量光場，無法實現矢量電磁光場二維相干結構的測量。

發明內容