[发明专利]一种用于超晶格非线性成像过程的迂回编码设计方法

说明书

本发明公开了一种用于超晶格非线性成像过程的迂回编码设计方法，该方法基于局域准相位匹配，改变了传统LQPM方法中或对晶格表面图像场分布直接二值化处理或仅对单一振幅维度信息编码的超晶格结构设计方式，以迂回编码算法同时编码图像倍频场的振幅相位，得到相应的超晶格结构及重构图像。本发明针对基波沿超晶格极化方向入射的二次谐波产生过程，所选成像目标图案为不规则图形，然后晶体的最优结构经过迂回编码算法得出。本发明提高了超晶格倍频像的光强值和分辨率，在提高非线性成像精度和实现精确的波前调控方面具有广泛的应用意义。

技术领域

本发明属于非线性光学技术，具体涉及一种用于超晶格非线性成像过程的迂回编码设计方法。

背景技术

对于光学成像，如何抑制衍射效应进而提高成像质量一直是领域内的研究热点。非线性特性的引入有助于突破成像系统中的衍射极限，因此与非线性相关的成像方法得到了广泛的应用，特别是局域准相位匹配技术(LQPM)。这是一种利用人工微结构材料光学超晶格，实现任意不规则图案高分辨成像的方法，但是在获得晶格实际的结构函数时，存在二值化处理所带来的影响，成像质量不高。

2014年，南京大学课题组结合体全息概念，提出在非线性相位全息板上实现局域准相位匹配下的二次谐波成像。随后，进一步利用全息多值编码设计超晶格的铁电畴排布，实现了多值化调制，在一定程度上解决了二值化给成像精度带来的影响。然而，该方法在编码过程中忽略了倍频光场所携带的相位信息，仅对单一振幅维度上的信息进行编码，成像后的像差影响依旧不能忽视。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术对于超晶格的编码过程中存在的不足问题，本发明提供一种用于超晶格非线性成像过程的迂回编码设计方法。

技术方案：一种用于超晶格非线性成像过程的迂回编码设计方法，所述方法基于局域准相位匹配理论，针对基波沿晶体极化方向入射的二次谐波产生过程，根据不规则目标图像反向推出非线性光在超晶格表面出射处的光场分布，并且利用迂回相位效应设计超晶格的铁电畴排布，包括增加对场分布中相位信息的编码表示，设置晶格结构图中单元格的精度值s与s×s个电畴对应，再将场分布图中每个像素点与元胞对应，利用二值化填充的元胞函数即可得到相应的晶格结构函数以及重构图像。

进一步的，所述的方法包括如下步骤：

(1)设置晶体参数和入射基波与出射倍频波的相关参数，包括晶体的非线性系数d₃₃、基频沿晶体极化方向入射涉及到的oo-o过程的折射率n(ω)，分析入射光与晶体相互作用的倍频过程，根据能量守恒定律，出射倍频波频率ω₂＝2ω₁，基波与倍频波在真空与介质中的波矢表示如下：

其中，k_o1为真空中o光的基波波矢，ω₁为基波频率；k_o2为真空中o光的倍频波矢，ω₂为倍频频率；k_n1为晶体中o光的基波波矢，n(ω₁)为基波在晶体中的折射率；k_n2为晶体中o光的倍频波矢，n(ω₂)为倍频在晶体中的折射率；

(2)读入需要倍频的目标图像E₀，提取其中包含的强度信息，并将其离散处理为不同强度聚焦点的集合，得到与目标图像对应的场分布矩阵E₀(x,y)。根据局域准相位匹配理论，对从像面到晶体面的点光源场强进行衍射叠加，将焦距值f_z以及基波和倍频的波矢k_o1、k_o2、k_n1、k_n2代入计算，得到对应理想的结构函数F(x,y)；

(3)对步骤(2)中所得到的理想的结构函数F(x,y)进行幅值和相位的归一化处理；