时空矢量光场生成装置及方法

1.本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种时空矢量光场生成装置及方法。


背景技术：

2.光场指在时间域和空间域内有特定分布的光学频率电磁场。通常情况下，对于光场的研究可以分为在横向x-y面内分布的光场，即对光束的研究；在时间域内分布的光场，即对光脉冲的研究，和在x-y平面内以及时域内分别有特定分布的三维波包。对于时空域内不耦合的三维波包，其光场可以由e(x,y,t)＝e(x,y)
·
e(t)的形式表达。
3.近年来，科学家们发现在时空域内耦合的三维波包可以具有独特的时空传播特性和物理特性，对于研制新型的光量子器件、新型光量子通信以及基础物理学的研究都有重要意义，时空光场也因此成为了新的研究热点。例如，具有特定分布时空光场可以实现显著的反常时空折射现象。光场在传播过程中可以“违背”古老的斯涅尔定律，在经过界面后以可控的群速度传播。这样的时空光场可以为新型遥感、地下成像、光学同步、相控阵雷达等技术应用提供新的可能性。
4.产生新型的时空光场需要新的光场调控技术，传统的时空光场调控技术依赖于利用相位调控元件对时空光场实施相位调控或强度调控，产生偏振状态为线偏振态的时空光场。并且，缺乏对时空光场偏振实施调控的手段，难以产生在时空域内具有复杂偏振分布的时空矢量光场。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够产生在时空域内具有复杂偏振分布的时空矢量光场的时空矢量光场生成装置及方法。
6.一种时空矢量光场生成装置，所述装置包括依次排列的第一分光元件、第一光学准直元件、第一四分之一波片、相位调控元件、第二四分之一波片、第二光学准直元件与第二分光元件，所述第一光学准直元件到所述第一分光元件的间距与到所述相位调控元件的间距相等，且等于第一光学准直元件的焦距；
7.所述第二光学准直元件到所述第二分光元件的间距与到所述相位调控元件的间距相等，且等于第二光学准直元件的焦距；
8.所述第二四分之一波片与所述第一四分之一波片关于所述相位调控元件镜像对称。
9.进一步的，所述第一分光元件和第二分光元件为反射式光栅、透射式光栅或三棱镜。
10.进一步的，所述第一光学准直元件和所述第二光学准直元件为柱透镜或柱面镜。
11.进一步的，所述相位调控元件为空间光调制器或定制的相位面板。
12.一种时空矢量光场生成方法，所述方法包括：
13.将准直时空光场入射至时空矢量光场生成装置，依次通过第一分光元件、第一光
学准直元件、第一四分之一波片与相位调控元件；
14.使第一四分之一波片的快轴与y轴夹+45
°
角；
15.将相位调控元件选择为反射式器件，调整相位调控元件对偏振方向在y方向的光场施加相位调控，光场经过所述相位调控元件反射后，按原路返回，经所述第一四分之一波片、第一光学准直元件和第一分光元件重构为准直的时空矢量光场。
16.进一步的，经过所述时空矢量光场生成装置后，光场将在时空域内获得偏振旋转并得到一个额外的相位，偏振旋转的角度与相位的大小为所述相位调控元件施加相位的二分之一。
17.进一步的，所述方法还包括：
18.将相位调控元件选择为透射式器件，调整相位调控元件对偏振方向在y方向的光场实加相位调控，光场透射经过所述相位调控元件；
19.使第二四分之一波片的快轴与y轴夹-45
°
角；
20.光场经所述第二四分之一波片、第二光学准直元件和第二分光元件重构为准直的时空矢量光场。
21.进一步的，所述光场在时空域内获得的偏振旋转以及所得的相位，其大小与所述相位调控元件施加相位的关系获得的方式为：
[0022][0023][0024][0025][0026][0027]
由此获得：
[0028][0029]
式中：e
in
为入射光场经第一分光元件和第一光学准直元件后所得空间频率域光场的琼斯矩阵形式，这里假设光场为沿y方向的线偏振光，当光场进入矢量光场调控器后，会分别通过快轴与y轴夹+45
°
角的第一四分之一波片、对偏振方向沿y方向光场实施相位调控的相位调控元件、快轴与y轴夹-45
°
角的第二四分之一波片，r(θ)为旋转矩阵，m
qwp
代表四分之一波片施加的相位延迟，m
p
代表相位调控元件施加的相位，θ
p
为相位调控元件施加的空间相位，e
out
为出射时空矢量光场；
[0030]
所述第一四分之一波片、相位调控元件与第二四分之一波片组成矢量光场调控器，通过所述矢量光场调控器后，出射光场e
out
将获得一个大小为θ
p
/2的偏振旋转，并额外
获得一个大小为θ
p
/2的相位；当入射光场具有一定的啁啾态，则相位调控元件所施加的空间相位θ
p
将被映射至时空域内的光场，产生时空矢量光场。
[0031]
进一步的，所述矢量光场调控器所施加的调控可由以下的琼斯矩阵表达：
[0032][0033]
由此可得，
[0034][0035]
上式表明，所述矢量光场调控器可对任意的入射光场实施偏振旋转调控，使其偏振状态旋转θ
p
/2并额外获得一个大小为θ
p
/2的相位。
[0036]
进一步的，通过第一分光元件，由矢量光场调控器施加的矢量光场调控被映射至时空域，产生时空矢量光场，映射关系为：
[0037]ein
(x
′
，y
′
)＝e
in
(x，a
·kgdd
·
t)；
[0038]
式中，a表示所述生成器对于入射光场的分光系数，由第一分光元件和第一光学准直元件决定，k
gdd
为啁啾系数，决定了光场的啁啾态；
[0039]
当k
gdd
》0，光场处于正啁啾态，所施加的矢量光场调控将以正向映射的模式映射至时空光场，产生时空矢量光场；
[0040]
当k
gdd
《0，光场处于负啁啾态，所施加的矢量光场调控将以反向映射的模式映射至时空光场，产生时空矢量光场；
[0041]
当k
gdd
＝0，光场处于零啁啾态，所施加的矢量光场调控将以一维傅里叶变换的映射模式映射至时空光场，产生时空矢量光场。
[0042]
上述时空矢量光场生成装置及方法，可用于产生在时空域内有复杂偏振分布的时空矢量光场，实现了对时空光场进行时空域内的矢量光场调控，可用于产生复杂的时空矢量光场。通过利用入射光场的啁啾态，实现了以不同的模式将任意偏振状态映射至时空光场的时空域内，其中包括将空间矢量光场调控直接映射于时空光场的时空域偏振态分布，产生时空矢量光场。
附图说明
[0043]
图1为一个实施例的时空矢量光场生成装置图；
[0044]
图2为一个实施例的时空矢量光场生成方法流程图。
具体实施方式
[0045]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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。
[0046]
如图1所示，在一个实施例中，一种时空矢量光场生成装置，包括依次排列的第一分光元件110、第一光学准直元件120、第一四分之一波片130、相位调控元件140、第二四分之一波片150、第二光学准直元件160与第二分光元件170，第一光学准直元件120到第一分
光元件110的间距与到相位调控元件140的间距相等，且等于第一光学准直元件120的焦距；第二光学准直元件160到第二分光元件170的间距与到相位调控元件140的间距相等，且等于第二光学准直元件160的焦距，第一光学准直元件120与第二光学准直元件160焦距相同；第二四分之一波片150与第一四分之一波片130关于相位调控元件140镜像对称。第一分光元件110和第二分光元件170为反射式光栅、透射式光栅或三棱镜。第一光学准直元件120和第二光学准直元件160为柱透镜或柱面镜。相位调控元件140为空间光调制器或定制的相位面板。当相位调控元件140为反射式器件时，第一四分之一波片130与相位调控元件140组成矢量光场调控器；当相位调控元件140为透射式器件时，第一四分之一波片130、相位调控元件140与第二四分之一波片150组成矢量光场调控器。
[0047]
此外，还提供了一种时空矢量光场生成方法，结合上述时空矢量光场生成装置，以生成时空矢量光场。
[0048]
如图2所示，在一个实施例中，一种时空矢量光场生成方法，包括以下步骤：
[0049]
步骤s110，将准直时空光场入射至时空矢量光场生成装置，依次通过第一分光元件、第一光学准直元件、第一四分之一波片与相位调控元件。
[0050]
步骤s120，使第一四分之一波片的快轴与y轴夹+45
°
角。
[0051]
步骤s130，将相位调控元件选择为反射式器件，调整相位调控元件对偏振方向在y方向的光场施加相位调控，光场经过相位调控元件反射后，按原路返回，经第一四分之一波片、第一光学准直元件和第一分光元件重构为准直的时空矢量光场。此时，第一四分之一波片和相位调控元件组成矢量光场调控器，经过矢量光场调控器后，光场将按原路返回第一光学准直元件和第一分光元件重构为准直的时空矢量光场。
[0052]
经过时空矢量光场生成装置后，光场将在时空域内获得偏振旋转并得到一个额外的相位，偏振旋转的角度与相位的大小为相位调控元件施加相位的二分之一。
[0053]
在本实施例中，还包括以下步骤：
[0054]
步骤140，将相位调控元件选择为透射式器件，调整相位调控元件对偏振方向在y方向的光场实加相位调控，光场透射经过相位调控元件。
[0055]
步骤150，使第二四分之一波片的快轴与y轴夹-45
°
角。
[0056]
步骤160，光场经第二四分之一波片、第二光学准直元件和第二分光元件重构为准直的时空矢量光场。光场透射经过相位调控元件后，经第二四分之一波片、第二光学准直元件和第二分光元件重构为准直的时空矢量光场。此时，第一四分之一波片、相位调控元件与第二四分之一波片组成矢量光场调控器，经过矢量光场调控器后，光场经第二光学准直元件和第二分光元件重构为准直的时空矢量光场。光场将在时空域内获得偏振旋转并得到一个额外的相位，偏振旋转的角度与相位的大小为相位调控元件施加相位的二分之一。
[0057]
在本实施例中，光场在时空域内获得的偏振旋转以及所得的相位，其大小与相位调控元件施加相位的关系获得的方式为：
[0058][0059]
[0060][0061][0062][0063]
由此获得：
[0064][0065]
式中：e
in
为入射光场经第一分光元件和第一光学准直元件后所得空间频率域光场的琼斯矩阵形式，这里假设光场为沿y方向的线偏振光，当光场进入矢量光场调控器后，会分别通过快轴与y轴夹+45
°
角的第一四分之一波片、对偏振方向沿y方向光场实施相位调控的相位调控元件、快轴与y轴夹-45
°
角的第二四分之一波片，r(θ)为旋转矩阵，m
qwp
代表四分之一波片施加的相位延迟，m
p
代表相位调控元件施加的相位，θ
p
为相位调控元件施加的空间相位，e
out
为出射时空矢量光场。
[0066]
通过矢量光场调控器后，出射光场e
out
将获得一个大小为θ
p
/2的偏振旋转，并额外获得一个大小为θ
p
/2的相位。当入射光场具有一定的啁啾态，则相位调控元件所施加的空间相位θ
p
将被映射至时空域内的光场，产生时空矢量光场。
[0067]
矢量光场调控器所施加的调控可由以下的琼斯矩阵表达：
[0068][0069]
由此可得，
[0070][0071]
上式表明，矢量光场调控器可对任意的入射光场实施偏振旋转调控，使其偏振状态旋转θ
p
/2并额外获得一个大小为θ
p
/2的相位。
[0072]
时空矢量光场生成器所施加的矢量光场调控通过改变θ
p
实现，θ
p
是二维空间的函数，可以写为θ
p
(x
′
,y
′
)。通过生成器中分光元件，矢量光场调控可被映射至时空域，产生时空矢量光场，其映射关系可以由以下公式得到：
[0073]ein
(x
′
，y
′
)＝e
in
(x，a
·
ω).
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0074]
ω＝k
gdd
·
t.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0075]
公式(9)表明在相位调控元件所在平面的光场e
p
(x
′
,y
′
)为入射光场e
in
的空间频率域光场，a表示所述生成器对于入射光场的分光系数，由所述第一分光元件和所述第一光学准直元件决定，ω＝ω-ω0表示光场的相对瞬态频率，k
gdd
为啁啾系数，决定了光场的啁啾态。结合公式(9)、(10)，可得
[0076]ein
(x
′
，y
′
)＝e
in
(x，a
·kgdd
·
t)。
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0077]
当k
gdd
》0，光场处于正啁啾态，所施加的矢量光场调控将以正向映射的模式映射至时空光场，产生时空矢量光场；
[0078]
当k
gdd
《0，光场处于负啁啾态，所施加的矢量光场调控将以反向映射的模式映射至时空光场，产生时空矢量光场；
[0079]
当k
gdd
＝0，光场处于零啁啾态，所施加的矢量光场调控将以一维傅里叶变换的映射模式映射至时空光场，产生时空矢量光场。
[0080]
以下以第一分光元件和第二组分光元件选用反射性光栅，第一光学准直元件与第二光学准直元件选用柱透镜，相位调控元件选用空间光调制器为例进行说明。
[0081]
首先，将准直的高斯-高斯、沿y方向的线偏振时空光场输入时空矢量光场生成装置(参照图1)，当波包经过反射式光栅(点a0处)后，入射波包的不同光学频率分量会以不同角度通过柱透镜并被准直至空间光调制器(spatial light modulator,slm)所在平面。当反射式光栅、柱透镜、slm的间距为柱透镜焦距f时，入射时空光场波包的空间-频率域光场被投影至slm平面。
[0082]
其次，经矢量光场调控，光场会经过第二组柱透镜以及反射式光栅，并在光栅(点a1处)重构为准直的出射时空矢量光场。
[0083]
随后，当slm加载空间相位(如空间涡旋相位)时，出射的时空光场在离开点a1处(此处定义为z＝0)其时空域内的偏振状态将获得偏振旋转，偏振旋转角为加载相位的二分之一。其分布为生成器所加载空间相位的某种映射，具体的映射模式取决于光场所处的啁啾状态。
[0084]
最后，当时空光场为正啁啾时，其时空光场在时空域内的偏振旋转为生成器所加空间相位的直接映射。
[0085]
上述时空矢量光场生成装置及方法，与传统的时空光场相比，传统的时空光场调控局限于对时空光场的相位、强度实施调控，缺乏对时空光场偏振状态实施调控的手段，无法产生在时空域内有复杂偏振分布的时空矢量光场。本发明实现了对时空光场进行时空域内的矢量光场调控，可用于产生复杂的时空矢量光场。
[0086]
另外，传统时空光场的调控方法基于一维傅里叶变换，无法对光场的时空域偏振态分布进行直接的偏振态映射调控。本发明通过利用入射光场的啁啾态，实现了以不同的模式将任意偏振状态映射至时空光场的时空域内，其中包括将空间矢量光场调控直接映射于时空光场的时空域偏振态分布，产生时空矢量光场。
[0087]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。