一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置

技术特征：
1.一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法，其特征在于，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，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。3.根据权利要求1所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法，其特征在于，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，为第个高斯光束的移位坐标，为构造矢量光束的相干长度，表示复共轭；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，表示复共轭。4.根据权利要求1所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法，其特征在于，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：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：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。5.根据权利要求1所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法，其特征在于，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。6.一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置，其特征在于，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。7.根据权利要求6所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置，其特征在于，所述阵列光束生成组件包括：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；所述激光器、第一衰减片、扩束器、阵列掩膜板、毛玻璃、第一薄透镜、第二薄透镜的光学中心位于同一水平线。8.根据权利要求6所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置，其特征在于，所述矢量部分相干光束合成组件包括：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；所述空间光调制器、第三薄透镜的光学中心位于同一水平线；所述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；所述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。9.根据权利要求6所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置，其特征在于，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；所述第五薄透镜和电荷耦合元件的光学中心位于同一水平线。10.根据权利要求8所述的全庞加莱球偏振矢量阵列光束的产生装置，其特征在于，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。

技术总结
本发明公开了一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置。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，设计具有特殊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。远场阵列光束偏振态的问题。远场阵列光束偏振态的问题。


技术研发人员：刘永雷 陈亚红 王飞 蔡阳健
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2022.06.15
技术公布日：2022/7/15