一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置

1.本发明涉及信息光学技术领域，特别是涉及一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置。


背景技术：

2.结构光场具有振幅、相位、偏振及相干结构等多调控自由度，在多种应用中具有独特的优势。其中，具有阵列分布的结构光束作为一种典型的结构光，在多种实际应用中具有独特的优势和利用价值，如多纳米粒子捕获，生物活体的非破坏多重操纵，多维光学信息加密等。此外，它还可以被应用于大容量、大功率的自由空间光通信沟通。近年来，多种类型的标量或矢量阵列波束已经从理论上提出并在实验中生成，如激光照射周期振幅掩模板到空间光调制器及超表面阵列生成等。然而，传统的阵列波束仅限于完全相干的情况，因此，有几个负面作用是不能忽视的，比如固有的相干效应引起的散斑噪声，湍流引起的光束漂移，光束闪烁等，极大的限制了其在多种领域中的应用。
3.光学相干和偏振作为光场中的两个重要自由度，在控制光束及其传输特性，实现光束整形，降低复杂环境中湍流等介质引起的负面作用具有重要作用，因此在微粒操控，自由空间光通信，图像分辨增强，光成像等领域有着更加广泛的应用。另一方面，偏振信息作为一个强有力的自由度，在多维信息加密，存储及大容量通信中也有着重要的应用前景。因此利用相干结构及偏振调控产生阵列光束具有重要的实际意义。现有技术只能产生单一的径向或者角向偏振阵列光束，并且还要借助复杂的光学元器件（如径向偏振转化器），直接将生成的标量阵列光束转换为径向偏振阵列光束，并且该实验也只能产生单一的偏振阵列，另外，如果要产生其他偏振特性的阵列光束，还要相应的更改光学元件器，增加了系统的复杂性和成本，大大限制了其在实际应用中的灵活性。因此，现阶段，如何在不更改实验装置的情况下，同时产生更加复杂且偏振态可控的阵列光束是有待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置，以解决现有技术中现阶段远场阵列偏振信息只能单一产生，并且不能够灵活方便定制远场阵列光束偏振态的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法，包括：将完全相干光束照射预设阵列掩膜板生成多个光斑，将预设阵列掩膜信息编码到部分相干光束的相干结构中，根据光斑宽度及任意两个光斑之间的距离生成部分相干光束的相干矩阵；根据部分相干光束的相干矩阵叠加全庞加莱球偏振矩阵，调控第一拓扑荷和第二拓扑荷的大小及全庞加莱球的纬度角和经度角得到任意全庞加莱球偏振态，得到合成的矢量全庞加莱球部分相干光束；
将合成的矢量全庞加莱球部分相干光束传输到远场，在远场进行偏振矩阵测量，得到任意全庞加莱球偏振态的部分相干阵列光束。
6.优选地，所述根据光斑宽度及任意两个光斑之间的距离生成部分相干光束的相干矩阵包括：完全相干光束通过预设阵列掩膜板生成多个光斑，确定各个光斑的光斑宽度；确定完全相干光束的相干度矩阵元：式中，，为光源处的任意两个位置，分别为r位置处的和方向，为波长，为傅里叶变换透镜的焦距，表示空间位置矢量，i为虚数，为对应的权重矩阵元；确定具有阵列分布形式权重矩阵元为:式中，为n个移位高斯函数的叠加，为第n个高斯光束的移位坐标，d为任意两个光斑之间的距离，为电场和之间的关联系数，为单个光斑的光斑宽度；确定部分相干光束的相干矩阵元为：式中，为固定常数，为相干度函数，，d是任意两个光斑之间的距离。
7.优选地，所述根据部分相干光束的相干矩阵叠加全庞加莱球偏振矩阵包括：确定部分相干光束的交叉谱密度矩阵元：式中，为固定常数，，为光源处的任意两个位置，分别为r位置处的和
方向，为电场，，为波长，为虚数，为傅里叶变换透镜的焦距，为第n个高斯光束的移位坐标，为构造矢量光束的相干长度；利用广义柯林斯积分公式确定输出面处的交叉谱密度矩阵元：式中，，为波长，为虚数，，表示输出面的任意两位置矢量，a、b、c、d为光学系统传输矩阵元，在透镜聚焦系统下、、、；根据部分相干光束的相干矩阵利用傅里叶变换和卷积理论及偏振矩阵和交叉谱密度矩阵之间的关系得出输出面处的偏振矩阵元：式中，，上标表示傅里叶变换，表示卷积运算，为部分相干光束的相干矩阵。
8.优选地，所述调控第一拓扑荷和第二拓扑荷的大小及全庞加莱球的纬度角和经度角得到任意全庞加莱球偏振态包括：确定全庞加莱球上的北极电场和南极电场：：：式中，为拉盖尔高斯光束，是极坐标，是涡旋相位的拓扑荷数，为第一拓扑荷，为第二拓扑荷，表示虚数单位，，，且和
为x和y方向上的单位矢量，为拉盖尔多项式的径向阶数，为拉盖尔光束光斑宽度；确定全庞加莱球上任一点的电场：式中，，分别为庞加莱球的纬度角和经度角；通过调整第一拓扑荷和第二拓扑荷的大小及全庞加莱球上的纬度角和经度角得到不同全庞加莱球的振幅函数，即得到不同全庞加莱球偏振态：得到不同全庞加莱球的振幅函数，即得到不同全庞加莱球偏振态：得到不同全庞加莱球的振幅函数，即得到不同全庞加莱球偏振态：式中，和为全庞加莱球上任一点在x和y方向上的振幅函数，和为全庞加莱球上任一点在x和y方向上的电场。
9.优选地，所述将合成的矢量全庞加莱球部分相干光束传输到远场，在远场进行偏振矩阵测量，得到任意全庞加莱球偏振态的部分相干阵列光束包括：根据全庞加莱球偏振矩阵确定远场处的光强分布和偏振态分布：：式中，和分别表示为矩阵行列式及矩阵迹运算，为全庞加莱球偏振矩阵，（x，y）为输出面上的x、y方向；或者借助全庞加莱球偏振矩阵采用四个斯托克斯参量确定部分相干阵列光束的光强分布和偏振态分布：：：
式中，为单位矩阵，为三个泡利矩阵。
10.本发明还提供一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置，包括：阵列光束生成组件：用于生成具有阵列掩膜信息的部分相干光束；矢量部分相干光束合成组件：用于生成全庞加莱球偏振光束，调控第一拓扑荷和第二拓扑荷的大小及全庞加莱球的纬度角和经度角得到任意全庞加莱球偏振态，得到合成的矢量部分相干光束；全庞加莱球偏振阵列光束产生组件：用于将合成的矢量光束传输至远场，在远场中进行偏振矩阵测量，以生成全庞加莱球偏振阵列光束。
11.优选地，所述阵列光束生成组件包括：依次配置的激光器、第一衰减片、扩束器、阵列掩膜板、毛玻璃、第一薄透镜、第二薄透镜；激光器：用于发射完全相干光束；第一衰减片：用于调控完全相干光束的强度；扩束器：用于对强度调控后的完全相干光束进行光束直径扩大，得到扩大后的完全相干光束；阵列掩膜板：用于将扩大后的完全相干光束生成多个光斑，得到部分相干光束；毛玻璃：用于降低部分相干光束的空间相干性；第一薄透镜：用于将阵列掩膜信息编码到经过毛玻璃的部分相干光束的相干结构中，生成带有阵列掩膜信息的部分相干光束；第二薄透镜：用于实现带有阵列掩膜信息的部分相干光束的聚焦。
12.优选地，所述矢量部分相干光束合成组件包括：依次配置的空间光调制器、第三薄透镜、遮光板、第二衰减片和第三衰减片、第四薄透镜、第一四分之一波片和第二四分之一波片、朗奇光栅、反射镜、第一半波片、第二半波片；空间光调制器：用于对聚焦后的带有阵列掩膜信息的部分相干光束进行光束等分分束，得到第一光束和第二光束，并对第一光束和第二光束通过外部输入端分别输入第一拓扑荷和第二拓扑荷，得到第一线偏振光和第二线偏振光；第三薄透镜：用于实现第一线偏振光和第二线偏振光的聚焦；遮光板：用于分别滤出聚焦后的第一线偏振光和第二线偏振光的正一级光，得到第一正一级光和第二正一级光；第二衰减片和第三衰减片：用于分别调控第一正一级光和第二正一级光的强度，以实现调控庞加莱球的纬度角；第四薄透镜：用于实现强度调控后的第一正一级光和第二正一级光的聚焦；第一四分之一波片和第二四分之一波片：分别用于将聚焦后的第一正一级光和第二正一级光调控为右旋偏振光和左旋偏振光；朗奇光栅：用于将右旋偏振光和左旋偏振光稳定合成为全庞加莱球偏振光；反射镜：用于实现全庞加莱球偏振光的反射；第一半波片和第二半波片：用于调控庞加莱球的经度角，并将反射镜反射出的全庞加莱球偏振光合成矢量部分相干光束。
13.优选地，所述全庞加莱球偏振阵列光束产生组件包括第五薄透镜和电荷耦合元
件；第五薄透镜：用于实现合成的矢量部分相干光束的聚焦；电荷耦合元件：即远场，用于对聚焦后的矢量部分相干光束进行偏振矩阵测量，得到全庞加莱球偏振阵列光束。
14.优选地，所述第二衰减片和第三衰减片通过调控第一正一级光和第二正一级光的强度比，以实现调控庞加莱球的纬度角；所述第一半波片和第二半波片通过调节两者之间的夹角，以实现调控庞加莱球的经度角。
15.本发明所提供的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置，通过预设阵列掩膜板，将完全相干光束通过预设阵列掩膜板生成多个光斑，根据光斑宽度及任意两光斑之间的距离将阵列掩膜信息编码到相干矩阵中；将带有阵列掩膜信息的相干矩阵加载到光束定制的全庞加莱球偏振矩阵，实现相干结构和偏振信息的联合调控，将光束传输到远场，最终得到与光源偏振信息相同的部分相干阵列光束。通过灵活调控阵列掩膜板分布形式和庞加莱球偏振态，在远场就能灵活产生全庞加莱球偏振态的部分相干阵列光束。本发明解决了现阶段远场阵列偏振信息只能单一产生，不能灵活定制远场阵列光束偏振态的问题。
附图说明
16.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明所提供的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法的第一种具体实施例的流程图；图2为本发明所提供的全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置的一种具体实施例的结构图；图中标记说明：1、532nm激光nd:yag；2、第一衰减片；3、扩束器；4、阵列掩膜板am；5、旋转的毛玻璃rggd；6、第一薄透镜l1；7、第二薄透镜l2；8、空间光调制器slm；9、第三薄透镜l3；10、遮光板；11、第二衰减片和第三衰减片；12、第四薄透镜l4；13、第一四分之一波片和第二四分之一波片；14、朗奇光栅；15、反射镜；16、第一半波片；17、第二半波片；18、第五薄透镜l5；19、电荷耦合元件ccd；20、电脑pc1；21、电脑pc2。
具体实施方式
18.本发明的核心是提供一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置。本发明通过将完全相干光束通过预设阵列掩膜板生成多个光斑，将阵列掩膜信息编码到相干矩阵中，为了在远场得到阵列分布光束，设计具有阵列分布形式的权重矩阵，得到相干矩阵元；将带有阵列掩膜信息加载光束定制庞加莱球偏振态，实现相干结构和偏振信息的联合调控，将光束传输到远场，最终得到与光源偏振信息相同的阵列光束。通过灵活调控阵列掩膜板和庞加莱球偏振态，在远场就能灵活产生全庞加莱球偏振态的阵列光束。本发明解决了现阶段远场阵列偏振信息只能单一产生，不能灵活定制远场阵列偏振态的问题。
19.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.请参考图1，图1为本发明所提供的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法的第一种具体实施例的流程图，首先将预设的阵列掩膜板加载至光束的相干结构中，然后携带有阵列信息的相干结构加载光束初始定制的庞加莱球偏振态，实现相干结构及初始偏振信息的联合调控。将光束进行远场传输后，最终在远场产生具有与光源偏振信息相同的阵列光束；通过灵活调控阵列掩膜板及初始庞加莱球偏振态，在远场就能灵活产生全庞加莱球偏振态的阵列光束。具体操作步骤如下：s1. 生成阵列光束设置阵列掩膜板，光束通过阵列掩膜板可以得到多个光斑，通过完全相干光束照射阵列掩膜板，将阵列掩膜信息编码到部分相干光束的相干结构中，具体如下：首先，对于矢量部分相干光束，在空间频率域采用交叉谱密度矩阵进行表征：
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（1）式中，，为光源处的任意两个位置矢量，并且交叉谱密度矩阵元表示为：
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（2）式中，表示复共轭，表示系综平均运算，，表示在空间点处方向分量和点处方向分量的随机电场。
21.根据光源真实构建条件，矢量部分相干光束的交叉谱密度矩阵元可以表示为：
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（3）其中，为权重矩阵元，且满足，，；和是两个任意核函数，即构造光学系统的响应函数。本实施例中固定选择的光学系统为傅里叶变换透镜光学系统，则相应的系统函数为：
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（4）式中，表示虚数单位，为波长，为波数，为傅里叶变换透镜的焦距，是复值函数。
22.将公式（4）代入公式（3）中，得到交叉谱密度的另一种表达形式：
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（5）
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（6）式（6）为矢量部分相干光束的相干度矩阵元，且与相应的权重矩阵元构成完美的傅里叶变换关系。
23.因此，为了在远场得到阵列分布光束，设计权重矩阵具有下面的阵列分布形式：
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（7）式中，可以看作n个移位高斯函数的叠加，为第n个高斯光束的移位坐标，d是任意两个光斑之间的距离，为电场为和之间的关联系数，为单个光斑的光斑宽度。
24.因此得到光源相干矩阵元为：（8）式中，为固定常数，为相干度函数，。
25.s2: 合成矢量部分相干光束；将完全相干光束调控为全庞加莱球的右旋偏振光和左旋偏振光；将加载有相干矩阵的右旋偏振光和左旋偏振光稳定合成全庞加莱球偏振矩阵，得到合成的矢量部分相干光束。
26.主要过程为：完全相干矢量光束通过等分屏的空间光调制器进行加载两个阶数分别为和的涡旋相位，分别产生具有和的涡旋相位的线偏振光；从等分屏的空间光调制器（用于光束分束）出射的两个线偏振光中滤出各自的正一级涡旋线偏振光分别并调控为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别为全庞加莱球的南极点和北极点。其中，全庞加莱球的阶数由产生右旋圆偏振和左旋圆偏振光加载的涡旋相位的拓扑荷数和进行控制。
27.之后，如何定制远场全庞加莱球偏振态，矢量部分相干光束的偏振态依赖于振幅函数，因此矢量光束的偏振态可以通过调整振幅函数来灵活制定。利用振幅函数在远场制定具有任意全庞加莱球偏振态的阵列光束，具体如下：高阶偏振态可以由全庞加莱球上的点进行表征，并且全庞加莱球上的任一点的场
可以由北极点电场和南极点场叠加进行表征。其中，，，且和为x和y面上的单位矢量；（9）式中，为拉盖尔高斯光束，是极坐标，和是涡旋相位的拓扑荷数，p为拉盖尔多项式的径向阶数，为拉盖尔光束光斑宽度；因此，全庞加莱球上的任意一点的电场可以表示为：
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（10）式中， ， 为全庞加莱球的纬度角和经度角。并且通过调整拓扑荷数和的大小及不同的纬度角和经度角，就可以得到不同的全庞加莱偏振态。公式（10）相应表示为：
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（11）振幅函数为：
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（12）利用部分相干光束的物理实现条件，得到：利用部分相干光束的物理实现条件，得到：交叉谱密度矩阵元，表示为：（13）s4:远场中偏振矩阵测量，生成不同偏振态的阵列光束研究光束在自由空间中的传输，利用广义柯林斯积分公式，输出面出的交叉谱密度矩阵元表示为：
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（14）
式中，，表示输出面的任意两位置矢量，a、b、c、d为光学系统传输矩阵元，在透镜聚焦系统下，光学系统的传输矩阵元表示为：传输矩阵元，在透镜聚焦系统下，光学系统的传输矩阵元表示为：传输矩阵元，在透镜聚焦系统下，光学系统的传输矩阵元表示为：传输矩阵元，在透镜聚焦系统下，光学系统的传输矩阵元表示为：利用傅里叶变换和卷积理论及偏振矩阵的交叉谱密度矩阵之间的关系得出输出面处的偏振矩阵元：
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（15）式中，，上标表示傅里叶变换，表示卷积运算。
28.根据上式，就可以求得远场处的光强分布，偏振态和偏振度分布：
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（16）
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（17）其中，和分别表示为矩阵行列式及矩阵迹运算。
29.另外，借助偏振矩阵，偏振态也可以由四个斯托克斯参量，进行计算，这里为单位矩阵，为三个泡利矩阵。
30.则全庞加莱球偏振阵列光束的光强分布和偏振度分布也可以相应的表示为：
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（18）
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（19）利用上述公式推导的公式，通过改变第一拓扑荷和第二拓扑荷的大小及庞加莱球的纬度角和经度角，以实现灵活定制阵列光束的偏振态特性。
31.本发明还提供了一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置，请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置的结构框图，所有组件产生的光束平行；具体如下：在本实施例中，首先一束波长为532nm的激光从nd:yag激光器发射，通过衰减片到达扩束器be，然后到达阵列掩模板am；介质照射到旋转的毛玻璃rggd前表面，带有阵列掩膜信息的光束穿过rggd，经过一焦距为f=250mm的准直透镜l1进而将阵列掩模板信息编码到
部分相干光束中的相干结构里面。
32.通过一焦距为f的薄透镜l2构成2f成像系统将产生的带有阵列掩膜信息的部分相干光束的相干结构成像到空间光调制器slm，空间光调制器与电脑pc2连接，电脑pc2加载阶数为和的涡旋相位全息片，进而光束通过slm引入拓扑荷阶数为和的可控的涡旋相位，其中，l1到l2和l2到slm1的距离都是2f。
33.然后由遮光板分别滤出来自等分屏空间光调制器的正一级光，两个正一级光分别通过第二衰减片和第三衰减片，通过薄透镜l4，接着利用第一四分之一波片和第二四分之一波片将两个正一级光分别调控为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，最后利用郎奇光栅稳定合成为阶数可控的全庞加莱球偏振矩阵，其中空间光调制器到透镜l3、透镜l3到遮光板、遮光板到薄透镜l4及薄透镜l4到朗奇光栅的距离均等于f，调节第一衰减片和第二衰减片用以调控右旋圆偏振光和左旋圆偏振光之间的强度比，进而可以用来调控全庞加莱球的纬度角θ。从朗奇光栅出射的光经反射镜反射后到达第一半波片和第二半波片，调节第一半波片和第二半波片之间的夹角可以用来调控全庞加莱球的经度角φ。其中反射镜放置位置在实际实验操作过程中进行调节。
34.通过全庞加莱球上的纬度角θ和径向角φ可以用来控制全庞加莱球上点的位置，不同点的位置具有不同的偏振态。通过第二波片的光束到达薄透镜l5的前表面就得到了具有初始全庞加莱球的矢量光束。经薄透镜l5聚焦后的光束到达电荷耦合元件ccd，即光束传输到远场，ccd与电脑pc1相连接，用于记录ccd拍摄的偏振矩阵信息。
35.通过改变拓扑荷和的大小及全庞加莱球的纬度角和经度角，以实现灵活定制阵列光束的偏振态特性。例如，当拓扑荷阶数选择时，并且和时，就分别得到了具有径向偏振和角向偏振的阵列光束，相应的还可以得到右旋圆偏振，左旋圆偏振，右旋椭圆偏振及左旋椭圆偏振阵列光束等。当拓扑荷阶数和灵活选择不同大小时，可以得到更加复杂的偏振态的阵列光束，如基础全庞加莱球偏振态阵列光束，高阶庞加莱偏振态阵列光束，杂化阶庞加莱球偏振态的阵列光束，大大提高了阵列光束定制偏振态的灵活性。
36.其中，衰减片用于实现光束的强度调节，扩束器用于扩大光束直径，透镜用于光束聚焦，毛玻璃用于降低部分相干光束的空间相干性。
37.其中激光器、第一衰减片、扩束器、阵列掩膜板、毛玻璃、第一薄透镜、第二薄透镜、空间光调制器、第三薄透镜的光学中心位于同一水平线；遮光板生成的平行的第一正一级光和第二正一级光分别穿过第二衰减片和第三衰减片的光学中心，再分别穿过第四薄透镜的两个焦点及第一四分之一波片和第二四分之一波片的光学中心，最后汇聚在朗奇光栅的中心位置得到全庞加莱球偏振光；全庞加莱球偏振光经过反射镜生成的反射光依次穿过第一半波片、第二半波片的光学中心，第一半波片、第二半波片、第五薄透镜和电荷耦合元件
的光学中心位于同一水平线。
38.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
39.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
40.结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（ram）、内存、只读存储器（rom）、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
41.以上对本发明所提供的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法以及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。