本发明专利技术涉及一种主动光学位相共轭方法及基于主动光学位相共轭的成像装置和光开关，属于光学成像和集成技术领域。它采用光波导阵列构成模式分离／合成转换器，这些光波导在一端靠拢放置，光场互相耦合，在另外一端分开放置，彼此隔离。进一步通过模式分离／合成转换器把光波分解并引导到彼此隔离的光波导，然后在这些彼此隔离的光波导中通过简单的位相和振幅调节实现主动光学位相共轭。它解决了大尺寸高像质三维立体显示、超快速变焦、远距离和高能激光精确聚焦等一些极限条件下的成像问题。适用于计算机人机交换，机器人视觉，集成电路光刻，体信息存储，军事，能源，生物与光通讯网络领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学成像和集成
，更具体地涉及一种主动光学位相共轭方法，特别适用于三维立体显示与摄影，高质量衍射极限成像，远距离和高能激光精确聚焦。同时还涉及一种基于主动光学位相共轭的成像装置和基于主动光学位相共轭的光开关，特别适用于计算机人机交换，机器人视觉，集成电路光刻，体信息存储，军事，能源，生物与光通讯网络领域。
技术介绍
传统光学系统利用光学透镜对波前的变换功能，实现光波会聚，发散，和成像，但它有一系列缺陷，例如存在包括球差、色差、场曲等在内的各种各样的像差，焦距单一固定，既使采用机械方式变焦也速度缓慢，另外大口径镜头加工困难，航空摄影容易受大气湍流影响，在大功率激光情况下，光学镜头容易发生热变形，降低成像质量等。目前有各种各样的方法来克服传统光学系统各方面的不足，例如自适应光学，它采用一系列小镜片来代替整块大镜片，然后通过动态调整这些小镜片来改善光学成像质量，可显著降低大气湍流的影响。但每个小镜片一般尺寸远大于波长，难于集成，系统复杂，且调整速度有限。再如二元光学，它采用大规模集成电路工艺进行制作，可以在一块元件上集成多种功能，实现光学系统的单片集成，大幅度地降低了光学系统的体积和重量，从根本上改变了传统光学系统的形式和加工方法等，但对光学成像质量没有根本改善，二元光学元件一旦加工完成，其功能和性能就是固定的。再如光学位相共轭方法，它利用光路可逆性来消除波前传播过程中产生的畸变。光路可逆性原理是光学领域的一个基本原理，但是除了平行光束这样非常简单的情况，采用传统光学系统要实现光路逆转，特别是对严重变形的波前和动态变化的光场，是非常困难的。但是如果被光学位相共轭反射，一束光在传播过程中无论经过多少变形，都会通过逆变形，回到起点并恢复原始波前。但目前光学位相共轭的实现都依赖某种非线形光学效应，如受激布里渊散射(SBS)、四波混频等，无法人为控制光学位相共轭过程，我们可以称之为被动光学位相共轭方法。尽管目前提出了各种各样的方法来克服传统光学系统的不足，但一种方法往往只改善了传统光学系统某一方面的不足，而不能满足其他方面问题，特别是高速、高质量、大尺寸立体显示与摄像、远距离与大功率精确聚焦等一些极限条件下的成像问题一直没有得到很好解决。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于克服基于非线形光学效应的被动光学位相共轭方法的不足，提供一种主动光学位相共轭方法，实现不依靠精密光学镜头的三维高质量成像，特别是解决一些用现有光学成像方法很难解决的一些极限条件下的成像问题，如大尺寸立体显示与摄像、远距离与大功率激光聚焦等。本专利技术的第二个目的在于提供一种基于主动光学位相共轭的成像装置，它可以实现衍射极限超高分辨率，三维空间多点同时成像，纳秒量级甚至更高速度的超快速变焦，同时它的关键部件可以采用大规模集成电路技术和微电子机械系统(MEMS)技术批量制造。本专利技术的第三个目的在于提供一种基于主动光学位相共轭的光开关，它可以实现波分解复用与大型光开光阵列在单块光集成芯片(PIC)上的集成，实现全光交换与路由，同时它可以采用大规模集成电路技术和光集成技术技术批量制造。为达到上述目的，本专利技术提出了一种主动光学位相共轭方法，当进行共轭发射时它包括如下步骤A、把相干照明光波输入具有模式分解和合成作用的光波导结构，在彼此隔离的光波导中产生只存在基模的光场；B、把假想目标分解为三维空间光点的线性集合，按照同一线性集合关系把每个三维空间光点经过A步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构后在彼此隔离的光波导中产生的基模光场进行叠加，在每根光波导中获得一个总光场；C、对A步骤中获得的彼此隔离的光波导中的基模光场进行位相和振幅调整，使得它们正比于B步骤中获得的同一光波导中的总光场的光学位相共轭；D、对C步骤中获得的彼此独立的光波导中的光场一一进行反射，使得它们逆向通过A和B步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构。当进行共轭反射时它包括如下步骤E、仅让参考相干光经过具有模式分解和合成作用的光波导结构，然后通过一个半透半反镜和光学透镜，其中半透半反镜位于光学透镜的焦距内且与光学透镜的光轴成45度角，光波导结构的光轴与光学透镜的光轴平行，在像面测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场的强度；F、在垂直于光轴的光学透镜的物方焦面上引入一个相干点光源，利用半透半反镜，在光学透镜的像方产生与光轴平行的均匀平面光，在像面测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场与均匀平面光发生干涉后的光场的强度以及均匀平面光自身的强度；G、利用步骤E和F测量结果计算出参考相干光经过具有模式分解和合成作用的光波导结构后，在彼此隔离的光波导中产生的光波的位相，并移走相干点光源，半透半反镜和光学透镜；H、仅让参考相干光经过具有模式分解和合成作用的光波导结构，直接测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场的强度；I、保留参考相干光，同时让三维物体发出的相干光波经过E步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构，再次测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场的强度；J、遮断参考相干光，仅保留三维物体发出的相干光波，又一次测量记录从彼此隔离的光波导中输出的光场的强度；K、根据光学相干原理，利用步骤H、I、J三次测量结果和步骤E、F、G测得的参考相干光的位相，计算出三维物体经过具有模式分解和合成作用的光波导结构后，在彼此隔离的光波导中产生的光波的振幅和位相，然后对光波的位相进行调整，使得它们等于其自身的光学位相共轭，并使其反向通过同一具有模式分解和合成作用的光波导结构。本专利技术同时提出了一种基于主动光学位相共轭的成像装置，它由模式分离/合成转换器MSC和光学位相共轭调节器PAC组成，其中模式分离/合成转换器MSC由光波导阵列W1-7构成，光波导W1-7在横截面尺寸小的一端为单模光波导，且靠拢放置，使得它们之间的光场互相耦合，光波导W1-7的另外一端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，控制光波导W1-7的横截面尺寸和长度，使得光波导W1-7中只产生基模，光学位相共轭调节器PAC由彼此独立的光学位相共轭调节单元PA1-7组成，每个光波导W1-7在互相隔离的一端耦合连接一个独立的光学位相共轭调节单元PA1-7，光学位相共轭调节单元PA1-7用于调节每根光波导W1-7中的光波的位相和振幅实现光学位相共轭。所述的一种基于主动光学位相共轭的成像装置，其特征在于模式分离/合成转换器MSC由初级模式分离/合成转换器MSC1和次级模式分离/合成转换器MSC2组成，其中初级模式分离/合成转换器MSC1由多模光波导WF1-5组成，光波导WF1-5的一端靠拢放置，使得它们之间的光场互相耦合，光波导WF1-5的另外一端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，每根光波导WF1-5在互相隔离的一端耦合连接一个次级模式分离/合成转换器MSC2，次级模式分离/合成转换器MSC2由光波导WS1-3组成，光波导WS1-3在横截面尺寸小的一端为单模光波导，且靠拢放置，使得它们之间的光场互相耦合，光波导WS1-3的另外一端分开放置，使得它们之间的光场互相隔离，控制光波导WS1-3的横截面尺寸和长度，使得光波导WS1-3在互相隔离的一端只产生基模，光波导WS1-3的数目等于每根光波导WF1-5中导模的数目，光波导WF1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种主动光学位相共轭方法，当进行共轭发射时它包括如下步骤：Ａ、把相干照明光波输入具有模式分解和合成作用的光波导结构，在彼此隔离的光波导中产生只存在基模的光场；Ｂ、把假想目标分解为三维空间光点的线性集合，按照同一线性集合关系把 每个三维空间光点经过Ａ步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构后在彼此隔离的光波导中产生的基模光场进行叠加，在每根光波导中获得一个总光场；Ｃ、对Ａ步骤中获得的彼此隔离的光波导中的基模光场进行位相和振幅调整，使得它们正比于Ｂ步骤中 获得的同一光波导中的总光场的光学位相共轭；对Ｃ步骤中获得的彼此独立的光波导中的光场－－进行反射，使得它们逆向通过Ａ和Ｂ步骤中同一具有模式分解和合成作用的光波导结构。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李志扬，
申请(专利权)人：李志扬，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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