一种随机偏振光束的产生方法及装置

本发明涉及光学调控，具体涉及一种随机偏振光束的产生方法及装置。

背景技术：

1、随机偏振光是指偏振态随机分布的光束，通常包括三种情况：物理空间上的随机分布、时间上的随机分布以及二者的混合分布。前者可以由偏振光的散射、漫反射以及特殊偏振调制器件产生，后者可以通过特殊的偏振选择器件产生，而混合分布的情况常见于太阳光、灯光这类非相干光。然而这类普遍存在的光束因为其本身偏振特性的限制，并未像偏振光束那样引起研究人员的广泛兴趣。但随着人们对光与物质相互作用的深入研究，这一特殊光束导致的新物理现象逐渐得到了研究人员的重视，例如在涉及自旋-轨道相互作用的理论研究方面，用庞加莱球描述的三维偏振光场展示出了新的自旋信息。基于三维随机偏振光场的研究课题具有基础性和前瞻性，该课题对光本性的认识具有重要的价值，因此对于随机偏振光束的产生方法的研究具有必要性。

2、随机偏振光束因其在光学自旋角动量方面的特殊性，目前已经得到了实际的应用，其涉及领域主要为随机偏振的傍轴光束产生的非傍轴场中的自旋现象研究，这种非傍轴场包括了聚焦和消逝场这两类典型的情况。在这两类特殊光场中，研究人员发现了光束与传播方向相互正交的横向自旋分量，这区别于随机傍轴光束中的自旋现象。此外，研究人员对这种随机光束在特殊配置下的二维倏逝波进行了研究，得到了一些与纵向自旋分量相关的研究成果。

3、目前产生随机偏振光束的方法主要是针对空间随机偏振的情况，其中包括了利用梯度相位差实现消偏功能的退偏器。当具有一定直径的入射线偏振单色光通过具有梯度相位差的器件时，由于不同位置处出射光线的相位差或者旋转角不同，出射光束成为了具有不同椭偏度的椭圆偏振光，整个光束是随机状态的合成。另一类空间随机偏振器件是液晶聚合物退偏器，这是利用图案化的液晶阵列将线偏振光转换为伪随机偏振光，但缺点在于其产生的光束并不是完全随机偏振光。针对时间随机偏振的情况，主要是采用多个波片组合实现时域退偏功能，这类技术典型的特点在于所设计的系统需要波片连续旋转，严格意义上并不能实现时间上的随机。

4、因此，需要一种全新的随机偏振光束的产生技术，来满足研究人员的需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提出一种针对随机偏振光束的产生方法及装置，旨在提供携带有任意拓扑荷数的随机偏振光束，其中随机偏振的响应范围可以覆盖庞加莱球表面上的任意一点，并且还可以通过调整输入电压产生固定偏振态的光束。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种随机偏振光束的产生装置，该装置包括：

4、激发光源单元，用于产生高相干度的线偏振光束；

5、相位调制单元，用于对所述激发光源单元产生的线偏振光束进行调制，得到具有任意拓扑荷数的旋涡光束；

6、偏振调制单元，用于将所述旋涡光束调制成随机偏振光束，所述随机偏振的响应范围可以覆盖庞加莱球表面上的任意一点。

7、作为本发明的进一步方案，所述的随机偏振光束是具有任意相位定制的随机偏振态。

8、作为本发明的进一步方案，所述的随机偏振态是由两个各自不断刷新的随机电压控制，随机电压决定了液晶相位器件的相位在0-2π和0-π内变化。

9、作为本发明的进一步方案，所述偏振调制单元包括电压产生单元、随机相位产生单元；

10、所述电压产生单元，用于产生两个不同范围内各自不断刷新的随机电压；

11、所述随机相位产生单元，用于利用所述随机电压分别独立控制两片液晶相位片中液晶分子的偏转角，进而分别实现两块液晶相位片调制相位在0-2π和0-π内的变化控制；再通过四分之一波片对两块液晶相位片的出射光束进行相位补偿，从而实现偏振态在庞加莱球赤道面和子午面上的独立调控。

12、第二方面，本发明还提供了一种随机偏振光束的产生方法，基于上述的随机偏振光束的产生装置产生随机偏振光束，该随机偏振光束的产生方法，包括以下步骤：

13、利用连续激发光源单元产生高相干度的线偏振光束；

14、利用相位调制单元对所述激发光源单元产生的线偏振光束进行调制，得到具有任意拓扑荷数的旋涡光束；

15、利用偏振调制单元将所述旋涡光束调制成随机偏振光束，所述随机偏振的响应范围可以覆盖庞加莱球表面上的任意一点。

16、作为本发明的进一步方案，所述的随机偏振态是由两个各自不断刷新的随机电压控制。

17、作为本发明的进一步方案，所述的随机偏振态是由两个各自不断刷新的随机电压控制。

18、作为本发明的进一步方案，所述偏振调制单元适用于对应波长的激光光束，并且光束的偏振态在庞加莱球赤道面和子午面上可以独立调控，包括：

19、利用随机电压发生装置产生两个不同范围内各自不断刷新的随机电压；

20、利用所述随机电压分别独立控制两片液晶相位片中液晶分子的偏转角，进而分别实现两块液晶相位片调制相位在0-2π和0-π内的变化控制。

21、利用四分之一波片对两块液晶相位片的出射光束进行相位补偿，从而实现偏振态在庞加莱球赤道面和子午面上的独立调控。

22、与现有技术相比，本发明提出了针对随机偏振光束的产生方法及装置具有以下有益技术效果：

23、本发明提供了一种随机偏振光束的产生方法及装置，首先，利用连续激发光源单元产生高相干度的线偏振光束；然后，利用相位调制单元对普通激光光束进行调制，得到具有任意拓扑荷数的旋涡光束；最后，利用偏振调制单元将所述旋涡光束调制成随机偏振光束，所述随机偏振的响应范围可以覆盖庞加莱球表面上的任意一点。

24、本发明与现有技术相比，通过利用相位调制单元和偏振调制单元将普通激光光束调制成具有任意拓扑荷数随机偏振光束，调制效率高，偏振态分布均匀，成本低，具有很好的实用价值。

25、本申请的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

技术特征：

1.一种随机偏振光束的产生装置，其特征在于，该装置包括：

2.根据权利要求1所述的随机偏振光束的产生装置，其特征在于，所述激发光源单元包括激光光源和第一偏振片，第一偏振片的透偏方向与激光光源的出射光偏振方向保持一致，用于提高入射光束的偏振度。

3.根据权利要求1所述的随机偏振光束的产生装置，其特征在于，所述的随机偏振光束是具有任意相位定制的随机偏振态。

4.根据权利要求3所述的随机偏振光束的产生装置，其特征在于，所述的随机偏振态是由两个各自不断刷新的随机电压控制，随机电压用于决定液晶相位器件的相位在0-2π和0-π内变化。

5.根据权利要求4所述的随机偏振光束的产生装置，其特征在于，所述偏振调制单元包括电压产生单元、第一液晶相位片、第二液晶相位片和四分之一波片；电压产生单元用于生成两个不断刷新的对应相位范围内的随机电压，第一液晶相位片和第二液晶相位片分别由两个随机电压控制产生0-π和0-2π的相位延迟，四分之一波片用于系统的相位补偿。

6.根据权利要求5所述的随机偏振光束的产生装置，其特征在于，所述偏振调制单元包括随机相位产生单元；

7.根据权利要求6所述的随机偏振光束的产生装置，其特征在于，所述相位调制单元还包括二分之一波片和slm，二分之一波片用于旋转入射光束的偏振方向以增强slm出射光束中衍射一级的强度，slm用于控制产生任意拓扑荷数的相位。

8.一种随机偏振光束的产生方法，其特征在于，基于上权利要求1-7任一项所述的随机偏振光束的产生装置产生随机偏振光束，该随机偏振光束的产生方法，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的随机偏振光束的产生方法，其特征在于，所述的随机偏振态是由两个各自不断刷新的随机电压控制。

10.根据权利要求8所述的随机偏振光束的产生方法，其特征在于，所述偏振调制单元适用于对应波长的激光光束，并且光束的偏振态在庞加莱球赤道面和子午面上可以独立调控，包括：

技术总结
本发明适用于光束调控，提供了一种随机偏振光束的产生方法及装置，涉及光学调控技术领域，该方法包括利用连续激发光源单元产生高相干度的线偏振光束；利用相位调制单元对线偏振光束进行调制，得到具有任意拓扑荷数的旋涡光束；利用偏振调制单元将所述旋涡光束调制成随机偏振光束，所述随机偏振的响应范围可以覆盖庞加莱球表面上的任意一点。本发明提供的光束产生方法可将携带有任意拓扑荷数的旋涡光束调制成偏振态随机变化的光束，调制效率高，偏振态分布均匀，成本低，具有很好的实用价值。

技术研发人员：苟新鑫,林旻,杜路平,石鹏
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14