一种可同时生成多路矢量涡旋光束的方法与装置与流程

技术领域：

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种可同时生成多路矢量涡旋光束的方法与装置。

背景技术：
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矢量涡旋光束是一种新型的结构光束，由于它可由杂合邦加球上的任意一点来描述，因此也被称为杂合邦加球光束。矢量涡旋光束实际上是一种包含矢量光束与涡旋光束特性的普遍形式，在其横截面上同时具有各向异性的偏振态分布和螺旋形相位，具有几何拓扑荷并携带有轨道角动量。矢量涡旋光束的这一独特性质，使得其在高分辨率成像、光通信、光子纠缠、激光加工、粒子操纵、表面等离子体激发等领域具有十分重要的应用价值，近年来，正受到越来越多的关注。

目前，国内外学者在矢量涡旋光束的生成领域做了大量的工作，并开发出了多种矢量涡旋光束的生成方法。比如腔内法[如nat.photon.10,327–332(2016)等]、亚波长光栅法[如opt.lett.29,1718–1720(2004)等]、q波片法[如photon.res.5,15-21(2017)等]、干涉法[如opt.lett.40,1775-1778(2015).]等方法。然而，这些方法只能生成单一模式的矢量涡旋光束，对于同时获得多路不同模式的矢量涡旋光束无能为力。然而，在许多应用中，同时需要不同模式的多路矢量涡旋光束。例如，在结构光束编码通信技术[opt.lett.40,4843-4846(2015)]中，同时需要多路不同模式的矢量涡旋光束来进行编码；在激光加工中，多路不同模式的矢量涡旋光束使得多点加工成为可能。因此，同时生成多路不同模式的矢量涡旋光束是十分必要的。

技术实现要素：
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有鉴于此，本发明提供了一种可同时生成多路矢量涡旋光束的方法与装置。其目的在于，解决当前无法同时生成多路不同模式的矢量涡旋光束的问题。

本发明结构简单，只需通过给两个液晶空间光调制器加载不同的特殊设计的相位光栅，即可同时在不同的衍射级获得任意模式且模式可控的矢量涡旋光束。另外，矢量涡旋光束的模式，以及其所处的衍射级均由液晶空间光调制器调制所加载的相位光栅来控制，在生成不同的矢量涡旋光束阵列时无需调整任何硬件，具有很好的可操作性。

本发明的一种可同时生成多路矢量涡旋光束的装置，包括激光光源，起偏器，两个液晶空间光调制器，两个焦距相同的平凸透镜，二分之一波片和四分之一波片。其中：

所述激光光源用于产生基模高斯光束；

所述起偏器置于激光光源后方的激光光路中，其主轴方向与水平面呈一定角度放置，且该角度既非0°也非90°，用于将激光光源产生的基模高斯光束转化为斜向线偏振基模高斯光束；

所述两个液晶空间光调制器分别置于由所述两个焦距相同的平凸透镜构成4-f成像系统的物点和像点处，同时，它们构成的系统置于偏振片后方的激光光路中，其中，第一个液晶空间光调制器用于对线偏振高斯光束的水平分量进行调制，第二个液晶空间光调制器用于对线偏振高斯光束的初始竖直分量进行调制，4-f成像系统可将第一个液晶空间光调制器上加载的相位光栅1：1地成像在第二个液晶空间光调制器上；

所述二分之一波片置于4-f成像系统中两个平凸透镜的中心位置，其快轴方向与水平面呈45°放置，用于将由第一个液晶空间光调制器调制好的水平偏振分量转化为竖直偏振分量，将第一个液晶空间光调制器无法调制的竖直偏振分量转化为水平偏振分量，进而实现第二个液晶空间光调制器对初始竖直偏振分量的调制；

所述四分之一波片置于第二个液晶空间光调制器后方的激光光路中，其快轴方向与水平面呈45°放置，用于将水平和竖直线偏振分量分别调制好的光束合束转化为多路不同模式的矢量涡旋光束。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明实现了多路不同模式的矢量涡旋光束的同时生成，且他们分别位于不同的衍射级；

2、生成的矢量涡旋光束的模式，以及其所处的衍射级均由液晶空间光调制器调制所加载的相位光栅来控制，在生成不同的矢量涡旋光束阵列时无需改变任何硬件或进行任何的硬件操作，具有很好的可操作性。

附图说明：

图1为m＝1，n＝3时的杂合邦加球。

图2为本发明的可同时生成多路矢量涡旋光束的装置构成图，图中，1-激光光源，2-起偏器，3-液晶空间光调制器，4-平凸透镜，5-二分之一波片，6-平凸透镜，7-液晶空间光调制器2，8-四分之一波片。

图3为在±1衍射级分别生成具有相同经纬坐标(0,0)但不同阶次的矢量涡旋光束的实验结果图。

图4为在±1衍射级分别生成具有相同阶次和纬度坐标但不同经度坐标的矢量涡旋光束的实验结果图。

图5为在±1衍射级分别生成具有相同阶次和经度坐标但不同纬度坐标的矢量涡旋光束的实验结果图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例，对本发明做一详细描述。

矢量涡旋光束由于在光束横截面内同时具有各项异性的偏振态分布和螺旋相位，其模式仅仅采用偏振阶次或几何拓扑荷来描述均是不完善的。通常，矢量涡旋光束的模式由杂合邦加球球面上点的位置来描述。本发明中所生成的矢量涡旋光束均采用杂合邦加球的描述方法。

由于矢量涡旋光束的表达中含有螺旋相位项、各向异性的偏振项等，十分复杂。为了简便起见，本说明书中将采用相对简单的狄拉克符号|ψ>来表示矢量涡旋光束。任意矢量涡旋光束|ψ>均可正交分解为不同复系数和下的右旋和左旋标量涡旋光束的叠加：

其中，{rm,ln}是一对正交基底，分别表示角量子数为m和n的右、左旋圆偏振标量涡旋光束：

上式中，表示角向坐标，^t表示转置。直角坐标系下，杂合邦加球由杂合斯托克斯矢量：

来定义，其中为两个复系数间的相位差。若以和作为直角坐标系下的三个坐标轴，为半径做球，则可获得杂合邦加球。特别的，图1给出了以m＝1，n＝3为例的杂合邦加球及其上部分特殊点的矢量涡旋光束的光场和偏振态分布。这表明，任意矢量涡旋光束可由杂合邦加球上的任意一点来描述，且该点的经纬坐标(θ,σ)可表示为：

本发明的一种可同时生成多路矢量涡旋光束的方法与装置的原理可以理解为，由于矢量涡旋光束可以分解为不同复系数下的右旋和左旋标量涡旋光束的叠加，则反过来可通过分别生成左右旋不同阶次的涡旋光束并将它们同轴叠加的方式来获得矢量涡旋光束。对于多路矢量涡旋光束的同时生成，可利用两个液晶空间光调制器加载特殊设计的光栅，来在不同的衍射级同时分别生成不同阶次的左右旋涡旋光束，而后将它们分别同轴叠加来获得。

本发明的一种可同时生成多路矢量涡旋光束的装置，包括激光光源，起偏器，两个液晶空间光调制器，两个焦距相同的平凸透镜，二分之一波片和四分之一波片，如图2所示。

激光光源(1)产生的基模高斯光束，经主轴方向与水平面呈一定角度放置的起偏器(2)后，转化为斜向线偏振基模高斯光束。由于液晶空间光调制器对水平和竖直两个偏振分量的光的反射率不同，因此在使用前需微调偏振片，直到装置输出端水平和竖直偏振分量的强度相同为止。

由于液晶空间光调制器只对水平线偏振分量有纯相位调制作用，对竖直线偏振分量没有影响，因此液晶空间光调制器(3)仅对线偏光的水平分量进行相位调制，对竖直分量则没有影响。二分之一波片(5)的快轴方向与水平面呈45°放置，使得液晶空间光调制器(3)调制好的水平偏振分量转化为竖直偏振分量，将液晶空间光调制器(3)无法调制的竖直偏振分量转化为水平偏振分量，进而实现液晶空间光调制器(7)对初始竖直偏振分量的调制。

平凸透镜(4)和(6)构成4-f成像系统，同时两个液晶空间光调制器(3)和(7)分别置于由4-f成像系统的物点和像点处。此时，4-f成像系统可将第一个液晶空间光调制器上加载的相位光栅1：1地成像在第二个液晶空间光调制器上，这使得分别经两个液晶空间光调制器调制后在不同的相对应的衍射级上水平和竖直标量涡旋光束可同轴叠加。这些偏振正交同轴叠加后的标量涡旋光束经快轴方向与水平面呈45°放置的四分之一波片(8)后，转化为多路在不同衍射级中的不同模式的矢量涡旋光束。

本发明的关键是衍射光栅的设计，即设计一种可根据设定，在任意单个或多个衍射级产生任意强度、初始相位和角量子数的涡旋光束。对于相位型衍射光栅，其透过率函数p(y)可由傅里叶展开为：

其中，γ为含有光栅常数信息的参数，b为衍射级，cb为傅里叶展开系数。傅里叶展开系数中包括处于b衍射级的光束的振幅|cb|、初始相位τb和角量子数mb信息：

因此，可根据相位型衍射光栅的傅里叶展开式来设计相位光栅。综上，本发明中，将经过特殊设计的衍射光栅分别加载在图2所示的液晶空间光调制器(3)和(7)上，实现对两个线偏振分量的分别调制，进而通过四分之一波片(8)的偏振调制来实现多路不同模式的矢量涡旋光束在不同衍射级的同时生成。

实施例1：在±1衍射级分别生成具有相同经纬坐标(0,0)但不同阶次的矢量涡旋光束。

本实施例中，将在-1衍射级生成经纬坐标(0,0)，m＝-1,n＝2的矢量涡旋光束，在+1衍射级生成经纬坐标(0,0)，m＝2且n＝-2的矢量涡旋光束。加载在图2所示的液晶空间调制器(3)上的光栅的参数设置为：，|c-1|＝|c+1|＝1，τ-1＝τ+1＝0，m-1＝-1，m+1＝2。加载在图2所示的液晶空间调制器(7)上的光栅的参数设置为：|c-1|＝|c+1|＝1，τ-1＝τ+1＝0，n-1＝-2，n+1＝2。注意这里在调制器(7)上加载的光栅，其角量子数设置与为预定n值的相反数。这是由于本发明中使用的是反射式液晶空间光调制器，调制器(3)调制的水平偏振分量，其由于被两个调制器反射两次，其角量子数分布与光栅设定的是一致的。对于调制器(7)调制的竖直偏振分量，仅被第调制器(7)反射一次，因此在光栅设计角量子数n设定时，需为预期值的相反数。本实施例实验结果如图3所示，从左至右分别为生成的多路矢量涡旋光束，以及经过不同角度放置的检偏器下的光场分布。图3表明，本实施例的实验结果与预期吻合完好。

实施例2：在±1衍射级分别生成具有相同阶次和纬度坐标但不同经度坐标的矢量涡旋光束。

本实施例中，将在-1衍射级生成经纬坐标(0,0)，m＝0,n＝2的矢量涡旋光束，在+1衍射级生成经纬坐标(π,0)，m＝0andn＝2的矢量涡旋光束。加载在图2所示的液晶空间调制器(3)上的光栅的参数设置为：，|c-1|＝|c+1|＝1，τ-1＝τ+1＝0，m-1＝m+1＝0。加载在图2所示的液晶空间调制器(7)上的光栅的参数设置为：|c-1|＝|c+1|＝1，τ-1＝0，τ+1＝-π，n-1＝n+1＝-2。本实施例实验结果如图4所示，从左至右分别为生成的多路矢量涡旋光束，以及经过不同角度放置的检偏器下的光场分布。图4表明，本实施例的实验结果与预期吻合完好。

实施例3：在±1衍射级分别生成具有相同阶次和经度坐标但不同纬度坐标的矢量涡旋光束。

本实施例中，将在-1衍射级生成经纬坐标(0,-π/6)，m＝1,n＝3的矢量涡旋光束，在+1衍射级生成经纬坐标(0,π/6)，m＝1andn＝3的矢量涡旋光束。加载在图2所示的液晶空间调制器(3)上的光栅的参数设置为：，|c-1|＝1，τ-1＝τ+1＝0，m-1＝m+1＝1。加载在图2所示的液晶空间调制器(7)上的光栅的参数设置为：c+1|＝1，τ-1＝τ+1＝0，n-1＝n+1＝-3。本实施例实验结果如图4所示，从左至右分别为生成的多路矢量涡旋光束，以及经过不同角度放置的检偏器下的光场分布。图5表明，本实施例的实验结果与预期吻合完好。

以上三个实施例表明，本发明的一种可同时生成多路矢量涡旋光束的方法与装置，可通过设计相位型衍射光栅并加载到两个液晶空间光调制器的方式，十分方便的在不同衍射级生成不同的矢量涡旋光束。生成的矢量涡旋光束的模式，以及其所处的衍射级均由液晶空间光调制器调制所加载的相位光栅来控制，在生成不同的矢量涡旋光束阵列时无需改变任何硬件，具有很好的可操作性。本方法和装置简单而稳定，可用于激光加工、结构光通信等技术中。

综上所述,以上仅为本发明的较佳实施实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。