盛锐数码视野长娇：硬核：激光结构光的原理、设计和类型详解
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撰稿|君与同行
01
结构光的历史背景
激光的历史可以追溯到半个多世纪以前 ， 它不仅对许多研究学科而且对我们的日常生活都产生了深远的影响 。
梅曼的第一个光腔具有制造激光器所需的三个核心部分：一种增益介质 ， 一种激发它的手段 ， 以及一个光学谐振器 ， 谐振模式的空间分布由平面-平面法布里-珀罗（FP）腔内的衍射''塑造'' 。
起初 ， 人们认为只有平面波会在这样的空腔中共振 ， 几乎没有余地对输出光的空间分布进行“裁剪” 。
在这项开创性的工作之后 ， 研究人员开始思考如何控制输出场的结构形态 ， 并成功展示了通过幅度滤波进行空间模式的控制 ， 随后使用相位滤波也实现了类似的效果 ， 最近又结合了更多的自由度 ， 如光的自旋和轨道角动量 ， 并逐步朝着直接在光源处进行完全模式控制的最终目标迈进 。
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02
什么是结构光？
结构光来源于在空间和时间上“定制”光场的能力 ， 前者是指对光场的振幅（强度）、相位（波前）和偏振的控制 ， 而后者是指对光场的时间和频谱的控制 。
结构光已经逐渐发展成为光学领域中一种重要的工具 ， 在成像、显微镜检测、激光材料加工以及光通信等众多领域中展现出巨大的应用前景 。
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图一.各种形式的结构光的示例
03
如何在激光器外部和内部产生结构光？
3.1设计方法
3.1.1外部构建结构光
绝大多数结构光是在光源外部构建的标量场 。 有多种方法可以实现此目的 ， 如图2所示 ， 根据允许的步骤数、要控制的自由度以及可接受的损耗量进行选择 。
第一种外部构建结构光的方法如图2a所示 ，
单步式有损耗复振幅调制方法 ， 可以对近场相位和振幅进行控制 。 使用透镜组将输出平面中继到所需的位置 ， 同时透镜组还充当空间滤波器以去除不需要的光 。 此时输出远场的相位和振幅都已构造成所需的轮廓 。
第二种外部构建结构光的方法如图2b所示 ，
单步式无损耗纯相位调制方法 ， 可对输出远场振幅或近场相位进行整形 ， 此时输出远场的相位未受控制 。
第三种外部构建结构光的方法如图2c所示 ，
两步式无损耗纯相位调制方法 ， 可对输出远场中的相位和振幅进行整形 。 第一个元件构造所需的振幅 ， 第二个元件校正相位 。
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图二.激光器外部构建结构光的方法
3.1.2内部构建结构光
在谐振腔内部产生结构光的方法之间区别很大 ， 这里我们以简单的FP谐振腔为例进行介绍 。 基本的想法就是找到谐振腔的基本共振模式 ， 即在每次往返之后以最低损耗重复的模式 。
第一种内部构建结构光的方法如图3a所示 ，
单步式有损耗振幅调制方法 ， 通过在谐振腔内部放置一个振幅掩膜版 ， 可以在空间上控制增益或损耗 ， 以选择所需的模式 。
第二种内部构建结构光的方法如图3b所示 ，
分级相位镜调制方法,可以设计一个分级相位反射镜 ， 通过相位控制产生一个谐振腔的共振模式 ， 通常也要结合一些振幅控制 。
第三种内部构建结构光的方法如图3c所示 ，
两步式无损耗纯相位调制方法,类似于第三种外部构建结构光的方法 ， 将外部两步整形方法插入激光腔内部 ， 以实现内部结构光的构建 。
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