隨機(jī)波長(zhǎng)計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及一種諸如波長(zhǎng)計(jì)(wavelength meter)的光學(xué)系統(tǒng)，例如光譜儀或干設(shè) 儀，W及一種用于選擇波長(zhǎng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通過(guò)與時(shí)間相關(guān)的無(wú)序或隨機(jī)介質(zhì)的光的傳播通常被看作光場(chǎng)的隨機(jī)化過(guò)程，該 隨機(jī)化過(guò)程會(huì)破壞在原始光束中的所有信息。然而，在靜態(tài)隨機(jī)介質(zhì)中傳播的相干光束產(chǎn) 生出確定性的散斑(speckle pattern),同時(shí)維持其最初的在空間和時(shí)間上的相干性。運(yùn)種 特性在若干種新穎的光學(xué)設(shè)備的設(shè)計(jì)中被充分利用，例如利用計(jì)算機(jī)生成的全息圖建立焦 斑，捕陷微粒和協(xié)調(diào)一致處理等離子納米結(jié)構(gòu)。
[0003] 對(duì)基于與時(shí)間相關(guān)的無(wú)序或隨機(jī)介質(zhì)的設(shè)備而言，關(guān)鍵的是，在傳輸通過(guò)隨機(jī)介 質(zhì)時(shí)光場(chǎng)的信息內(nèi)容被保留。因此，靜態(tài)波陣面隨機(jī)化過(guò)程能夠被用于檢測(cè)光場(chǎng)在散射之 前的狀態(tài)。
[0004] 在光子學(xué)領(lǐng)域，波長(zhǎng)計(jì)的使用是無(wú)處不在的。此類(lèi)設(shè)備的微型化是非常有利的。多 模光纖可被用于建立波陣面隨機(jī)化，從而作為光譜儀，正如在B. Redding、S.M. Popoff和 H. Cao 在 Opt .Express 21,6584 (2013年）中發(fā)表的文章 W及B. Redding和 H. Cao 在 Opt丄ett. 37,3384(2012年）中發(fā)表的文章所描述的那樣。然而，要實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)相鄰激光線(xiàn) 之間8pm的分辨率將需要20m長(zhǎng)的無(wú)擾動(dòng)光纖，運(yùn)實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。此外，已被單獨(dú)確認(rèn)的 是，光譜偏振測(cè)量可使用隨機(jī)介質(zhì)的傳輸矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)T.W. Kohlgraf-Owens和A. Dogariu 在Opt丄ett. 35,2236(2010年）中發(fā)表的文章。
[0005] 忍片實(shí)驗(yàn)室化ab-on-a-cMp)的應(yīng)用需要小型的集成波長(zhǎng)檢測(cè)器。實(shí)現(xiàn)運(yùn)一點(diǎn)的 一種方法是使得光傳播通過(guò)周期性結(jié)構(gòu)，比如由特制的光子晶體構(gòu)成的超棱鏡。此種晶體 的光色散能夠在1.5皿的波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)0.4nm的分辨率。然而，運(yùn)些設(shè)備依靠平面外(out-of-plane) 檢測(cè)和自由空間傳播，因此不是完全集成到忍片上 (on-chip) 的設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)本發(fā)明，提出了一種光學(xué)系統(tǒng)或儀器，該光學(xué)系統(tǒng)或儀器包括:隨機(jī)化裝置， 其包含被隨機(jī)定位的微粒，W用于使光隨機(jī)化W提供散斑；W及檢測(cè)器，其用于對(duì)被隨機(jī)化 的光進(jìn)行檢測(cè)和分析，W確定光的一個(gè)或多個(gè)屬性。優(yōu)選地，該隨機(jī)化裝置是透射性的。
[0007] 光的一個(gè)或多個(gè)屬性能夠選自：波長(zhǎng)、偏振、相干性W及光束形狀參數(shù)。
[000引所述系統(tǒng)或儀器可W是波長(zhǎng)計(jì)或光譜儀或干設(shè)儀。
[0009] 優(yōu)選地，隨機(jī)化裝置包括薄的層或膜。該薄的層或膜的厚度可W小于lOOwn，并且 理想的小于50皿。
[0010] 本發(fā)明提出了一種波陣面混合過(guò)程，其充當(dāng)廣義的干設(shè)儀，提供對(duì)于每個(gè)不同的 入射光束而言不同的散斑。運(yùn)種屬性能夠用于例如同時(shí)測(cè)量拉蓋爾高斯化aguerre-Gaussian)光束的方位模(azimuthal mode)和徑向模。相同的方法可用于測(cè)量光場(chǎng)的其他 關(guān)鍵屬性，比如極化狀態(tài)或波長(zhǎng)。
[0011] 隨機(jī)化裝置可包括隨機(jī)定位的微粒(例如侶微粒)的膜的層，其導(dǎo)致散斑形成。
[0012] 隨機(jī)化裝置可包括在基體(ma化ix)中懸浮的隨機(jī)定位的微粒?；w可包括塊體材 料(bulk material)或者可W是薄的平面層。
[0013] 隨機(jī)化裝置可包括隨機(jī)定位的微粒(例如侶微粒)的層。隨機(jī)化裝置可包括生物材 料的層或薄片，比如生物組織的薄片。隨機(jī)化裝置可被提供為薄的膜，其能夠定位在光源前 或定位在從光源引出的光路上。
[0014] 隨機(jī)化裝置可W放置在光學(xué)共振腔，例如法布里-巧羅腔中。
[0015] 隨機(jī)化裝置可W是反射性的。隨機(jī)化裝置可包括中空的單元，其用于對(duì)光進(jìn)行內(nèi) 部反射并使光隨機(jī)化W生成散斑。隨機(jī)化裝置可包括空屯、球體(例如積分球)或中空管。
[0016] 可提供單模光纖W用于將單模光傳輸?shù)诫S機(jī)化裝置。運(yùn)避免了光束尺寸匹配和入 射光束尺寸方面的問(wèn)題。
[0017] 主成分分析(PCA)可用于分析被隨機(jī)化的光，W確定光的波長(zhǎng)。
[0018] 可變光學(xué)元件或設(shè)備可被提供在隨機(jī)化裝置前，W用于改變?nèi)肷湓陔S機(jī)化裝置上 的光?？勺児鈱W(xué)元件或設(shè)備可操作W改變光的幅度和/或相?？勺児鈱W(xué)元件或設(shè)備可包括可 變形的鏡、空間光調(diào)制器(例如液晶空間光調(diào)制器)W及數(shù)字微鏡中的至少一個(gè)。
[0019] 可提供多個(gè)隨機(jī)化裝置。運(yùn)些隨機(jī)化裝置可W被周期性地間隔開(kāi)。運(yùn)些隨機(jī)化裝 置可被定位W便傳遞在特定波長(zhǎng)下能效最高的散斑。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種激光器，包括:可控激光源;隨機(jī)化裝置，其用 于使來(lái)自可控激光源的光隨機(jī)化W生成散斑;檢測(cè)器，其用于對(duì)散斑進(jìn)行檢測(cè)和分析W確 定光的一個(gè)或多個(gè)屬性;控制器，其用于基于所確定的光的一個(gè)或多個(gè)屬性來(lái)控制可控激 光源。
[0021] 優(yōu)選地，隨機(jī)化裝置包括多個(gè)隨機(jī)定位的散射體，其用于對(duì)光進(jìn)行散射并由此使 光隨機(jī)化W生成散斑。隨機(jī)化裝置可包括隨機(jī)定位的微粒形成的薄的層或膜。隨機(jī)化裝置 可包括基體，隨機(jī)定位的微粒在該基體中懸浮。隨機(jī)化裝置可包括塊體材料。
[0022] 隨機(jī)化裝置可W是反射性的。隨機(jī)化裝置可包括中空元件，該中空元件用于對(duì)光 進(jìn)行內(nèi)部反射并由此使光隨機(jī)化W便生成散斑。隨機(jī)化裝置可包括中空球體(例如積分球） 或中空管。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提出了一種激光穩(wěn)定系統(tǒng)，其用于穩(wěn)定可控激光源的 輸出，該穩(wěn)定系統(tǒng)包括:隨機(jī)化裝置，其用于使來(lái)自可控激光源的光隨機(jī)化W生成散斑;檢 測(cè)器，其用于對(duì)散斑進(jìn)行檢測(cè)和分析W確定光的一個(gè)或多個(gè)屬性；W及控制器，其用于基于 所確定的光的一個(gè)或多個(gè)屬性來(lái)控制可控激光源。優(yōu)選地，隨機(jī)化裝置包括多個(gè)隨機(jī)定位 的散射體，其用于對(duì)光進(jìn)行散射并由此使光隨機(jī)化W生成散斑。隨機(jī)化裝置可包括隨機(jī)定 位的微粒形成的薄的層或膜。隨機(jī)化裝置可包括基體，隨機(jī)定位的微粒懸浮在該基體中。隨 機(jī)化裝置可包括塊體材料。
[0024] 可提供多個(gè)檢測(cè)器，并且散斑中的至少一部分入射在多個(gè)檢測(cè)器上。散斑的不同 部分可入射在不同的檢測(cè)器上。不同的檢測(cè)器可操作W確定光的不同屬性。不同的檢測(cè)器 可操作W同時(shí)確定光的不同屬性。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提出了一種光學(xué)系統(tǒng)，包括:隨機(jī)化裝置，其用于使光 隨機(jī)化W生成散斑;至少一個(gè)檢測(cè)器，其用于對(duì)散斑進(jìn)行檢測(cè)和分析W確定光的一個(gè)或多 個(gè)屬性；W及可變光學(xué)元件或設(shè)備，其在隨機(jī)化裝置前，W用于改變?nèi)肷湓陔S機(jī)化裝置上的 光。可變光學(xué)元件或設(shè)備可操作W改變光的幅度和/或相?？勺児鈱W(xué)元件或設(shè)備可包括可變 形的鏡、空間光調(diào)制器(例如液晶空間光調(diào)制器)和數(shù)字微鏡中的至少一個(gè)?？商峁┒鄠€(gè)檢 測(cè)器和用于將散斑傳遞或引導(dǎo)至該多個(gè)檢測(cè)器的設(shè)備。運(yùn)些用于傳遞或引導(dǎo)的設(shè)備可操作 W便將散斑的不同部分傳遞至不同的檢測(cè)器。用于傳遞或引導(dǎo)的設(shè)備可包括一個(gè)或多個(gè)光 學(xué)設(shè)備或元件。例如，用于傳遞或引導(dǎo)的設(shè)備可包括可控光束成形設(shè)備，比如可變形的鏡、 空間光調(diào)制器、數(shù)字微鏡。
[0026] 還根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提出了一種光學(xué)系統(tǒng)，包括:隨機(jī)化裝置，其用于使 光隨機(jī)化W生成散斑；多個(gè)檢測(cè)器，其用于對(duì)散斑進(jìn)行檢測(cè)和分析W確定光的一個(gè)或多個(gè) 屬性；W及用于將散斑傳遞或引導(dǎo)至多個(gè)檢測(cè)器的設(shè)備。用于傳遞或引導(dǎo)的設(shè)備可操作W 便將散斑的不同部分傳遞至不同的檢測(cè)器。用于傳遞或引導(dǎo)的設(shè)備可包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué) 設(shè)備或元件。例如，用于傳遞或引導(dǎo)的設(shè)備可包括可控光束成形設(shè)備，比如可變形的鏡、空 間光調(diào)制器、數(shù)字微鏡?？蓪⒖勺児鈱W(xué)元件或設(shè)備提供在隨機(jī)化裝置前，W用于改變?nèi)肷湓?隨機(jī)化裝置上的光。
[0027] 通過(guò)利用非常簡(jiǎn)單的薄的漫射器的散射屬性，可W檢測(cè)出精確到微米精度的、單 色光束的波長(zhǎng)。通過(guò)使用圍繞隨機(jī)化介質(zhì)放置的光學(xué)共振腔，運(yùn)種方法可擴(kuò)展到更高的分 辨率。運(yùn)允許超緊湊的光譜儀，并且允許基于對(duì)散斑場(chǎng)的分析來(lái)穩(wěn)定激光/光束的新方法。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 現(xiàn)在將僅通過(guò)舉例的方式并且參考附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明的不同方面進(jìn)行描述，其中：
[0029] 圖1是散斑光譜儀的示意圖；
[0030] 圖2(a)示出了隨著激光波長(zhǎng)在785. Inm與785.6nm之間改變而檢測(cè)到的散斑的PCA 分解；
[0031] 圖2(b)示出了在激光波長(zhǎng)為785.234nm時(shí)觀察到的遠(yuǎn)場(chǎng)散斑的示例；
[0032] 圖2(c)至圖2(d)示出了頭S個(gè)主成分PCUPC2和PC3,其相應(yīng)于可通過(guò)散斑檢測(cè)到 的頭S個(gè)自由度；
[0033] 圖3示出了在氧化侶情況下所測(cè)量到的波長(zhǎng)誤差分布；
[0034] 圖4示出了在法布里-巧羅腔中的隨機(jī)漫射器的模型化的散斑可變性；
[0035] 圖5是使用散斑檢測(cè)來(lái)控制激光參數(shù)的激光穩(wěn)定系統(tǒng)的示意性視圖；
[0036] 圖6是包括積分球的波長(zhǎng)光譜儀的示意性視圖；
[0037] 圖7是波長(zhǎng)光譜儀的基于管的組合件的示意性視圖；
[0038] 圖8是散斑光譜儀的各種操作階段的示意性視圖；
[0039] 圖9是另一個(gè)激光穩(wěn)定系統(tǒng)的示意性視圖；
[0040] 圖10示出了使用第一方法的激光系統(tǒng)的高分辨率訓(xùn)練和驗(yàn)證;W及
[0041] 圖11示出了使用第二方法的激光系統(tǒng)的高分辨率訓(xùn)練和驗(yàn)證。
【具體實(shí)施方