CN111427248B - 一种多通道轨道角动量复用非线性全息装置 - Google Patents

一种多通道轨道角动量复用非线性全息装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多通道轨道角动量复用非线性全息装置，光源采用近红外激光器，近红外激光器发出的光束通过线偏振器后，经分束器I分离成光束I与光束II，光束I经过空间光调制器I反射后，依次经过分束器I、透镜I、孔洞、反射镜、透镜II，在偏振分束器处与光束II汇合；分束器II一侧放置挡光板，光束II经分束器II分离的光束经过空间光调制器II反射后，依次经过分束器II、透镜III、半波片、透镜IV，在偏振分束器处与光束I汇合；汇合光束依次经过KTP晶体、透镜V，由二向色镜分离出基波与二次谐波，最终由CCD相机分别记录。本发明拓宽了每个光学频率上的通道数，且信噪比高、成像效果好。

Description

一种多通道轨道角动量复用非线性全息装置
技术领域
本发明涉及光学非线性全息领域，尤其涉及一种多通道轨道角动量复用非线性全息装置。
背景技术
全息术使用全息图重建物体的强度和相位信息。自其发明以来，被广泛应用于三维全息显示、数据存储、光学加密、全息干涉测量和显微技术。因为信息存储方面的空前需求，人们已经利用光不同的正交物理维度(包括波长、偏振、空间和时间)在单个全息图中复用多个并行信息通道，这样的全息图被称为光学复用全息图(OMH)。
为了对非线性光学过程中产生的光的波前进行整形，全息技术已从线性光学领域扩展到非线性光学。在非线性频率转换过程中，新的光学频率本质上就是新的信息通道。目前的非线性全息技术在光学频率上的通道数少、信噪比低、成像效果较差。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种多通道轨道角动量复用非线性全息装置，本发明拓宽了每个光学频率上的通道数，且信噪比高、成像效果好。
技术方案：本发明所述的多通道轨道角动量复用非线性全息装置包括近红外激光器、线偏振器、分束器I、空间光调制器I、透镜I、孔洞、反射镜、透镜II、分束器II、挡光板、空间光调制器II、透镜III、半波片、透镜IV、偏振分束器、KTP晶体、透镜V、二向色镜和CCD相机；其中，近红外激光器发出的光束通过线偏振器后，经分束器I分离成光束I与光束II，光束I经过空间光调制器I反射后，依次经过分束器I、透镜I、孔洞、反射镜、透镜II，在偏振分束器处与光束II汇合；分束器II一侧放置挡光板，光束II经分束器II分离的光束经过空间光调制器II反射后，依次经过分束器II、透镜III、半波片、透镜IV，在偏振分束器处与光束I汇合；汇合光束依次经过KTP晶体、透镜V，由二向色镜分离出基波与二次谐波，最终由CCD相机分别记录。
进一步的，所述空间光调制器I位于透镜I的前焦面处，其上加载有轨道角动量复用全息图，该图是目标图像经设定取样频率点阵取样、用迭代傅里叶算法得到、携带闪耀光栅信息、采用轨道角动量编码的纯相位复用计算全息图。
进一步的，所述空间光调制器II上加载有用于解码的螺旋相位图，极坐标下其光场表达式为：Ede＝exp(ildeθ)，其中lde表示解码拓扑荷，θ表示极角。。
进一步的，所述孔洞同时位于透镜I的后焦面与透镜II的前焦面上。
进一步的，所述空间光调制器II位于透镜III的前焦面处，透镜III与透镜IV之间的距离为两者焦距之和，透镜IV的后焦面与透镜II的后焦面重合。
进一步的，所述半波片位于在透镜III与透镜IV之间，且非透镜III与透镜IV的焦面处，快轴指向45。，用于将接收的光调制偏振至竖直偏振。
进一步的，所述KTP晶***于透镜II与透镜IV的焦面处，同时位于透镜V的前焦面处。
进一步的，所述CCD相机置于透镜V的后焦面处，其内加载有滤模点阵程序。
有益效果：本发明提供了多通道、高信噪比、成像效果好的轨道角动量复用非线性全息装置，具体效果如下：
1)轨道角动量维度的引入，使得新的光学频率通道可以承载原则上无限多的图像信息，相比于传统非线性体全息，原则上增加了无限多的信息通道数。
2)CCD相机中编程的滤模点阵将同一光学频率上其他轨道角动量编码通道引入的干扰滤去，使信噪比达到较高数值，例如不同轨道角动量信道之间，编码轨道角动量间隔在2以上时，信噪比维持在15dB以上的水平。
3)由于对目标图像采用了取样，并且全息图是利用迭代傅里叶算法实现的计算全息图，相比于传统的非线性体全息技术，对全息图加工工艺的依赖性降低，从而实现了较好的成像效果。并由于全息图上闪耀光栅的引入，滤去了由于调制不完全引入的中心亮点，进一步提升了成像质量。
附图说明
图1为本发明提供的多通道轨道角动量复用非线性全息装置的光路结构示意图；
图2为多通道轨道角动量复用非线性全息装置设计流程示意图；
图3为采用本发明装置在二次谐波波段上恢复的目标图像结果图；
图4为采用不同轨道角动量编码间隔计算出的信噪比散点图。
具体实施方式
本实施例提供了一种多通道轨道角动量复用非线性全息装置，如图1所示，包括近红外激光器1、线偏振器2、分束器I 3、空间光调制器I 4、透镜I 5、孔洞6、反射镜7、透镜II8、分束器II 9、挡光板10、空间光调制器II 11、透镜III 12、半波片13、透镜IV 14、偏振分束器15、KTP晶体16、透镜V17、二向色镜18和CCD相机19；其中，近红外激光器1发出的光束通过线偏振器2后，经分束器I 3分离成光束I与光束II，光束I经过空间光调制器I 4反射后，依次经过分束器I 3、透镜I 5、孔洞6、反射镜7、透镜II 8，在偏振分束器15处与光束II汇合；分束器II 9一侧放置挡光板10，光束II经分束器II 9分离的光束经过空间光调制器II11反射后，依次经过分束器II 9、透镜III 12、半波片13、透镜IV 14，在偏振分束器15处与光束I汇合；汇合光束依次经过KTP晶体16、透镜V17，由二向色镜分离出基波与二次谐波，最终由CCD相机19分别记录。
近红外激光器1作为光源发出1064nm近红外激光，提供非线性过程的基波。线偏振器2用于将近红外激光偏振调至水平，使近红外激光波前适合被空间光调制器调制。分束器I 3用于将光50:50分为光束I和光束II，同时将光束I的光投射至空间光调制器I 4上。空间光调制器I 4位于透镜I 5的前焦面处，其上加载有轨道角动量复用全息图，该图是目标图像经设定取样频率点阵取样、用迭代傅里叶算法得到、携带闪耀光栅信息、采用轨道角动量编码的纯相位复用计算全息图，因空间光调制器调制效率所限，未被调制的激光会在透镜I5后形成亮斑，闪耀光栅的作用是使图像偏离光轴中心，与中心亮斑分离。透镜I 5与透镜II8(f1＝400毫米，f2＝100毫米)和孔洞6一起形成4f***，将空间光调制器I 3上的全息图成像至KTP晶体16中，其中孔洞6位于透镜I的后焦面与透镜II的前焦面上，孔洞6透过空间光调制器I加载全息图的傅里叶频谱，作用是滤去因空间光调制器调制效率限制、未被空间光调制器I 4调制的光波形成的聚焦光斑。反射镜7用于改变光束I的方向，便于进行与光束II的合束；分束器II 9用于使空间光调制器II 11反射回来的光沿着光束II的方向传播。挡光板10用于遮挡分束器II产生的闲置光路，提高***的安全性。空间光调制器II 11位于透镜III的前焦面处，其上加载有用于解码的螺旋相位图，极坐标下其光场表达式为：Ede＝exp(ildeθ)，其中lde表示解码拓扑荷，θ表示极角。透镜III 12与透镜IV 14(f3＝400mm和f4＝100mm)一起组成4f***，透镜III 12与透镜IV 14之间的距离为两者焦距之和，透镜IV14的后焦面与透镜II 8的后焦面重合，用于将空间光调制器II 11上的解码螺旋相位图成像至KTP晶体16中。半波片13放置位置应在透镜III 12与透镜IV 14之间，且避免放置在透镜III12与透镜IV 14的焦面处，用于调节光束II中的近红外光偏振至竖直偏振，方便合束以及二类倍频过程的发生。偏振分束器15用于光束I和光束II的合束。KTP晶体16位于透镜II8与透镜IV 14的焦面处，同时位于透镜V17的前焦面处，KTP晶体16设计满足二类倍频过程相位匹配条件，用于产生二类倍频非线性效应，产生新的波长通道。透镜V17用于对近红外基波与非线性过程产生的二次谐波进行傅里叶变换，复原全息图的信息。二向色镜18用于分离基波与二次谐波；CCD相机19置于透镜V17的后焦面处，其内加载有滤模点阵程序，从而滤去大部分噪声，得到从全息图复原的图像信息。
图2为多通道轨道角动量复用非线性全息装置设计流程示意图。第一步对四幅目标图像(本实例采用字母A、B、C、D)进行取样处理；第二步利用迭代傅里叶算法针对取样后的图像算出四幅纯相位的全息图，称为保留轨道角动量的全息图；第三步在四幅全息图上分别乘上带有编码拓扑荷-2、-4、-6、-8的螺旋相位分布，形成四幅轨道角动量选择性全息图；第四步将四幅轨道角动量选择性全息图叠加起来，并取出相位项，最后加上闪耀光栅的信息，即可得到最终的轨道角动量复用非线性全息图。值得注意，第一步中取样间距的大小应当不小于绝对值最大的编码拓扑荷(本实例中为-8)对应的傅里叶频谱半径的大小。
图3为采用本发明装置在二次谐波波段上恢复的目标图像结果图。在二次谐波通道上，当竖直偏振的解码基波拓扑荷分别为2、4、6、8时，CCD相机中记录到的图像分别为A、B、C、D。可以发现，A、B、C、D四个字母明亮、整齐，恢复效果优良。
图4为采用不同轨道角动量编码间隔计算出的信噪比散点图。从图中可以发现，本多通道轨道角动量复用非线性全息技术的信噪比均比较高，尤其是轨道角动量编码间隔不小于2时，信噪比维持在15dB以上的较高水平。

Claims (9)

1.一种多通道轨道角动量复用非线性全息装置，其特征在于：包括近红外激光器、线偏振器、分束器I、空间光调制器I、透镜I、孔洞、反射镜、透镜II、分束器II、挡光板、空间光调制器II、透镜III、半波片、透镜IV、偏振分束器、KTP晶体、透镜V、二向色镜和CCD相机；其中，近红外激光器发出的光束通过线偏振器后，经分束器I分离成光束I与光束II，光束I经过空间光调制器I反射后，依次经过分束器I、透镜I、孔洞、反射镜、透镜II，在偏振分束器处与光束II汇合,所述空间光调制器I上加载有轨道角动量复用全息图，该图是目标图像经设定取样频率点阵取样、用迭代傅里叶算法得到、携带闪耀光栅信息、采用轨道角动量编码的纯相位复用计算全息图；分束器II一侧放置挡光板，光束II经分束器II分离的光束经过空间光调制器II反射后，依次经过分束器II、透镜III、半波片、透镜IV，在偏振分束器处与光束I汇合；汇合光束依次经过KTP晶体、透镜V，由二向色镜分离出基波与二次谐波，最终由CCD相机分别记录。
2.根据权利要求1所述的多通道轨道角动量复用非线性全息装置，其特征在于：所述空间光调制器II上加载有用于解码的螺旋相位图，极坐标下其光场表达式为：Ede＝exp(ildeθ)，其中lde表示解码拓扑荷，θ表示极角。
3.根据权利要求1所述的多通道轨道角动量复用非线性全息装置，其特征在于：所述空间光调制器I位于透镜I的前焦面处。
4.根据权利要求1所述的多通道轨道角动量复用非线性全息装置，其特征在于：所述孔洞同时位于透镜I的后焦面与透镜II的前焦面上。
5.根据权利要求1所述的多通道轨道角动量复用非线性全息装置，其特征在于：所述空间光调制器II位于透镜III的前焦面处，透镜III与透镜IV之间的距离为两者焦距之和，透镜IV的后焦面与透镜II的后焦面重合。
6.根据权利要求1所述的多通道轨道角动量复用非线性全息装置，其特征在于：所述半波片位于在透镜III与透镜IV之间，且非透镜III与透镜IV的焦面处。
7.根据权利要求1所述的多通道轨道角动量复用非线性全息装置，其特征在于：所述KTP晶***于透镜II与透镜IV的焦面处，同时位于透镜V的前焦面处。
8.根据权利要求1所述的多通道轨道角动量复用非线性全息装置，其特征在于：所述CCD相机置于透镜V的后焦面处。
9.根据权利要求1所述的多通道轨道角动量复用非线性全息装置，其特征在于：所述CCD相机内加载有滤模点阵程序。
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