阅读说明：本技术 测量矢量随机电磁光场二维空间相干结构分布的方法 (Method for measuring two-dimensional spatial coherent structure distribution of vector random electromagnetic light field ) 是由 董震 黄钊锋 陈亚红 王飞 蔡阳健 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种测量矢量随机电磁光场二维空间相干结构分布的方法,包括以下步骤：搭建测试光路；遮挡参考光,光探测器记录光强分布；转动四分之一波片,使其快轴方向与线偏振片的透光轴方向一致；遮挡待测矢量随机光,移除参考光的遮挡,光探测器记录光强分布；移除待测矢量随机光的遮挡,光探测器记录光强分布；转动四分之一波片,使其快轴方向与线偏振片的透光轴方向垂直；遮挡待测矢量随机光,移除参考光的遮挡,光探测器记录光强分布；移除待测矢量随机光的遮挡,光探测器记录光强分布；计算获得待测矢量随机光的振幅和相位。其能够测出矢量随机电磁光场的振幅分布和相位分布,测试速度快。(The invention discloses a method for measuring two-dimensional spatial coherent structure distribution of a vector random electromagnetic light field, which comprises the following steps: building a test light path; blocking the reference light, and recording the light intensity distribution by the light detector; rotating the quarter-wave plate to enable the fast axis direction of the quarter-wave plate to be consistent with the transmission axis direction of the linear polarizer; shielding the random light of the vector to be detected, removing the shielding of the reference light, and recording the light intensity distribution by using an optical detector; removing the shielding of the random light of the vector to be detected, and recording the light intensity distribution by the optical detector; rotating the quarter-wave plate to enable the fast axis direction of the quarter-wave plate to be vertical to the transmission axis direction of the linear polarizer; shielding the random light of the vector to be detected, removing the shielding of the reference light, and recording the light intensity distribution by using an optical detector; removing the shielding of the random light of the vector to be detected, and recording the light intensity distribution by the optical detector; and calculating to obtain the amplitude and the phase of the random light of the vector to be measured. The method can measure the amplitude distribution and the phase distribution of the vector random electromagnetic light field, and has high test speed.)

测量矢量随机电磁光场二维空间相干结构分布的方法

技术领域

本发明涉及电磁光场测量技术领域，具体涉及一种测量矢量随机电磁光场二维空间相干结构分布的方法。

背景技术

矢量随机电磁光场是标量随机光场的矢量拓展，其在自由空间传播、光学干涉、光与物质相互作用等方面展现出丰富的偏振和相干特性。矢量电磁相干理论在描述矢量随机电磁光场的统计特性中起指导作用，根据矢量电磁相干理论，矢量随机电磁光场的二维空间相干结构可由复相干矩阵表征，复相干矩阵能够详细的描述在一对点处波动光场分量之间的相关性，并且对复相干矩阵的研究已经在晶体光学、非相干光源重建和光学成像等领域得到了广泛的应用。与标量随机光场中的场相干度不同，矢量随机电磁光场的复相干矩阵不仅包括同一个场里两个不同点之间的关联性，还涉及同一点上两个正交分量之间的关联性。

研究人员在对矢量电磁光场的相干结构进行研究的过程中发现，通过调控相干结构可以方便有效的实现光场调控，实现一些奇特的传输特性。比如：2014年，陈亚红等人提出了一种具有特殊空间相干结构的部分相干矢量光束，由于相干结构的特殊性，这种矢量光束在自由空间中表现出非凡的传播特性：这种光束在光源处是非偏振的，但在传播过程中偏振特性逐渐增强，并且在远场处初始空间相干度很低的情况下显示出很纯的径向偏振态。之前对矢量光场相干结构的研究，主要集中在相干结构的振幅分布上，但是最近很多研究都表明空间二维相干结构的相位分布也对矢量光场特性研究起到了重要作用。陈亚红等人2019年就通过在空间相干度中引入线性相位，实现了矢量随机电磁光场自由空间传输过程中的偏振自漂移。此外也有很多研究表明，复相干矩阵的振幅和相位测量可以在图像信息加密、结晶结构探测、活细胞相位成像、复杂介质中动态目标追踪、非相干光源恢复等研究中得到应用。

由于二维空间相干结构在矢量随机电磁光场调控中起到的重要作用，使得对空间相干结构分布的测量成了本研究领域的重点与难点问题。到目前为止，实现测量空间相干结构的方法大致有杨氏双孔测量法和经典HBT(汉波利布朗特威思)实验法两种。

第一种杨氏双孔测量法是Wolf在2007年提出的，对于矢量随机电磁光场来说，不同点之间复相干矩阵的振幅信息可以通过传统的杨氏双孔实验形成干涉条纹的可见对比度来测量，相位信息则可以通过测量多次干涉条纹的位移推算得到；而同一点上两个正交分量之间的相干性最近也通过修正杨氏双孔实验形成的斯托克斯参量干涉条纹测得。但是该方案在测量矢量随机电磁光场二维空间相干矩阵的相位信息时，需要通过多次测量不同间隔的杨氏双孔干涉条纹，并且杨氏双孔实验中的开孔必须非常小，影响了系统的光效率。尽管现在也有一些方法能在某些方面完善杨氏双孔测量法的局限性，但是这些方法仍不可避免的存在光效率低、实验操作困难、耗时长等缺点。

第二种方法是Friberg等人在2011提出的，测量服从高斯统计的矢量随机电磁光场时，可以采用的经典HBT(汉波利布朗特威思)实验法，原理是通过测量更高阶的相干性来恢复矢量随机电磁光场的二阶相干性，在实验中测量随机光场的强度互相关，结合高斯统计定理计算得到二维空间复相干矩阵。但是经典的HBT实验只能测量到复相干矩阵的振幅分布，相位信息无法测量，在后期运用算法恢复相位信息则会大大增加耗时。

黄钊锋等人在专利[黄钊锋，陈亚红，王飞，蔡阳健，利用光强互关联实现随机光场复相干度测量的方法，国家发明专利，CN201910791478.3]中提出一种利用光强关联的方法测量随机光场的复相干度，但是该方法只适用于标量光场，无法实现矢量电磁光场二维相干结构的测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测量矢量随机电磁光场二维空间相干结构分布的方法，其能够测出矢量随机电磁光场的振幅分布和相位分布，测试速度快。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种测量矢量随机电磁光场二维空间相干结构分布的方法，包括以下步骤：

S1、搭建测试光路，所述测试光路包括线偏振片、四分之一波片、第一分束器、聚光元件、第二分束器、第一光探测器和第二光探测器，参考光依次经线偏振片和四分之一波片调制后入射至第一分束器，所述第一分束器将调制后的参考光与待测矢量随机光合束，获得合束光，所述合束光依次经聚光元件和第二分束器射出，所述第二分束器输出复合光场在X分量和y分量光场分布，所述复合光场的X分量在第一光探测器上成像，所述复合光场的y分量在第二光探测器上成像；

S2、遮挡参考光，待测矢量随机光依次经第一分束器、聚光元件和第二分束器，第二分束器将待测量随机光分束为第一X分量光和第一Y分量光，所述第一光探测器拍摄并记录第一X分量光的光强分布信息I_x(r)，所述第二光探测器拍摄并记录第一Y分量光的光强分布信息I_y(r)；

S3、固定线偏振片，转动四分之一波片，使得四分之一波片的快轴方向与线偏振片的透光轴方向一致；

S4、遮挡待测矢量随机光，移除参考光的遮挡，所述第一光探测器拍摄并记录第二X分量光的光强分布信息I_x ^R1(r)，所述第二光探测器拍摄并记录第二Y分量光的光强分布信息I_y ^R1(r)；

S5、移除待测矢量随机光的遮挡，所述第一光探测器记录参考光与待测矢量随机光的复合光场在X分量的光强分布信息I_x ^C1(r)，所述第二光探测器记录参考光与待测矢量随机光的y分量复合光的光强分布信息I_y ^C1(r)；

S6、转动四分之一波片，使四分之一波片的快轴方向与线偏振片的透光轴方向垂直；

S7、遮挡待测矢量随机光，移除参考光的遮挡，所述第一光探测器拍摄并记录第三X分量光的光强分布信息I_x ^R2(r)，所述第二光探测器拍摄并记录第三Y分量光的光强分布信息I_y ^R2(r)；

S8、移除待测矢量随机光的遮挡，所述第一光探测器记录参考光与待测矢量随机光的复合光场在X分量的光强分布信息I_x ^C2(r)，所述第二光探测器记录参考光与待测矢量随机光的y分量复合光的光强分布信息I_y ^C2(r)；

S9、计算获得待测矢量随机光的振幅和相位。

作为优选的，所述“计算获得待测矢量随机光的振幅和相位”，包括以下步骤：

S91、根据S5获得的I_x ^C1(r)和I_y ^C1(r)与S8中获得I_x ^C2(r)和I_y ^C2(r)计算获得互相关矩阵元和

S92、计算参考光与测矢量随机光的非相干叠加的光强互相关 和

S93、根据S91和S92获得差值ΔG_xx(r₁,r₂,Δφ_xx)、ΔG_xy(r₁,r₂,Δφ_xy)、ΔG_yx(r₁,r₂,Δφ_yx)和ΔG_yy(r₁,r₂,Δφ_yy)，

其中，

S94、通过调制S93中的差值ΔG_xx(r₁,r₂,Δφ_xx)、ΔG_xy(r₁,r₂,Δφ_xy)、ΔG_yx(r₁,r₂,Δφ_yx)和ΔG_yy(r₁,r₂,Δφ_yy)的相位延迟为0或获得待测矢量随机光的二维空间相干结构分布。

作为优选的，所述S91具体包括：

矢量随机光场的空间相关性由复相干矩阵表示，矩阵元为：

其中，下标x和y表示矢量随机光场的两个互相正交的分量，表示谱密度矩阵的矩阵元，可用来表征矢量随机光场的二阶统计特性，α,β∈{x,y}，

E_x(r)、E_y(r)分别表示随机光场两个分量的电场矢量；

S_x(r)＝<I_x(r)>＝|E_x(r)|²、S_y(r)＝<I_y(r)>＝|E_y(r)|²表示光谱密度；

S5中复合光场的电场和S8中复合光场的电场为：

根据高斯统计定理，S5中复合光场和S8中复合光场的互相关矩阵的矩阵元表示为：

其中， Δφα_βα,β∈{x,y}表示两参考场的相位延迟，

作为优选的，所述S92具体包括：

作为优选的，所述S93具体包括：

作为优选的，所述S94具体包括：

令Δφ_αβ＝0或者Δφ_αβ＝π/2，获得相干矩阵的实部和虚部，

其中，μ′_αβ(r₁,r₂)表示复相干矩阵的实部，μ″_αβ(r₁,r₂)表示复相干矩阵的虚部，获得待测矢量随机光场的二维空间相干结构分布。

作为优选的，，所述参考光由氦氖激光器发出。

作为优选的，所述聚光元件为透镜。

作为优选的，所述第一光探测器为CCD或CMOS。

作为优选的，所述第一光探测器与第二光探测器的型号和参数相同。

本发明的有益效果：

1、本发明利用随机光场强度互相关的方法，能够分别测出复相干矩阵的实部和虚部的分布情况，因此该方法不仅能测出矢量随机电磁光场的振幅分布，也能通过测量复相干矩阵虚部情况测量矢量随机电磁光场的相位分布。

2、本发明中光路简单，光学器件常见，造价低，测量速度快，空间分辨率高。

附图说明

图1为本发明的光路搭建结构示意图；

图2为本发明的流程示意图。

图中标号说明：1、待测矢量随机光；2、参考光；3、线偏振片；4、四分之一波片；5、第一分束器；6、聚光元件；7、第二分束器；8、第一光探测器；9、第二光探测器；10、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1-图2所示，本发明公开了一种测量矢量随机电磁光场二维空间相干结构分布的方法，包括以下步骤：

S1、搭建测试光路，所述测试光路包括线偏振片3、四分之一波片4、第一分束器5、聚光元件6、第二分束器7、第一光探测器8和第二光探测器9，参考光依次经线偏振片3和四分之一波片4调制后入射至第一分束器5，所述第一分束器5将调制后的参考光2与待测矢量随机光1合束，获得合束光，所述合束光依次经聚光元件6和第二分束器7射出，所述第二分束器输出复合光场在X分量和y分量光场分布，所述复合光场的X分量在第一光探测器上成像，所述复合光场的y分量在第二光探测器上成像；

其中，第一分束器是普通的分束器，把一束光均匀分成两束光，也可以把两束光相干叠加合成一束光。第二分束器是偏振分束器，能够把一束光根据偏振方向不同分成x方向和y方向，出射的是两束偏振方向互相正交的光。

S2、遮挡参考光，待测矢量随机光依次经第一分束器、聚光元件和第二分束器，第二分束器将待测量随机光分束为第一X分量光和第一Y分量光，所述第一光探测器拍摄并记录第一X分量光的光强分布信息I_x(r)，所述第二光探测器拍摄并记录第一Y分量光的光强分布信息I_y(r)；

S3、固定线偏振片，转动四分之一波片，使得四分之一波片的快轴方向与线偏振片的透光轴方向一致；

S4、遮挡待测矢量随机光，移除参考光的遮挡，所述第一光探测器拍摄并记录第二X分量光的光强分布信息I_x ^R1(r)，所述第二光探测器拍摄并记录第二Y分量光的光强分布信息I_y ^R1(r)；

S5、移除待测矢量随机光的遮挡，所述第一光探测器记录参考光与待测矢量随机光的复合光场在X分量的光强分布信息I_x ^C1(r)，所述第二光探测器记录参考光与待测矢量随机光的y分量复合光的光强分布信息I_y ^C1(r)；

S6、转动四分之一波片，使四分之一波片的快轴方向与线偏振片的透光轴方向垂直；

S7、遮挡待测矢量随机光，移除参考光的遮挡，所述第一光探测器拍摄并记录第三X分量光的光强分布信息I_x ^R2(r)，所述第二光探测器拍摄并记录第三Y分量光的光强分布信息I_y ^R2(r)；

S8、移除待测矢量随机光的遮挡，所述第一光探测器记录参考光与待测矢量随机光的复合光场在X分量的光强分布信息I_x ^C2(r)，所述第二光探测器记录参考光与待测矢量随机光的y分量复合光的光强分布信息I_y ^C2(r)；

S9、计算获得待测矢量随机光的振幅和相位。对于该处的计算，可通过计算机10进行计算。

所述“计算获得待测矢量随机光的振幅和相位”，包括以下步骤：

S91、根据S5获得的I_x ^C1(r)和I_y ^C1(r)与S8中获得I_x ^C2(r)和I_y ^C2(r)计算获得互相关矩阵元和具体包括：

矢量随机光场的空间相关性由复相干矩阵表示，矩阵元为：

其中，下标x和y表示矢量随机光场的两个互相正交的分量，表示谱密度矩阵的矩阵元，可用来表征矢量随机光场的二阶统计特性，α,β∈{x,y}，

E_x(r)、E_y(r)分别表示随机光场两个分量的电场矢量；

S_x(r)＝<I_x(r)>＝|E_x(r)|²、S_y(r)＝<I_y(r)>＝|E_y(r)|²表示光谱密度；

我们把引入的两个具有可控相位差的完全相干矢量参考光场的电场用和表示，其中的R₁和R₂分别代表由上述具体测量步骤中第四步和第六步产生的两个矢量参考光场，S5中复合光场的电场和S8中复合光场的电场为：

根据高斯统计定理，S5中复合光场和S8中复合光场的互相关矩阵的矩阵元表示为：

其中， 和分别表示由上述具体测量步骤中第五步产生的矢量复合光场在x和y方向上的强度分布，和分别表示由上述具体测量步骤中第八步产生的矢量复合光场在x和y方向上的强度分布。

Δφ_αβα,β∈{x,y}表示两参考场的相位延迟，

另外，待测矢量随机光场相干矩阵的振幅和相位信息包含在的最后一项中，可以控制两参考光路的相位延迟Δφ_αβ来获得复相干矩阵的实部虚部信息，从而获得矢量随机光场的复相干矩阵的振幅和相位信息。

S92、计算参考光与测矢量随机光的非相干叠加的光强互相关 和

S93、根据S91和S92获得差值ΔG_xx(r₁,r₂,Δφ_xx)、ΔG_xy(r₁,r₂,Δφ_xy)、ΔG_yx(r₁,r₂,Δφ_yx)和ΔG_yy(r₁,r₂,Δφ_yy)，

其中，

S94、通过调制S93中的差值ΔG_xx(r₁,r₂,Δφ_xx)、ΔG_xy(r₁,r₂,Δφ_xy)、ΔG_yx(r₁,r₂,Δφ_yx)和ΔG_yy(r₁,r₂,Δφ_yy)的相位延迟为0或获得待测矢量随机光的二维空间相干结构分布，具体包括：

令Δφ_αβ＝0或者Δφ_αβ＝π/2，获得相干矩阵的实部和虚部，

其中，μ′_αβ(r₁,r₂)表示复相干矩阵的实部，μ″_αβ(r₁,r₂)表示复相干矩阵的虚部，获得待测矢量随机光场的二维空间相干结构分布。

所述参考光由氦氖激光器发出。聚光元件可为透镜。第一光探测器为CCD或CMOS。第一光探测器与第二光探测器的型号和参数相同。

本发明基于广义HBT实验，引入一对矢量参考光场，通过测量待测矢量随机电磁光场、矢量参考光场和复合光场的光强分量，测量矢量随机电磁光场的二维空间相干结构分布测量装置。

氦氖激光器发出波长为632.8纳米的y方向的完全相干偏振光，将偏振片3的透光轴设置为与x轴方向成45°夹角，之后通过调节四分之一波片4的快轴与线偏振片3的透光轴之间的夹角为0或π/2。然后与待测矢量随机电磁光场光源1发出的矢量随机光束通过第一分束器5进行结合产生复合光束。经过由焦距为150毫米、距离待测矢量随机光1和四分之一波片4均300毫米远的薄透镜组成的4f光学系统成像后，被第二分束器7分成为x和y两个方向的光场分量，在距离薄透镜300毫米处用第一光探测器8和第二光探测器9分别记录并保存多次测量光场的x和y分量的光强分布图。经过运算便可得到被测矢量随机电磁光场的二维空间相干结构分布。

其中待测随机光场光源1由论文Yahong Chen,Fei Wang,Lin Liu,Chengl iangZhao,Yangj ian Cai,Ol ga Korotkova,Generation and propagation of a partial lycoherent vector beam with special correlation functions,Physica l Review A89,013801(2014)中构造部分相干的特殊关联径向偏振矢量光束的方案制备。CCD(电荷耦合器件)为Point Grey公司研发的型号为Grasshopper GRAS-20S4M专业相机，具体参数为水平分辨率1624，垂直分辨率1224，帧频/行频30fps。CCD(电荷耦合器件)与安装有PointGrey公司提供的名为Point Grey的软件的计算机10相连，，上述软件用来观察以及保存CCD(电荷耦合器件)接收的图像信息；CCD(电荷耦合器件)连接到计算机10之后，将CCD(电荷耦合器件)对准被测光束，打开Point Grey软件记录并保存接收的图像信息。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。