CN116719161A - 一种平顶完美涡旋光束的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平顶完美涡旋光束的生成方法，所述生成方法使用数字微镜器件产生涡旋光束并利用全局自适应反馈方法提高光束平整度，通过采集已生成的光场强度信息，反馈调节载入数字微镜器件的目标光场强度图像，进而补偿涡旋光束产生过程中的低质量照明光源和随机扰动对光束平整度带来的影响，通过迭代运算，最终产生光场强度分布和超高拓扑荷灵活可调的平顶完美涡旋光束。本发明采用的全局自适应反馈调节算法，自动调节光束强度分布，可以简单、快速地提高光束平整度，获取平顶完美涡旋光束。

Description

一种平顶完美涡旋光束的生成方法

技术领域

本申请涉及光学领域，特别是涉及一种平顶完美涡旋光束的生成方法。

背景技术

涡旋光束是一种具有特殊相位结构的光场,其特殊性在于具有中心孤立奇点和螺旋形相位波前，相位奇点处的光强为0，所以其强度呈中空环形分布。光学涡旋相较于其他光场,最显著的一个特征是携带轨道角动量(Orbital Angular MomentumOAM)，因此，携带OAM的光学涡旋在光学微操控、光通信、量子信息、超分辨显微成像等方面都具有重要的应用价值。

通常，对于拉盖尔-高斯模式、贝塞尔模式等经典光学涡旋，模式轮廓的环半径受拓扑荷数的强烈影响。相比之下，对于完美涡旋光束(perfectvortex beamPVB)，径向强度和半径均与拓扑荷无关，这对于实现具有大拓扑荷的小暗空心用于光学捕获具有吸引力，并减轻了放大涡旋光束时泵浦光束校准的要求。

另一方面，具有高强度梯度内环的尖锐边缘有利于粒子紧束缚，以及空间均匀放大以获得超高功率、高强度的涡旋光束。后者可应用于惯性约束核聚变中。这些应用均对具有平顶强度分布和拓扑荷灵活调节的PVB提出了更高的需求。现有技术中产生涡旋光束的方式，如使用螺旋相位板或涡旋激光器只能提供一种或少数几种特定模式的涡旋光束，灵活度较低，不可扩展。且发出的光束强度呈高斯分布，这一特点在很多情况下限制了激光的应用范围。使用空间光调制器(SLM)可以产生模式大范围可调的光学涡旋，但是其调制帧速率缓慢，可承受激光功率阈值低，对入射光有偏振要求且价格昂贵，最后没有反馈调节的过程，产生的光束平整度低，因此无法满足效率高且稳定性好的需求。

因此，现有技术有待改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于为用户提供一种平顶完美涡旋光束的生成方法，克服现有技术中的涡旋光束生成技术无法同时兼顾自由调制光束形状、相位和光强平整度的缺陷。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种平顶完美涡旋光束的生成方法，其中，所述平顶完美涡旋光束表示光束横截面上具有均一光强分布，光束轮廓可调且携带涡旋相位的光束，所述方法包括：

获取数字微镜器件加载第N次目标强度图像时生成涡旋光束的实测强度图像对应的光场强度信息；以首次使用的目标强度图像为初始强度图像，本次使用的目标强度图像计为第N次目标强度图像，其中N为正整数；

根据所述实测强度图像对应的光场强度信息和初始强度图像计算出补偿因子；

对所述第N次目标强度图像进行迭代反馈调节，得到第N+1次目标强度图像；其中，所述迭代反馈调节为：利用所述补偿因子和均值滤波算法对图像进行强度值调节；

使用数字微镜器件加载所述第N+1次目标强度图像，测量基于所述第N+1次目标强度图像生成的涡旋光束，直到测量结果的光束强度平整度符合要求，停止迭代反馈调节，输出平顶完美涡旋光束。

可选的，所述获生成涡旋光束的实测强度图像对应的光场强度信息的步骤包括：

对接收到的实测强度图像进行裁剪、比例缩放和对齐以使得裁剪后的实测强度图像与初始目标强度图像具有相同的规格。

可选的，所述根据所述光场强度信息和目标强度图像计算出补偿因子的步骤包括：

以初始强度图像中的非空区域划定有效区域，以与初始强度图像同规格的实测强度图像在有效区域内的光强均值称为阈值；

将实测强度图像有效区域内的光强值减去阈值得到补偿因子。

可选的，所述对所述第N次目标强度图像进行迭代反馈调节，得到第N+1次目标强度图像的步骤包括；

使用均值滤波算法对所述第N次目标强度图像的强度值减去所述补偿因子与步长的乘积得到的图像进行滤波处理，得到第N+1次目标强度图像。

可选的，所述使用数字微镜器件加载所述第N+1次目标强度图像的步骤之前，还包括：

将迭代反馈调节处理后的第N+1次目标强度图像与目标相位图像结合，得到补偿后的全息图，并将此全息图传输至所述数字微镜器件。

可选的，所述步长为预设值，且数值与光强平整度的收敛速度成正比例关系。

可选的，所述测量基于所述第N+1次目标强度图像生成的涡旋光束，直到测量结果的光束强度平整度符合要求，停止迭代计算的步骤包括；

判断实测强度图像的光强平整度是否符合预设要求，若符合，则将实测强度图像对应的输出光束做为最终的平顶涡旋光束，停止对第N+1次实测强度图像进一步处理。

本实施例公开了一种平顶完美涡旋光束的生成方法，利用补偿因子并以初始目标强度图像为初始图像执行迭代反馈调节，得到迭代反馈调节后的第N次目标强度图像；加载所述第N次目标强度图像，基于所述第N次目标强度图像输出平顶完美涡旋光束。本实施例所公开的生成方法基于数字微镜器件对光束进行调制，调制效率高，并且采用迭代反馈调节算法，自动调节光束强度平整度，因此可以获取到完美的平顶涡旋光束。

附图说明

图1为本实施例提供的平顶完美涡旋光束的生成方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中平顶完美涡旋光束产生装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中反馈调节算法的过程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

近年来，携带轨道角动量的光学涡旋受到越来越多的关注。光学涡旋在光学操纵、光学捕获、光镊、成像、显微镜、传感、计量、量子信息处理和光学通信等领域有着各种新兴的应用。

在对激光进行功率放大过程中，需要使高能激光穿过增益介质，假若激光束不能均匀的照射到介质表面，强度分布不均匀的激光束由于激光等离子体相互作用，会形成有害的非线性效应，无法得到预期结果；在微观粒子操控领域，平顶涡旋光束具有比普通涡旋光束更大的内环强度梯度，能够提高陷阱效应，对粒子具有更强的捕获力，有利于牢牢地捕获和操控粒子。

然而，传统的产生涡旋光束的方式，如使用螺旋相位板或涡旋激光器只能提供一种或少数几种特定模式的涡旋光束，灵活度较低，不可扩展。且发出的光束强度呈高斯分布，具体表现为中间强、边缘弱，这一特点在很多情况下限制了激光的应用范围。

使用空间光调制器可以产生模式可调的光学涡旋，但是其调制帧速率缓慢，一般为几十HZ，可承受激光功率的损伤阈值低，对入射光有偏振要求。

数字微镜装置是控制光场的绝佳选择，因为它具有、高达几十KHZ的帧速率、在很宽的波长范围内工作、对输入激光功率更好的耐受性、且偏振不敏感，再加上本发明提出的全局自适应反馈调节算法，可以在短时间内大幅提高光强的平整度。

本实施例公开了一种平顶完美涡旋光束的生成方法，所述平顶完美涡旋光束表示光束横截面上具有均一光强分布，光束轮廓可调且携带涡旋相位的光束，如图1所示，所述方法包括：

步骤S1、获取数字微镜器件加载第N次目标强度图像时生成涡旋光束的实测强度图像对应的光场强度信息；以首次使用的目标强度图像为初始强度图像，本次使用的目标强度图像计为第N次目标强度图像，其中N为正整数。

本步骤中首先获取第N次目标强度图像在数字微镜器件中加载时输出的涡旋光束对应的实测强度图像。结合图2所示，将第N次目标强度图像加载到数字微镜器件3中，数字微镜器件3中输出的光束传输至光学4f***(光学4f***包括：第一平凸透镜5、圆形可变光阑6和第二平凸透镜)经过光学4f***输出，形成涡旋光束对应的目标光场，该目标光场中光束对应的光强信息由CCD相机8接收。

结合图3所示，该第N次目标强度图像是执行了第N次迭代反馈调节后得到的目标强度图像，也即是执行了N次对初始强度图像进行迭代反馈调节后的得到的目标强度图像。

步骤S2、根据所述实测强度图像对应的光场强度信息和初始强度图像计算出补偿因子。

根据上述步骤S1中获取到的实测强度图像对应的光场强度信息和预设的初始强度图像，计算出补偿因子。

具体的，所述补偿因子基于预设的初始强度图像和每次数字微镜器件加载目标强度图像后，获取到的实测强度图像确定得到的。在一种实施方式中，以初始强度图像中的非空区域划定有效区域，以与初始强度图像同规格的实测强度图像在有效区域内的光强均值称为阈值；将实测强度图像有效区域内的光强值减去阈值得到补偿因子。补偿因子的数值大小与光强平整度的收敛速度成正比例关系，也即是补偿因子越大，则光强平整度的收敛速度越快，补偿因子的数值越小，则光强平整度的收敛速度越慢。补偿因子乘以步长来控制迭代速率。

使用初始强度图像对有效区域进行划定，也即是以初始强度图像中的非空区域划定为有效区域。将实测强度图像裁剪到大小规格与初始强度图像相同，并获取裁剪完成后实测强度图像的有效区域内的光强均值和实测强度图像中的光强值，实测强度图像中有效区域内的光强值减去实测强度图像中有效区域内的光强均值，得到本次迭代反馈调节的补偿因子。

步骤S3、对所述第N次目标强度图像进行迭代反馈调节，得到第N+1次目标强度图像；其中，所述迭代反馈调节为：利用所述补偿因子和均值滤波算法对图像进行强度值调节。

本步骤中使用均值滤波算法对所述第N次目标强度图像的强度值减去所述补偿因子与步长的乘积得到的图像进行滤波处理，得到第N+1次目标强度图像。

具体的，利用公式TI_N+1＝ImFilter{TI_N-αΔI}对第N次目标强度图像进行强度值调节，其中，TI_N+1为强度值调节后得到第N+1次目标强度图像，TI_N为第N次目标强度图，α为步长，ΔI为补偿因子。也即是：将得到的第N次目标强度图像减去步长和补偿因子的乘积，再对其进行均值滤波后，得到第N+1次目标强度图像。

本实施例中所公开的步长控制反馈速度的权重因子，因此步长和补偿因子共同决定了反馈调节的速度。

步骤S4、使用数字微镜器件加载所述第N+1次目标强度图像，测量基于所述第N+1次目标强度图像生成的涡旋光束，直到测量结果的光束强度平整度符合要求，停止迭代反馈调节，输出平顶完美涡旋光束。

对迭代反馈调节后的第N+1次目标强度图像输出至数字微镜器件中加载，得到加载完成的第N+1次目标强度图像对应的实测强度图像。对得到的实测强度图像进行光强平整度计算，判断当前获取到的光强平整度是否符合预设光束强度平整度要求，若符合，则停止对目标强度图像进行迭代反馈调节的步骤，当前输出得到的光束即为平顶完美涡旋光束，否则，重复执行对目标强度图像的迭代反馈调节步骤，直至输出的涡旋光束对应的实测强度图像符合光强平整度要求为止。

本发明公开了一种平顶完美涡旋光束的生成方法，使用数字微镜器件产生涡旋光束并利用全局自适应反馈方法提高光束平整度，通过采集已生成的光场强度信息，反馈调节载入数字微镜器件的目标光场强度图像，进而补偿涡旋光束产生过程中的低质量光源和随机扰动对光束平整度带来的影响，通过迭代运算，最终产生光场强度分布和超高拓扑荷灵活可调的平顶完美涡旋光束。本发明采用的全局自适应反馈调节算法，自动调节光束强度，可以简单、快速地提高光束平整度，获取平顶完美涡旋光束下面以具体应用实施例对本发明所公开的方法做进一步的说明。

首先利用涡旋光束产生装置产生涡旋光束，再利用计算机实现对产生涡旋光束的光强进行调制，以实现得到平顶完美涡旋光束。

在本实施例中的涡旋光束产生装置包括：光源、光纤准直器、数字微镜器件、反射镜、光学4f***，以及电荷耦合器等。

光纤光源发出的光通过单模光纤导出，光纤准直器准直，数字微镜器件设置在光的传输路径上，对该光束进行调制，得到调制后的涡旋光束光场。

数字微镜器件输出的光经过光学4f***后，输出为涡旋光束，得到涡旋光束形成的光场。根据预设初始目标强度图像和涡旋光束光场中获取到的实测强度图像计算补偿因子，以初始目标强度图像为初始图像，以所述补偿因子和预设步长为调节参数执行信息参数迭代调节，得到信息参数迭代调节后的第N次目标强度图像；其中，N为正整数。

本实施例所提供平顶完美涡旋光束的生成方法，首先利用光纤光源发出激光，再利用涡旋光束产生装置对传入的激光光束进行波前整形，最后利用全局自适应反馈算法对整形调控后的涡旋光束进行优化，以使得优化后的涡旋光束具有高的光强平整度，从而得到完美的平顶涡旋光束。

进一步的，结合图2所示，涡旋光束产生装置102包括：第一光纤准直器2、数字微镜器件3、第一反射镜4、光学4f***和CCD相机8；其中，光学4f***包括：第一平凸透镜5、圆形可变光阑6和第二平凸透镜7。光学4f***为滤波***，其利用傅里叶变换技术和光学相干技术等对光束进行处理，实现光图像的加减和微分等。

光源1发出的激光光束经过所述第一光纤准直器2准直处理后，传输至第一反射镜4，经所述第一反射镜4反射到所述数字微镜器件3；所述数字微镜器件3对接收到的反射光束进行调制后输入至所述光学4f***，经过所述光学4f***空间滤波得到的光束轮廓由所述CCD相机8接收。利用计算机对CCD相机8中接收到的图像进行优化，以便对涡旋光束进行调控，从而获取到完美的平顶涡旋光束。

详细的，结合图3所示，对第N次迭代获取到的目标强度图像，使用目标相位图像(TP)和目标强度图像(TI_N)，生成二进制数字微镜器件图案D_N。将D_N加载到数字微镜器件后，使用相机测得光场强度，得到第N次拍摄实测强度图像MI_N。

利用计算机对该第N次拍摄得到的实测强度图像MI_N进行裁剪和缩放，使得其与预设的初始目标强度图像为同一规格，也即光束轮廓基本相同，再将实测图像与初始目标强度图像进行对比，筛选出光束有效范围值有效范围内光强度均值<TI_N>，并将规格化之后的实测强度图像有效区域光强减去有效范围内光强度均值<TI_N>，得到补偿因子。具体的，计算补偿因子ΔI，由等式ΔI＝MI_N-<TI_N>计算，其中“<>”表示取均值。平均强度值<TI_N>充当阈值，以识别实时MI_N中较大或较小的值。值得注意的是，ΔI是用作表征的无量纲参数。因此，在ΔI曲线中，非负值都对应于大于阈值的强度，应该在下一次迭代中被抑制，而负值小于阈值，应该被提升。

由于每次拍摄到实测强度图像后，均利用拍摄到的实测强度图像对补偿因子进行更新，因此补偿因子随着实测强度图像的不同在不断变化。

其次，通过关系式TI_N+1＝ImFilter(TI_N-αΔI)获得新的目标强度，其中TI_N+1表示第N+1次目标强度图像，α为步长，步长是控制反馈速度的权重因子。为了进一步平滑强度波动，并改善异常点大于或小于其周围环境的影响，对使用补偿因子和预设步长对第N次目标强度图像进行强度值调节后的图像施加二维均值滤波器，即ImFilter{TI_N-αΔI}，得到最终更新的第N+1次目标强度图像。

再次，将得到的第N+1次目标强度图像与目标相位图像进行计算生成新的全息图。

将第N+1次目标强度图像结合始终不变的目标相位图像TP进行第N+1次迭代运算，数字微镜器件对全息图像调制后，传输至光学4f***，经过所述光学4f***处理后由CCD相机接收。

最后，判断迭代反馈调节后得到的第N+1次目标强度图像是否符合平顶完美涡旋光束的要求。

因此，所述测量基于所述第N+1次目标强度图像生成的涡旋光束，直到测量结果的光束强度平整度符合要求，停止迭代计算的步骤包括；

判断实测强度图像的光强平整度是否符合预设要求，若符合，则将实测强度图像对应的输出光束做为最终的平顶涡旋光束，停止对第N+1次实测强度图像进一步处理。

本实施例提供的方法，每次根据拍摄得到的实测强度图像对补偿因子进行更新，利用更新后的补偿因子和预设步长对前一次更新时得到第N次目标强度图像进行迭代反馈调节处理，得到一个新的全息图，并将全息图传输至光学4f***后，则完成一次目标强度图像的参数迭代，重复执行多次上述涡旋光束光场拍摄到的实测强度图像确定补偿因子，基于补偿因子更新目标强度图像，以及得到全息图，并将全息图加载到数字微镜器件的步骤，直至拍摄到的实测强度图像对应的涡旋光束满足预设光强平整度要求。

判断实测强度图像的光强平整度是否符合预设要求，若符合，则将实测强度图像对应的输出光束为最终的平顶完美涡旋光束，停止对第N+1次强度图像的迭代反馈调节处理。

为了实现最终得到的实测强度图像光强平整度满足预设要求，也即是对应的涡旋光束已经优化为完美的平顶涡旋光束，则当迭代次数到达设置次数后，对实测强度图像进行判断，判断当前实测强度图像的光强平整度是否到达预期，若已经符合要求，则停止上述步骤中的信息参数迭代处理，否则继续执行上述优化过程，直至获取到的实测强度图像符合要求。

本实施例所提供的光束生成方法，通过labview联调程序可以实现CCD相机自动采集，电脑计算处理，将新全息图自动导入数字微镜器件的全部流程，无需手动操作，因此操作方便。并且，此发明可以产生很高拓扑荷数的涡旋光束，在实验测试中产生了140阶的拉盖尔-高斯光束，超出了普通方式产生涡旋光束可以得到的范围。

本实施例公开了一种平顶完美涡旋光束的生成方法，利用数字微镜器件对所述激光光源产生的激光光束进行调制，得到调制后的涡旋光束光场；利用计算机根据预设初始目标强度图像和涡旋光束光场中获取到的实测强度图像计算补偿因子，利用所述补偿因子并以初始目标强度图像为初始图像执行信息参数迭代调节，得到迭代调节后的第N次目标强度图像；加载所述第N次目标强度图像，基于所述第N次目标强度图像输出平顶涡旋光束。本实施例所公开的生成方法基于数字微镜器件对光束进行调制，调制效率高，并且采用自适应反馈调节算法，自动调节光束强度平整度，因此可以获取到完美的平顶涡旋光束。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种平顶完美涡旋光束的生成方法，其特征在于，所述平顶完美涡旋光束表示光束横截面上具有均一光强分布，光束轮廓可调且携带涡旋相位的光束，所述方法包括：

获取数字微镜器件加载第N次目标强度图像时生成涡旋光束的实测强度图像对应的光场强度信息；以首次使用的目标强度图像为初始强度图像，本次使用的目标强度图像计为第N次目标强度图像，其中N为正整数；

根据所述实测强度图像对应的光场强度信息和初始强度图像计算出补偿因子；

对所述第N次目标强度图像进行迭代反馈调节，得到第N+1次目标强度图像；其中，所述迭代反馈调节为：利用所述补偿因子和均值滤波算法对图像进行强度值调节；

使用数字微镜器件加载所述第N+1次目标强度图像，测量基于所述第N+1次目标强度图像生成的涡旋光束，直到测量结果的光束强度平整度符合要求，停止迭代反馈调节，输出平顶完美涡旋光束。

2.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述获生成涡旋光束的实测强度图像对应的光场强度信息的步骤包括：

对接收到的实测强度图像进行裁剪、比例缩放和对齐以使得裁剪后的实测强度图像与初始目标强度图像具有相同的规格。

3.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述根据所述光场强度信息和目标强度图像计算出补偿因子的步骤包括：

以初始强度图像中的非空区域划定有效区域，以与初始强度图像同规格的实测强度图像在有效区域内的光强均值称为阈值；

将实测强度图像有效区域内的光强值减去阈值得到补偿因子。

4.根据权利要求1所述的生成方法，其特征在于，所述对所述第N次目标强度图像进行迭代反馈调节，得到第N+1次目标强度图像的步骤包括；

使用均值滤波算法对所述第N次目标强度图像的强度值减去所述补偿因子与步长的乘积得到的图像进行滤波处理，得到第N+1次目标强度图像。

5.根据权利要求4所述的生成方法，其特征在于，所述使用数字微镜器件加载所述第N+1次目标强度图像的步骤之前，还包括：

将迭代反馈调节处理后的第N+1次目标强度图像与目标相位图像结合，得到补偿后的全息图，并将此全息图传输至所述数字微镜器件。

6.根据权利要求4所述的生成方法，其特征在于，所述步长为预设值，且数值与光强平整度的收敛速度成正比例关系。

7.根据权利要求3所述生成方法，其特征在于，所述测量基于所述第N+1次目标强度图像生成的涡旋光束，直到测量结果的光束强度平整度符合要求，停止迭代计算的步骤包括；

判断实测强度图像的光强平整度是否符合预设要求，若符合，则将实测强度图像对应的输出光束做为最终的平顶涡旋光束，停止对第N+1次实测强度图像进一步处理。