本發(fā)明涉及光電，具體地涉及基于散射聚焦實現(xiàn)多偏振態(tài)光場于異位點聚焦的光學系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、計算機散射介質(zhì)內(nèi)的微小顆粒會使光波偏離原本的傳播方向，導致光場變得紊亂而形成散斑。早期，人們認為散射是不可逆的。2007年，mosk課題組利用波前調(diào)制技術(shù)改變了光經(jīng)過散射介質(zhì)后的波前相位，使其實現(xiàn)了介質(zhì)后的聚焦，這一研究引起了廣泛關(guān)注。此外，光在復雜介質(zhì)中的傳播過程還被證實了可以使用矢量傳輸矩陣(vtm)進行表征。短短十幾年，基于波前整形技術(shù)的散射光場調(diào)控已經(jīng)得到了飛速發(fā)展，并且在許多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

2、隨著基于波前整形的散射光場調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，在散射介質(zhì)后聚焦不同偏振態(tài)的光場引起了越來越多的興趣。同樣的，具有特殊相位分布的光場如焦散或渦旋光場因其具有的特殊的聚焦特性引起了學者們的關(guān)注。但對于其多數(shù)研究僅限于傳統(tǒng)條件下，而將其在高階散射介質(zhì)后進行重建與調(diào)控的研究目前還并不豐富。

3、2012年，tripathi等提出了一種測量vtm的方法。這種方法可以通過四步相移法對散射介質(zhì)的vtm進行測量，并通過相位共軛對目標光場進行聚焦，但聚焦的光場通常僅與入射光偏振態(tài)一致或為雜化偏振態(tài)，就目前而言，市面上還沒有一種靈活且穩(wěn)定的方法可以在散射介質(zhì)后同時產(chǎn)生具有任意不同偏振態(tài)的光場，探究這種方法是目前亟需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺失，本發(fā)明提供了基于散射聚焦實現(xiàn)多偏振態(tài)光場于異位點聚焦的光學系統(tǒng)，以此實現(xiàn)對以正交圓偏振光為基的矢量光場的矢量傳輸矩陣的計算，并且利用矢量傳輸矩陣實現(xiàn)經(jīng)過高階散射介質(zhì)后的矢量光場的重建，并可以通過對介質(zhì)后散斑內(nèi)不同偏振態(tài)分量的提取計算對應(yīng)的矢量傳輸矩陣，并利用不同分量的矢量傳輸矩陣實現(xiàn)經(jīng)過散射介質(zhì)后的不同偏振態(tài)多點同時聚焦，且能夠?qū)崿F(xiàn)聚焦位置的任意調(diào)控。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：基于散射聚焦實現(xiàn)多偏振態(tài)光場于異位點聚焦的光學系統(tǒng)，包括：

3、激光器，用于發(fā)射激光并入射4f系統(tǒng)；

4、所述4f系統(tǒng)，用于將兩束正交圓偏振光疊加生成矢量光場，包含能夠?qū)鈭鱿辔贿M行調(diào)制的空間光調(diào)制器，第一傅里葉透鏡，第二傅里葉透鏡，雙孔濾波器，雙膠合波片和一塊朗奇光柵；依次排列順序為空間光調(diào)制器，第一傅里葉透鏡，雙孔濾波器，雙膠合波片，第二傅里葉透鏡，朗奇光柵，雙孔濾波器緊貼雙膠合波片，除此之外各元件間距離均為傅里葉透鏡焦距f。激光入射到空間光調(diào)制器后通過雙孔濾波器提取其后譜面上x軸與y軸的+1階光束，分別使兩束光通過雙膠合波片的不同膠合面轉(zhuǎn)換為正交的左旋與右旋偏振方向的圓偏振光，最后通過朗奇光柵將兩束光合束為矢量光束；

5、高階散射介質(zhì)，用于讓矢量光束穿過發(fā)生散射；

6、第一顯微物鏡、第二顯微物鏡，用于對在所述高階散射介質(zhì)后產(chǎn)生的散斑進行縮放；第一顯微物鏡用于將入射光的能量進行匯聚以穿透高階散射介質(zhì)，第二顯微物鏡用于收集穿透高階散射介質(zhì)后散射的光信號；

7、波片與偏振片，用于提取出射散斑中不同偏振態(tài)分量，得到不同偏振態(tài)的散斑；

8、cmos接收器用于接收偏振片后出射的光信號并傳輸至控制裝置中；

9、其中，利用基于4f系統(tǒng)的相位調(diào)制，所生成的矢量光場如以下公式一所示：

10、

11、其中a0是振幅，δ1和δ2分別為加載到空間光調(diào)制器中的x方向和y方向的附加相位。

12、進一步地，由兩個正交所述左旋與右旋偏振方向的圓偏振光相干疊加得到矢量光場穿過所述高階散射介質(zhì)，其矢量傳輸矩陣(vtm)如以下公式二所示：

13、

14、其中m,n,p,q分別表示輸入平面(m,n)點和輸出平面(p,q)點。

15、進一步地，矢量光束透過第一顯微物鏡聚焦在高階散射介質(zhì)上，然后被第二顯微物鏡收集，并由波片與偏振片提取不同偏振態(tài)的分量，以強度散斑圖形式傳輸?shù)絚mos接收器，以hadamard矩陣的每一列作為輸入模式，根據(jù)四步移相法并通過測量相應(yīng)的輸入模式校準元素，從而得到高階散射介質(zhì)矢量傳輸矩陣(vtm)的全部組分。

16、進一步地，憑借對矢量傳輸矩陣(vtm)整體進行共軛運算，得到調(diào)制波前相位并加載至空間光調(diào)制器，從而克服高階散射介質(zhì)帶來的散射效應(yīng)，空間光調(diào)制器的調(diào)制函數(shù)如以下公式三所示：

17、

18、其中γ表示調(diào)制深度，f0表示空間載頻，δxx，δxy，δyx和δyy分別表示vtm中txx，txy，tyx與tyy對應(yīng)的hadamard基的相位，左旋與右旋圓偏振光分別通過與進行調(diào)控，從而能在散射介質(zhì)后同時產(chǎn)生多個聚焦在焦平面不同位置并具有不同偏振態(tài)的光場。

19、進一步地，通過在空間光調(diào)制器的全息相位圖中附加任意目標相位，如扭曲相位uxy，渦旋相位m，可在高階散射介質(zhì)后焦平面上的不同位置同時聚焦出具有不同偏振態(tài)的焦散與渦旋光場，空間光調(diào)制器的調(diào)制函數(shù)如以下公式四表示為：

20、

21、其中δ1＝uxy，δ2＝mφ。

22、進一步地，所述高階散射介質(zhì)為由氧化鋅(zno)納米顆粒制成的各向異性材料。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

24、(1)通過對介質(zhì)后散斑內(nèi)不同偏振態(tài)分量的提取計算對應(yīng)的矢量傳輸矩陣，并利用不同分量的矢量傳輸矩陣實現(xiàn)經(jīng)過散射介質(zhì)后的不同偏振態(tài)多點同時聚焦，且能夠?qū)崿F(xiàn)聚焦位置的任意調(diào)控。

25、(2)靈活性高，能夠?qū)崿F(xiàn)對以正交圓偏振光為基的矢量光場的矢量傳輸矩陣的計算，并利用矢量傳輸矩陣實現(xiàn)經(jīng)過高階散射介質(zhì)后的矢量光場的重建，并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

26、(3)適用于需要在高階散射介質(zhì)后焦平面同時聚焦多個具有不同偏振態(tài)的領(lǐng)域，具有操作便捷，靈活調(diào)控，效果穩(wěn)定等特點。

技術(shù)特征：

1.基于散射聚焦實現(xiàn)多偏振態(tài)光場于異位點聚焦的光學系統(tǒng)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于散射聚焦實現(xiàn)多偏振態(tài)光場于異位點聚焦的光學系統(tǒng)，其特征在于：由兩個正交所述左旋與右旋偏振方向的圓偏振光相干疊加得到矢量光場穿過所述高階散射介質(zhì)(9)，其矢量傳輸矩陣(vtm)如以下公式二所示：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于散射聚焦實現(xiàn)多偏振態(tài)光場于異位點聚焦的光學系統(tǒng)，其特征在于：矢量光束透過第一顯微物鏡(8)聚焦在高階散射介質(zhì)(9)上，然后被第二顯微物鏡(10)收集，并由波片(11)與偏振片(12)提取不同偏振態(tài)的分量，以強度散斑圖形式傳輸?shù)絚mos接收器(13)，以hadamard矩陣的每一列作為輸入模式，根據(jù)四步移相法并通過測量相應(yīng)的輸入模式校準元素，從而得到高階散射介質(zhì)(9)矢量傳輸矩陣(vtm)的全部組分。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于散射聚焦實現(xiàn)多偏振態(tài)光場于異位點聚焦的光學系統(tǒng)，其特征在于：憑借對矢量傳輸矩陣(vtm)整體進行共軛運算，得到調(diào)制波前相位并加載至空間光調(diào)制器(2)，從而克服高階散射介質(zhì)(9)帶來的散射效應(yīng)，空間光調(diào)制器(2)的調(diào)制函數(shù)如以下公式三所示：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于散射聚焦實現(xiàn)多偏振態(tài)光場于異位點聚焦的光學系統(tǒng)，其特征在于：通過在空間光調(diào)制器(2)的全息相位圖中附加任意目標相位，如扭曲相位uxy，渦旋相位mφ，可在高階散射介質(zhì)后焦平面上的不同位置同時聚焦出具有不同偏振態(tài)的焦散與渦旋光場，空間光調(diào)制器(2)的調(diào)制函數(shù)如以下公式四表示為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于散射聚焦實現(xiàn)多偏振態(tài)光場于異位點聚焦的光學系統(tǒng)，其特征在于：所述高階散射介質(zhì)(9)為由氧化鋅(zno)納米顆粒制成的各向異性材料。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了基于散射聚焦實現(xiàn)多偏振態(tài)光場于異位點聚焦的光學系統(tǒng)，包括激光器，用于發(fā)射激光并入射4f系統(tǒng)；所述4f系統(tǒng)，用于將兩束正交圓偏振光疊加生成矢量光場，包含能夠?qū)鈭鱿辔贿M行調(diào)制的空間光調(diào)制器，第一傅里葉透鏡，第二傅里葉透鏡，雙孔濾波器，雙膠合波片和一塊朗奇光柵；依次排列順序為空間光調(diào)制器，第一傅里葉透鏡，雙孔濾波器，雙膠合波片，第二傅里葉透鏡，朗奇光柵，雙孔濾波器緊貼雙膠合波片，除此之外各元件間距離均為傅里葉透鏡焦距f；通過對介質(zhì)后散斑內(nèi)不同偏振態(tài)分量的提取計算對應(yīng)的矢量傳輸矩陣，并利用不同分量的矢量傳輸矩陣實現(xiàn)經(jīng)過散射介質(zhì)后的不同偏振態(tài)多點同時聚焦，且能夠?qū)崿F(xiàn)聚焦位置的任意調(diào)控。

技術(shù)研發(fā)人員：陳瑞品,周煜涵,李光澤,曹寧晨,張露鴻,米仕軒
受保護的技術(shù)使用者：浙江理工大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8