一种高效产生任意矢量光场的方法及装置与流程

本发明涉及一种利用相位型空间光调制器(slm)高效产生任意矢量光场的方法及装置，属于光电子技术领域。

背景技术：

标量光场是指偏振态在横向空间均匀分布的光场，如线偏振、圆偏振、椭圆偏振光场等。与标量光场不同，矢量光场是指偏振态随横向空间位置变化的光场。其中，最典型、应用最广泛的是偏振态在横向空间呈轴对称分布的矢量光场——柱对称矢量光场。研究发现，柱对称矢量光场经高数值孔径透镜紧聚焦时，可产生具有新颖的角动量和强度分布的焦场，如光针、光笼、光链等。矢量光场独特的紧聚焦特性，使其在粒子捕捉、超分辨成像、光学微操控、材料加工等领域中具有广阔的应用前景。

目前，矢量光场的产生方法是国内外的研究热点之一。通常可将矢量光场的产生方法分为主动法和被动法两类。所谓主动法，是通过设计激光器的谐振腔，直接输出矢量光束。所谓被动法，是在激光器外光路中插入某种装置以改变激光器输出光束的偏振态，从而产生矢量光场。主动法虽能更高效地产生矢量光场，但缺乏灵活性。谐振腔经特殊设计后只能产生特定偏振态分布的矢量光场。相比之下，被动法能更方便地产生各种不同偏振态分布的矢量光场。被动法可分为直接法和间接法：直接法是通过特殊设计的光学元件，比如亚波长光栅、相位光学元件、超表面、液晶等，将激光器输出的线偏振光束直接转化为矢量光束；间接法则主要是由多光束通过同轴叠加形成矢量光场，故又称为干涉法。

利用干涉法产生矢量光场时，一般通过两束相互正交的线偏振光或旋向相反的圆偏振光叠加。为实现不同偏振态分布，通常需要利用空间光调制器(slm)实现对不同偏振分量的相位调制。这使得矢量光束实时可控，具有很高的灵活性，可以方便地产生任意偏振态分布的矢量光场。然而，由传统干涉法产生矢量光场时，在保证两个偏振分量同轴叠加的前提下，所采用的分束、合束器件会产生多个衍射级次，或者会损失大量的光能量。这对所产生矢量光场的能量造成浪费，产生效率较低，且光束同轴叠加调节难度大。为了灵活、高效地产生矢量光场，本发明提出一种利用相位型空间光调制器(slm)高效产生任意矢量光场的方法及装置。

技术实现要素：

要解决的技术问题

针对现有技术的不足之处，本发明提出了一种利用相位型空间光调制器(slm)高效产生任意矢量光场的方法及装置。所述方法及装置通过利用相位型slm加载不同的相位图，可实现矢量光场的振幅、相位和偏振态的实时调节；所采用的分束、合束系统的强度透过率高，能量损失小，并且光束叠加的同轴性调节更容易。

技术方案

本发明所采用的技术方案，其特征在于包括光源1，半波片2，光束分束系统3，光束调控系统4，光束合束系统5，四分之一波片6，电荷耦合元件7。

所述光源1为单模激光器，包括氦氖激光器、氩离子激光器、半导体激光器及飞秒脉冲激光器等。

所述半波片2，其作用是改变激光器输出线偏振光束的偏振方向，使其沿45°方向偏振。

所述光束分束系统3和所述光束合束系统5可以采用以下四种方案之一种：

方案一：所述光束分束系统3，包括偏振分光棱镜8，反射镜9，反射镜10：偏振分光棱镜8、反射镜9和反射镜10组成三角干涉仪ⅰ，其作用是将入射光束分成偏振方向正交的两束线偏振光束，两光束分开且相互平行，可通过调节任一反射镜的角度对两光束的间距进行调整。所述光束合束系统5包括偏振分光棱镜14、反射镜15和反射镜16组成三角干涉仪ⅱ，其作用是使经光束调控系统4所输出的偏振方向正交、且平行传输的两束线偏振光同轴叠加。方案二：所述光束分束系统3由光束偏移器17构成，其作用是将入射光束分成两束平行传输的正交线偏振光束。所述光束合束系统5由光束偏移器18构成，其作用是使经光束调控系统4所输出的两偏振方向正交且平行传输的两束线偏振光同轴合束。方案三：所述光束分束系统3和光束合束系统5分别由三角干涉仪ⅰ和光束偏移器18构成。

方案四：所述光束分束系统3和光束合束系统5分别由光束偏移器17和三角干涉仪ⅱ构成。

需要特别说明的是：以上四种方案中所采用的分束、合束系统对输入光束均具有很高的强度透过率，损耗极低。利用上述任一种方案均可高效产生任意矢量光场。

所述光束调控系统4包括直角反射棱镜11，半波片12，相位型空间光调制器(slm)13。根据半波片12的放置位置的不同，所述光束调控系统4可以采用以下两种方案之一种：

方案一：所述光束调控系统4包括直角反射棱镜11，半波片12，相位型空间光调制器(slm)13。所述直角反射棱镜11的作用是其一侧先将两束正交线偏振光束分别投射到分屏的slm的左、右半部分，另一侧将光束反射到光束合束系统5；由于slm只对水平偏振光束响应，因此，半波片12紧贴slm的左半部分放置，其作用是将入射到slm左半部分的光束转为水平偏振，而此光束从slm输出时再次经过半波片12，变回至竖直偏振；相位型空间光调制器(slm)13的左、右半部分加载不同的相位图，其作用是将不同相位附加至两束正交偏振光束中。

方案二：此方案中半波片12也可放置在slm与直角反射棱镜11之间，其作用是使入射的竖直偏振光束的偏振方向改变为水平偏振，使得slm对其响应；使另一束由slm出射的水平偏振光束的偏振方向改变为竖直偏振，保证入射至光束合束系统5的两光束的偏振方向正交。

所述四分之一波片6的作用是使偏振方向正交的两束线偏振光转化为两束旋向相反的圆偏振光。

所述电荷耦合元件7的作用是探测所产生的矢量光场的强度分布。

附图说明

附图1为本发明的光路结构示意图。图中，1-光源，2-半波片，3-光束分束系统，4-光束调控系统，5-光束合束系统：11-直角反射棱镜、12-半波片、13-相位型空间光调制器(slm)，6-四分之一波片，7-电荷耦合元件。

附图2为本发明附图1中可构成光束分束系统3的示意图。图2(a)中，8-偏振分光棱镜，9，10-反射镜，图(b)中，17-光束偏移器。

附图3为本发明附图1中可构成光束合束系统5的示意图；图(a)中，14-偏振分光棱镜，15，16-反射镜，图(b)中，18-光束偏移器。

附图4为为本发明附图1中构成光束调控系统4方案二的示意图。

附图5为本发明采用图1装置产生的二阶径向矢量光场的实验结果图。图中，第一排分别为slm左、右半部分加载的相位图，第二排从左至右依次为不加检偏器、加入沿0°检偏、沿90°检偏时电荷耦合元件采集的实验结果图。

附图6为本发明采用图1装置产生的携带一阶螺旋相位的径向矢量光场的实验结果图。图中，第一行分别为slm左、右半部分加载的相位图，第二行从左至右依次为不加检偏器、加入沿0°检偏、沿90°检偏时电荷耦合元件采集的实验结果图，第三行为产生的一阶螺旋相位的结果图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：本发明实施例提出高效产生任意矢量光场的装置如图1所示。

线偏振光束由光源1发出，经半波片2后转化为沿45°方向偏振的光束，由光束分束系统3分为两束相互正交的线偏振光，通过光束调控系统4加载不同相位信息，再经光束合束系统5同轴合束，经四分之一波片6分别转化为左、右旋圆偏振光束，生成矢量光场。最后由电荷耦合元件7探测所形成矢量光场的强度分布。

实施例1

当两束圆偏振光附加的相位分别为：(为柱坐标系的极化角，m为拓扑荷值)，(为两分光束的相位差)，则所形成的柱矢量光束的偏振态为

例如，要产生二阶矢量光场，则有slm上所加载的相位图如图5第一行所示。由该方法获得的实验结果如图5第二行所示。检偏结果显示所产生的光场为二阶矢量光场。

实施例2

当δ1和δ2具有不同的附加相移，a表示两光束的振幅，则叠加的光场表示为

上式可以表示附加了任意相位分布的任意线偏振矢量光束，矢量光束的相位取决于δ1+δ2，矢量光束的偏振方向取决于δ1-δ2。

例如，要产生携带一阶螺旋相位的径向矢量光场，则有

那么，可得δ2＝0。slm上所加载的相位图如图6第一行所示。由该方法获得的实验结果如图6第二、三行所示。实验结果显示所产生的光场为径向矢量光场，并携带一阶螺旋相位。