一种基于双折射相位片的单光路矢量光场产生方法与流程

本发明涉及光场调控的技术领域，具体涉及一种基于双折射相位片的单光路矢量光场产生方法。

背景技术：

近年来随着研究的不断深入，激光的偏振态在研究光子的本质属性及光与物质的相互作用中起到了越来越重要的作用。对偏振态非均匀分布的光场的研究越来越多，这里将偏振态在空间中呈非均匀分布的光场称为矢量光场。光场的矢量特性对光波的衍射和时空演化有着重要的影响，由此产生了很多不同于标量光场的新颖特性。

2000年，美国Rochester大学Brown小组发现径向偏振的矢量光场在紧聚焦的条件下获得了超衍射极限的聚焦效果，且具有很强的纵向场。这一现象的发现使得矢量光场开始应用于光捕获、激光加工、超分辨显微、光通信、粒子加速、荧光成像、产生二次谐波以及拉曼光谱等领域。矢量光场所具有的新颖的光学特性大大推动了各个领域的或多或少的发展。而在这些研究领域中，如何将一束高斯光束调制为一束偏振态按需求分布的矢量光场是一项十分重要的基础研究工作。

矢量光场的产生主要分为腔内主动和腔外被动生成两大类。腔内主动生成方法是指在激光谐振腔中完成矢量光场的产生。其中以在腔内加入双折射材料为主，1972年，实验室内首次在激光腔内加入双折射材料方解石生成矢量光场，目前腔内主动生成法还有利用轴向二向性光学元件、棱镜对、光子晶体光栅和金属光栅结构等。腔内主动生成法具有高效稳定的优点，但当激光谐振腔结构确定后，其产生的光场单一，结构改变也变得复杂。相对于腔内主动生成法，腔外被动生成法以其灵活性高的优点备受科研人员的推崇。最初的腔外被动生成法主要采用Mach-Zehnder干涉光路。该方法的提出犹如抛砖引玉，科研人员在Mach-Zehnder干涉光路的基础上，加入了衍射元件、Dove棱镜、圆柱形格兰棱镜等具有特殊光学效应的光学元件，改进了Mach-Zehnder干涉光路，产生了更高质量的矢量光场。然而用干涉光路产生矢量光场，光路系统较为复杂，光路中的意外扰动很容易带来偏差。科技的发展总会推动各类型的新器件的出现，液晶型空间光调制器(SLM)随着电子产业技术以及半导体器件的高速发展，其效率、调控度和稳定性越发完善，这使得矢量光场的产生更具灵活性，大大推动了矢量光场的发展。2007年，Maurer等人利用空间光调制器实现了任意分布的矢量光场的产生。王慧田课题组提出一种基于4f系统的共路干涉产生矢量光场的方法。该方法最大的优点在于可以克服光路中意外扰动所带来的偏差。但受SLM像素数少和像元大的限制，其产生的矢量光场的连续性分辨率偏低，当SLM达到一定精度时，略微提升其成像质量就会大大增加制作成本与难度，另外，液晶的损伤阈值较低，不利于实际应用。因此偏振态连续性好、高能量利用率、结构简单的矢量光场产生方法成为急待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种利用单光路获得矢量光场的方法，其为偏振态连续性好、高能量利用率、结构简单的矢量光场产生方法。

本发明采用的技术方案为：一种基于双折射相位片的单光路矢量光场产生方法，该方法所涉及的结构主要由一片双折射相位片和相位解调模组组成，偏振光依次通过双折射相位片和相位解调之后，获得所要求的矢量光场。

其中，所产生的矢量光场分布主要由双折射相位片上的面形分布决定。

其中，双折射相位片的材料为具有双折射效应的材料。

其中，目标矢量光场偏振态分布为：

其中θ(x,y)的分布为任意的，它的分布决定着E(x,y)的分布，此时，目标矢量光场偏振分布与相位片深度分布有着如下关系：

其中，n_e和n_o分别为双折射材料对o光和e光的折射率，利用该一一对应关系可以获得针对目标矢量光场分布的双折射相位片结构。

其中，双折射相位片是通过深度分布来实现入射光的相位调制。

其中，相位解调模组是根据目标光场分布与双折射相位片产生光场之间的关系推导获得的。

其中，双折射相位片，相位解调模组均可以采用光刻的方法制备获得。

本发明的有益效果在于：利用该方法产生矢量光场，不需要复杂的光路，其中只包含三个元件既可以实现该功能，是一种高集成度的实现方法。该方法采用纯相位调制以实现入射光偏振态的调制，其连续的面形保证了衍射次级的不存在，理论上衍射效率可以达到100％。该方法采用的材料具有高激光损伤阈值，可用于产生高功率的矢量光场。

附图说明

图1为本发明实施例中所采用的方法结构示意图；

图2为本发明实施例中所要获得的矢量光场示意图；

图3为本发明实施例中根据目标矢量光场计算获得的双折射相位片面形分布示意图；

图4为本发明实施例中光通过双折射相位片，1/2玻片，1/4玻片之后的仿真光场分布。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

具体实施例中一种基于双折射相位片的单光路矢量光场产生方法如图1所示，该方法所涉及的结构主要由一片双折射相位片和相位解调模组组成，偏振光依次通过双折射相位片和相位解调之后，获得所要求的矢量光场。所产生的矢量光场分布主要由双折射相位片上的面形分布决定。双折射相位片的材料为具有双折射效应的材料。目标矢量光场偏振态分布为：

其中θ(x,y)的分布为任意的，它的分布决定着E(x,y)的分布，此时，目标矢量光场偏振分布与相位片深度分布有着如下关系：

h(x,y)＝Aλθ(x,y)/π(n_e-n_o)

其中，A为常数，n_e和n_o分别为双折射材料对o光和e光的折射率，利用该一一对应关系可以获得针对目标矢量光场分布的双折射相位片结构。

双折射相位片是通过深度分布来实现入射光的相位调制。相位解调模组是根据目标光场分布与双折射相位片产生光场之间的关系推导获得的。双折射相位片，相位解调模组均可以采用光刻的方法制备获得。

图2为目标矢量光场分布，其偏振态为线偏振沿径向分布，工作波长为532nm；

图3为根据目标光场分布计算所得的双折射相位片面形，其中双折射相位片所采用的材料为钒酸钇，其对o光和e光的折射率分别为：1.9929和2.2154，计算得到其面形呈双螺旋分布，最深处深度为2.39um；

图4为光通过双折射相位片，1/2玻片，1/4玻片之后的仿真光场分布，光场接收面距离出射面0.25m，其中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)中所对应的偏振解调模组与x轴的角度θ分别为：(a)无检偏器；(b)θ＝0；(c)θ＝90；(d)θ＝45；(e)θ＝135。