一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置的制作方法

1.本发明涉及光学领域，具体涉及一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置。


背景技术：

2.矢量光场是指同一时刻同一波阵面上不同位置具有不同偏振态的光场。庞加莱球是一种表征偏振态的模型，球面上每个点代表一种不同的偏振态。在庞加莱球面上画一个圆形路径，如果一类光场波面上的偏振态沿旋向变化，且该变化与庞加莱球上沿圆形路径的偏振态变化完全一致，我们就称其为偏振沿庞加莱球上圆形路径变化的矢量光场，这类矢量光场包括常见的径向偏振矢量光场、旋向偏振矢量光场、杂化偏振矢量光场和均匀椭偏率矢量光场等。偏振沿庞加莱球上圆形路径变化的矢量光场已广泛应用于量子信息、粒子加速、单分子成像、光学微加工以及光镊和光学微操纵等众多领域。
3.如何灵活、高效的生成各类矢量光场一直是本领域研究的热点。目前，矢量光场的生成方法可以分为以下两类：主动生成法和被动生成法。主动生成法是指经过激光器谐振腔直接产生矢量光场的方法，此类方法生成效率虽然高，但是缺乏灵活性，只能生成少数特定矢量光场。被动生成法又分以下两类：直接法和间接法。其中，被动生成法中的直接法是指通过设计好的q板或超表面材料直接将标量光场转化成为特定矢量光场的方法。在灵活性方面直接法比主动生成法有所提高，但是依旧不够灵活，并且降低了生成效率。被动生成法中的间接法是指通过两束偏振态正交的光场相干叠加产生矢量光场的方法，又被称作干涉法。间接法中的两束相干光可以通过空间光调制器控制，具有极高的灵活性。
4.目前基于4f系统的间接法又可以分为使用一个空间光调制器和多个空间光调制器的情况。对于使用多个空间光调制器的实验方案，由于空间光调制器的衍射，导致其具有生成矢量光场效率较低的缺点。对于使用单个空间光调制器的实验方案，如果在空间光调制器上加载一维光栅调制，其缺点在于产生矢量光场的种类大大减少，仅能生成特定的局域线偏振的矢量光场、杂化偏振矢量光场或均匀椭偏率矢量光场；如果加载二维光栅调制，缺点则是极大地降低了矢量光场的生成效率。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提出了一种产生偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场的装置，仅使用一个加载了一维光栅的空间光调制器，同时兼顾产生矢量光场的种类和生成效率，相对于使用单一空间光调制器和加载一维光栅的情况，可以生成种类更加丰富的矢量光场，相对于使用多个空间光调制器和加载二维光栅的情况，具有更高的实验生成效率。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置，包括空间光调制
器、第一透镜、强度控制器、空间滤波器、偏振控制器、第二透镜和朗奇光栅组成，所述空间光调制器位于所述第一透镜的前焦面，所述空间滤波器与所述空间光调制器对应设置，其位于所述第一透镜与所述第二透镜之间，同时其也位于所述第一透镜的一倍焦距处，所述朗奇光栅位于所述第二透镜的后焦面位置，一对所述强度控制器位于所述第一透镜与所述空间滤波器之间，一对所述偏振控制器放置在所述空间滤波器与所述第二透镜之间；
8.线偏振光依次通过所述空间光调制器、第一透镜、强度控制器、空间滤波器、偏振控制器、第二透镜和朗奇光栅，形成偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场；
9.形成所述的偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场表达式为：
[0010][0011]
其中：
[0012][0013][0014][0015]
其中：φ为光场波面的旋向坐标；
[0016]
m为两级正交基矢携带涡旋相位的拓扑荷；
[0017]
r确定正交基偏振态的椭偏度；
[0018]
θ确定正交基矢偏振态的长轴方向；
[0019]
α决定了正交基之间的相对强度比；
[0020]
控制正交基之间的相位差。
[0021]
如上所述的一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置，所述空间光调制器包括全息光栅，通过改变光调制器上的全息光栅可以实现对光场偏振沿庞加莱球上圆形路径变化的周期和圆形路径起点的控制。
[0022]
所述全息光栅的透过率为：
[0023][0024]
其中：y为衍射光在空间坐标中的纵坐标；
[0025]
f0为全息光栅的空间载频；
[0026]
φ为旋向坐标；
[0027]
为衍射光的初始相位；
[0028]
m为衍射光的拓扑荷数。
[0029]
如上所述的一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置，所述全息光栅为一维光栅，能够为不同级次的衍射光提供特定的相位分布，使用在空间光调制器上加载的一维光栅调制，兼顾了产生矢量光场的种类和生成效率。
[0030]
如上所述的一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置，所述强度控制器包括半波片和偏振分束器，所述半波片位于所述偏振分束器前，一对所述强度控制器平行布置在所述空间滤波器前，所述强度控制器能够对滤波前的衍射光进行强度控制，两级形成具有任意可控光强度比的标量光。
[0031]
如上所述的一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置，所述偏振控制器包括一个四分之一波片和一个半波片，所述四分之一波片位于所述半波片前，一对所述偏振控制器布置在所述空间滤波器后，其能够对滤波后的衍射光进行偏振转换，两级形成具有任意可控的偏振态的标量光。
[0032]
如上所述的一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置，所述朗奇光栅与所述空间滤波器对应设置，所述朗奇光栅能够叠加两级衍射光，形成偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场。
[0033]
如上所述的一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置，所述第一凸透镜与所述第二凸透镜共焦。
[0034]
本发明的有益效果在于：
[0035]
1、本发明公开的一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置，与现有公开的技术相比，通过强度控制器和偏振控制器调控两级光场的强度和偏振态，可以在使用少量光学器件的情况下方便地将两级光场合为偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场。
[0036]
2、本发明公开的一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置，相比于现有技术，用单一空间光调制器和一维光栅，生成矢量光场的效率较高，提高了能量利用率。
[0037]
3、本发明公开的一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置，通过本发明中的空间光调制器、强度控制器和偏振控制器，可以精确调整不同矢量光场中的参数，实现与模拟的庞加莱球模型上任意圆形路径生成的矢量光场对应，满足实验所需。
附图说明
[0038]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，本技术的方案和优点对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
[0039]
在附图中：
[0040]
图1为本发明一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置示意图；
[0041]
图2为所述沿庞加莱球上的任意圆形路径；
[0042]
图3为理论模拟和通过本发明实验测量了5种均匀椭偏率的矢量光场；
[0043]
图4为理论模拟和通过本发明实验测量了5种非均匀椭偏率的矢量光场；
[0044]
图中各附图标记所代表的组件为：
[0045]
1、空间光调制器，2、第一透镜，3、强度控制器，301、第一半波片，302、第二半波片，401、第一偏振分束器，402、第二偏振分束器，5、空间滤波器，6、偏振控制器，601、第一四分之一波片，602、第二四分之一波片，701、第三半波片，702、第四半波片，8、第二透镜、9、朗奇光栅。
具体实施方式
[0046]
下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。需要说明，提供这些实
施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的实施方式所限制。
[0047]
本发明中提及的方位“前后”、“左右”等，仅用来表达相对的位置关系，而不受实际应用中任何具体方向参照的约束。
[0048]
实施例
[0049]
参见图1，一种沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置，包括空间光调制器1、第一透镜2、强度控制器3、空间滤波器5、偏振控制器6、第二透镜8和朗奇光栅9组成，所述空间光调制器1位于所述第一透镜2的前焦面，所述空间滤波器5与所述空间光调制器1对应设置，其位于所述第一透镜2与所述第二透镜8之间，同时其也位于所述第一透镜2的一倍焦距处，所述朗奇光栅9位于所述第二透镜8的后焦面位置，一对所述强度控制器3位于所述第一透镜2与所述空间滤波器5之间，一对所述偏振控制器6放置在所述空间滤波器5与所述第二透镜8之间；
[0050]
线偏振光依次通过所述空间光调制器1、第一透镜2、强度控制器3、空间滤波器5、偏振控制器6、第二透镜8和朗奇光栅9，形成偏振沿庞加莱球上任意圆形路径的矢量光场；
[0051]
形成所述的偏振沿庞加莱球上任意圆形路径的矢量光场表达式为：
[0052][0053]
其中：
[0054][0055][0056][0057]
其中：φ为光场波面的旋向坐标；
[0058]
m为两级正交基矢携带涡旋相位的拓扑荷；
[0059]
r确定正交基偏振态的椭偏度；
[0060]
θ确定正交基矢偏振态的长轴方向；
[0061]
α决定了正交基之间的相对强度比；
[0062]
α控制正交基之间的相位差。
[0063]
在本实施例中，所述空间光调制器1包括全息光栅，通过改变空间光调制器1上的全息光栅可以实现对光场偏振沿庞加莱球上圆形路径变化的周期和圆形路径起点的控制。
[0064]
所述全息光栅的透过率为：
[0065][0066]
其中：y为衍射光在空间坐标中的纵坐标；
[0067]
f0为全息光栅的空间载频；
[0068]
φ为旋向坐标；
[0069]
为衍射光的初始相位；
[0070]
m为衍射光的拓扑荷数。
[0071]
在本实施例中，所述全息光栅为一维光栅，能够为不同级次的衍射光提供特定的
相位分布，其中
±
1级的衍射光分别携带相反的涡旋相位，使用在空间光调制器1上加载一维光栅调制，相比于现有技术，可以兼顾产生矢量光场的种类和生成效率。
[0072]
在本实施例中，所述强度控制器3包括半波片和偏振分束器，第一半波片301和第一偏振分束器401、第二半波片302和第二偏振分束器402组成一对强度控制器，分别设置在空间滤波器5前，用于对滤波前的衍射光进行强度控制，入射的x方向线偏振衍射光在通过第一半波片301或第二半波片302后的偏振长轴取向可以通过调节第一半波片301或第二半波片302的快轴方向控制，由于第一偏振分束器401或第二偏振分束器402永远只能透过x方向线偏振光，所以通过控制入射光的偏振长轴取向可以达到控制出射光强度的目的。
[0073]
在本实施例中，所述偏振控制器6包括一个四分之一波片和一个半波片，所述四分之一波片位于所述半波片前，所述第一四分之一波片601和所述第三半波片701、所述第二四分之一波片602和所述第四半波片702组成一对偏振调制器6，分别设置在空间滤波器5后，其能够对滤波后的衍射光进行偏振转换，两级形成任意可控的偏振态的标量光，由于一个四分之一波片和一个半波片的组合可以将某一偏振态转换成任意一种偏振态，所以通过控制这两个波片的快轴方向可以调控出射光为任意偏振的标量光场。
[0074]
在本实施例中，所述朗奇光栅9与所述空间滤波器5对应设置，所述朗奇光栅9能够叠加两级衍射光，形成偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场。
[0075]
在本实施例中，空间滤波器5，与空间光调制器1对应设置，设置于一倍焦距处，用于对衍射光进行滤波，滤掉其中的高频成份。
[0076]
在本实施例中，所述第一凸透镜2设置于所述空间光调制器1与所述空间滤波器5之间，衍射光透过所述第一凸透镜2聚焦在所述空间滤波器5上，所述第二凸透镜8，设置于所述空间滤波器5与所述朗奇光栅9之间，两级衍射光透过所述第二凸透镜8聚焦在所述朗奇光栅9上，所述朗奇光栅9能够叠加两级衍射光，形成偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场。
[0077]
进一步的，第一凸透镜2与第二凸透镜8共焦。
[0078]
参见图2，所述矢量光场表达式中的：
[0079]
m控制圆形路径的变化周期；
[0080]
r和θ控制圆形路径的位置；
[0081]
α控制圆形路径的半径；
[0082]
控制圆形路径上的变化起点。
[0083]
在本实施例中，通过改变空间光调制器1上的全息光栅可以实现对光场偏振沿庞加莱球上圆形路径变化的周期m和圆形路径起点的控制。通过改变强度控制器中第一半波片301或第二半波片302的快轴方向可以实现对光场偏振沿庞加莱球上圆形路径变化的圆形路径半径cosα的控制。
[0084]
通过改变偏振控制器中第一四分之一波片601或第二四分之一波片602和第三半波片701或第四半波片702的快轴方向可以实现对庞加莱球上圆形路径的位置r、θ的控制。
[0085]
参见图3和图4，给出了每个光场的总强度、斯托克斯参量的三个分量s1、s2和s3的分布。斯托克斯参量s1的最大值1和最小值-1分别对应水平和竖直方向的线偏振态，斯托克斯参量s2的最大值1和最小值-1分别对应
±
45
°
方向的线偏振态，斯托克斯参量s3的最大值1和最小值-1别对应右旋和左旋圆偏振态。每个光场可以用(m,θ,r,α,)这5种参数来表示。
下列光场的拓扑荷m都为2，表示偏振态沿圆形路径变化两圈的光场；θ都为π/3，所以实验中两级带有π/6的相位差。因此设置空间光调制器上一维光栅的参数m为2。
[0086]
参见图3，5种偏振态沿庞加莱球上特殊圆形路径(赤道和纬线圈)变化的矢量光场的理论模拟与实验生成结果，都是偏振态具有均匀椭偏率的矢量光场，即光场波面上各个位置的偏振态椭偏率不变，长轴取向沿旋向变化。
[0087]
所述矢量光场1的生成条件要求：所述矢量光场由两级分别为左右旋圆偏振态的光场叠加所得，要求左旋圆偏振光的光强大于右旋圆偏振光，所述第一半波片301快轴正方向与x轴正方向夹角为0，所述第二半波片302快轴正方向与x轴正方向夹角为1.465，所述第一四分之一波片601快轴正方向与x轴正方向夹角为π/4，所述第二四分之一波片602快轴正方向与x轴正方向夹角为3π/4。
[0088]
参见图3，所述矢量光场1的波面上每一个位置的偏振态都为椭偏率一致的左旋椭圆偏振态，即整个光场的斯托克斯参量s3为负数，偏振态的长轴取向随旋向坐标的增加沿逆时针旋转。
[0089]
矢量光场2的生成条件要求在生成所述矢量光场1的条件下(在此不一一赘述)，再在所述一维光栅上写入π/4的初始相位。
[0090]
所述矢量光场2的波面上每一个位置的偏振态都为椭偏率一致的左旋椭圆偏振态，即光场的斯托克斯参量s3为负数，偏振态的长轴取向随旋向坐标的增加沿逆时针旋转。
[0091]
矢量光场3的生成条件为：所述矢量光场由两级分别为左右旋圆偏振态的光场叠加所得，并在所述一维光栅上写入π/4的初始相位，所述第一半波片301快轴正方向与x轴正方向夹角为0，所述第二半波片302快轴正方向与x轴正方向夹角为0，所述第一四分之一波片601快轴正方向与x轴正方向夹角为π/4，所述第二四分之一波片602快轴正方向与x轴正方向夹角为3π/4。
[0092]
参见图3，所述矢量光场3是局域线偏振矢量场，波面上每一个位置的偏振态都为线偏振态，即光场的斯托克斯参量s3为0。偏振态的长轴取向随旋向坐标的增加沿逆时针旋转。
[0093]
矢量光场4的生成条件要求：所述矢量光场由两级分别为右左旋圆偏振态的光场叠加所得，所述第一半波片301快轴正方向与x轴正方向夹角为0，所述第二半波片302快轴正方向与x轴正方向夹角为0，所述第一四分之一波片601快轴正方向与x轴正方向夹角为3π/4，所述第二四分之一波片602快轴正方向与x轴正方向夹角为π/4。
[0094]
参见图3，所述矢量光场4是局域线偏振矢量场，波面上每一个位置的偏振态都为线偏振态，即光场的斯托克斯参量s3为0。偏振态的长轴取向随旋向坐标的增加沿顺时针旋转。
[0095]
矢量光场5的生成条件要求：在生成光场4的条件下，(在此不一一赘述)，再在所述一维光栅上写入π/4的初始相位。
[0096]
参见图3，所述矢量光场5是局域线偏振矢量场，波面上每一个位置的偏振态都为线偏振态，即光场的斯托克斯参量s3为0。偏振态的长轴取向随旋向坐标的增加沿顺时针旋转。
[0097]
参见图4，5种偏振态沿庞加莱球上圆形路径(一些非特殊的圆形路径)变化的矢量光场的理论模拟与实验生成结果，都是偏振态具有非均匀椭偏率的矢量光场。
[0098]
图4中矢量光场1的生成条件要求：所述矢量光场由两级分别为相互正交的右左旋圆偏振态的光场叠加所得，并要求右旋圆偏振光的光强大于左旋圆偏振光，所述第一半波片301快轴正方向与x轴正方向夹角为1.465，所述第二半波片302快轴正方向与x轴正方向夹角为0，所述第一四分之一波片601快轴正方向与x轴正方向夹角为-1.183，所述第二四分之一波片602快轴正方向与x轴正方向夹角为-1.183，所述第三半波片701快轴正方向与x轴正方向夹角为-0.733，所述第四半波片702快轴正方向与x轴正方向夹角为-0.45。
[0099]
参见图4，所述矢量光场1波面上每一个位置的偏振态都为右旋椭圆偏振态，即整个光场的斯托克斯参量s3为正数，并且托克斯参量s1和s2也都为正数。矢量光场偏振态的椭偏率和长轴取向都沿旋向变化，其中长轴取向随旋向坐标的增加沿顺时针旋转。
[0100]
矢量光场2的生成条件：在生成所述矢量光场1的条件下(在此就不一一赘述)，再在所述一维光栅上写入π/4的初始相位。
[0101]
参见图4，所述矢量光场2波面上每一个位置的偏振态都为右旋椭圆偏振态，即光场的斯托克斯参量s3为正数，并且托克斯参量s1和s2也都为正数。矢量光场偏振态的椭偏率和长轴取向都沿旋向变化，其中长轴取向随旋向坐标的增加沿顺时针旋转。
[0102]
矢量光场3的生成条件：所述矢量光场由两级分别为相互正交的线偏振光场叠加所得，在所述一维光栅上写入π/4的初始相位，要求所述第一半波片301快轴正方向与x轴正方向夹角为0，所述第二半波片302快轴正方向与x轴正方向夹角为0，所述第一四分之一波片601快轴正方向与x轴正方向夹角为-1.047，所述第二四分之一波片602快轴正方向与x轴正方向夹角为-1.047，所述第三半波片701快轴正方向与x轴正方向夹角为-0.524，所述第四半波片702快轴正方向与x轴正方向夹角为-0.524。
[0103]
参见图4，矢量光场3是杂化偏振矢量场，波面上同时拥有左右旋圆偏振态、椭圆偏振态和线偏振态，矢量光场偏振态的椭偏率和长轴取向都沿旋向变化，其中长轴取向随旋向坐标的增加沿逆时针旋转。
[0104]
矢量光场4的生成条件：所述矢量光场由两级分别为相互正交的右左旋圆偏振态的光场叠加所得，所述第一半波片301快轴正方向与x轴正方向夹角为0，所述第二半波片302快轴正方向与x轴正方向夹角为0，所述第一四分之一波片601快轴正方向与x轴正方向夹角为-1.183，所述第二四分之一波片602快轴正方向与x轴正方向夹角为-1.183，所述第三半波片701快轴正方向与x轴正方向夹角为-0.733，所述第四半波片702快轴正方向与x轴正方向夹角为-0.45。
[0105]
参见图4，所述矢量光场4波面上同时拥有左右旋椭圆偏振态和线偏振态，矢量光场偏振态的椭偏率和长轴取向都沿旋向变化，其中长轴取向随旋向坐标的增加沿顺时针旋转。
[0106]
矢量光场5的生成条件要求：在生成光场4的条件下(在此不一一赘述)，在所述一维光栅上写入π/6的初始相位。
[0107]
参见图4，所述矢量光场5波面上同时拥有左右旋椭圆偏振态和线偏振态，矢量光场偏振态的椭偏率和长轴取向都沿旋向变化，其中长轴取向随旋向坐标的增加沿顺时针旋转。
[0108]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或增减替
换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。