CN113534503B - 一种基于光强依赖的波前整形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光强依赖的波前整形方法，其方法的中心思想是在空间光调制器上入射光光强占比更大的区域分配更多的调制相位单元数。将空间光调制器上的像素根据入射光的能量分布进行非均匀合并并且进行非均匀调制。由CCD相机采集到的输出图像计算反馈信号，并使用迭代优化算法控制空间光调制器对入射光的相位进行调制，从而更高效的实现对光通过随机散射介质的传输控制。本发明可以实现光通过随机散射介质的传输控制，并在实现光通过散射体的聚焦时，用更少的迭代次数得到了更高的增强因子。

Description

一种基于光强依赖的波前整形方法
技术领域
本发明属于激光物理领域，涉及一种实现光通过随机散射介质的传输控制装置和一种基于光强依赖的波前整形方法。
背景技术
激光在随机散射介质中传播时，散射介质中的随机颗粒对入射光的多重散射会导致入射光携带的信息丢失，其空间相干性和时间相干性会被破坏。在一些随机散射介质中，质量密度或介电常数的随机空间波动会导致弹性波或电磁波传播方向的随机变化。从宏观的角度来看，这些变化会导致散射现象的扩散。在许多科学和工程应用中，控制随机散射介质中的光的传输过程非常重要。从理论物理学和微观物理学到应用电磁学，应用数学，统计学，光学，声学和生物工程等学科的研究人员都试图发现和表征散射现象的机理，试图达到控制散射现象的目的。实现光通过随机散射介质的传输控制可以应用在各种工程领域上面，包括遥感，超声，微波成像和无损组织成像等。
实现光通过随机散射介质的传输控制有多种方法，基于反馈迭代的波前整形方法是其中的一种。它的优点是装置容易实现，简单方便。波前整形方法是通过改变入射光的相位对多重散射带来的相位畸变产生补偿从而对出射光场产生影响。入射光会被划分成N个子波源分别由空间光调制器上的N个相位调制单元进行相位调制。空间光调制器提供百万级的像素调制单元。为了平衡时间耗费和优化效率，人们一般对空间光调制器上的像素进行合并。然而目前文献报道的基于反馈迭代的波前整形方法都对空间光调制器上的像素进行均匀合并(Opt.Lett.32(2007)；Opt.Express 5(2012)；J.Appl.Phys.8(2018))。但是均匀合并的相位调制效率较低，得到的增强因子也有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光强依赖的波前整形方法，能够实现光通过随机散射介质的聚焦，并且在较短时间内得到较高的增强因子，具有简单有效的特点。
本发明的核心思想是将入射光的强度分布考虑到相位调制过程中，从而实现更高效的光通过随机散射介质的传输控制。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于光强依赖的波前整形方法，将空间光调制器划分成多个子区域，每个子区域分别计算光强占比乘以总的相位调制单元数后进行每个子区域的相位调制单元数分配。利用个人计算机来监测CCD相机上收集到的目标区域内的光强来计算反馈信号Ifeedback，并使用迭代优化算法控制空间光调制器对入射光的相位进行调制，从而达到控制激光通过随机散射介质传输控制的目的。在所述的反馈信号在控制光通过随机散射介质传输的过程中，
Figure BDA0003042764280000021
其中
Figure BDA0003042764280000022
为所选取的特定范围内焦点的平均强度，
Figure BDA0003042764280000023
为所选取的特定范围外CCD相机收集到的其它散斑的平均强度。
本发明具有以下优点：根据入射光的光强空间分布对空间光调制器像素进行非均匀合并，结合迭代优化算法对入射光进行调控，操作方法相对简单，只需要通过矩阵运算对空间光调制器进行不同程度的合并和扩展，并在计算机上选取需要监测的CCD相机特定范围即可完成对光通过随机散射介质传输过程的控制。同时相比传统的波前整形方法，本方法能够得到增强因子更高的聚焦效果。
附图说明
图1是本发明控制光通过随机散射介质聚焦的结果图。
图1(a)为空间光调制器未加载相位时光通过随机散射介质形成的随机散斑图像。
图1(b)为空间光调制器调制过后光通过随机散射介质形成的聚焦效果图。
图2是本发明基于光强依赖的波前整形方法的相位分配图。
图2(a)为传统波前整形方法对空间光调制器进行均匀合并的相位图。
图2(b)为基于光强依赖的波前整形方法对空间光调制器进行非均匀合并的相位图。
图2(c)-(f)为非均匀合并中每一层的相位调制单元划分示意图。
图3为基于光强依赖的波前整形方法在1子区域、2子区域和4子区域下与传统波前整形方法优化过程对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
微固体激光器的输出激光经过可变连续衰减器和偏振片之后经过扩束镜。扩束后的光被反射镜反射并照射在空间光调制器上。入射光经过空间光调制器的相位调制后通过10×显微物镜聚焦在随机散射介质上，随机散射介质对焦点产生散射，散射光经过20×显微物镜在CCD相机上成像，同时通过个人计算机监测CCD相机上所收集到的目标区域光强计算反馈信号Ifeedback使用遗传算法控制空间光调制器改变入射光的相位来实现光通过随机散射介质传输过程的控制。
所述的空间光调制器为纯相位型反射式空间光调制器。
所述的反馈信号
Figure BDA0003042764280000031
其中
Figure BDA0003042764280000032
为所选取的特定范围内聚焦区域的平均强度，
Figure BDA0003042764280000033
为所选取的特定范围外CCD相机收集到的其它区域散斑的平均强度。
所述的遗传算法使用Matlab软件编程实现。
实施例1：本发明控制光通过随机散射介质后聚焦。利用计算机监测CCD相机所收集的目标聚焦区域的光强，并计算反馈信号
Figure BDA0003042764280000034
同时使用遗传算法对反馈信号Ifeedback进行监控，并不断优化入射光的相位，使Ifeedback的值逐渐上升，最终形成均匀且紧密的聚焦点。结果请参阅图1，(a)为空间光调制器未加载相位时光通过随机散射介质形成的散斑图像，(b)为空间光调制器对入射光进行相位调制后形成的聚焦点。其中，在对入射光进行相位优化之前。设置子区域个数为4。将空间光调制器上光斑覆盖区域按照光束的束腰半径分成4个部分。分别计算每个部分的光强占比之后乘以总的相位调制单元个数则为每个区域应该分配的相位调制单元个数。相位图参阅图2，(a)为传统方法的均匀合并产生的相位图，(b)为基于光强依赖的波前整形方法产生的相位图，(c)-(f)分别为从内到外每个子区域的相位分配示意图。
参阅图3，实验结果表明，使用基于光强依赖的波前整形方法利用空间光调制器对入射光的相位进行调制，在不同数量的子区域下都能够有效地控制光通过随机散射介质的传输过程并且得到比传统的波前整形方法更高的增强因子。

Claims (3)

1.一种基于光强依赖的波前整形方法，其特征在于：设定子区域个数，按照子区域个数对空间光调制器上的像素进行区域划分，利用入射光的强度空间分布计算每个子区域光强占比并对空间光调制器上的像素进行不同程度的合并，监测CCD相机上收集到的输出图像目标区域的强度来计算反馈信号Ifeedback，并使用迭代优化算法控制空间光调制器对入射光的相位进行调制，使反馈信号Ifeedback的值逐渐上升，最终实现光通过随机散射介质的传输控制，计算子区域光强占比，每个子区域的光强占比与总调制单元数量的乘积为每个子区域应该被划分的相位调制单元数，对空间光调制器进行不同程度的合并，根据每个子区域应该划分的调制单元数对空间光调制器每个子区域中像素进行均匀合并直到与调制单元数相等，控制光通过随机散射介质的传输控制过程的反馈迭代方法，在控制光通过随机散射介质聚焦的过程中，其反馈信号Ifeedback＝Ifocus/Ibackground，其中Ifocus为所选取的目标聚焦范围的平均强度，Ibackground为所选取的目标聚焦范围外CCD相机收集到的其他像素的平均强度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光强依赖的波前整形方法，其特征在于：设定子区域个数，子区域的数量进行随机设置，原则上子区域个数上限是空间光调制器窄边半径所包含的像素个数。
3.根据权利要求1所述的一种基于光强依赖的波前整形方法，其特征在于：对空间光调制器上光斑覆盖区域根据子区域数量进行区域划分，空间光调制器上的像素按照入射光源的束腰半径进行划分。
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