CN106324850A - 一种产生矢量涡旋光束的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种产生矢量涡旋光束的方法和装置，属于矢量涡旋光束技术领域，为解决如何采用较为简单的方法和装置产生高质量的矢量涡旋光束的问题，激光器出射的激光光束经扩束镜和准直镜后准直扩束，在扩束镜和准直镜的之间焦点位置设置针孔，对激光光束滤波；准直扩束后的光束经过孔径光阑再正入射到起偏器，产生的线偏振光入射到消偏振分束器，经过消偏振分束器透射的线偏振光到达反射式纯位相液晶空间光调制器的作用窗口，通过PC控制端加载灰度图对线偏振光进行位相调制，获得相应的涡旋光束；涡旋光经过消偏振分束器后光路反射，经过1/4波片后变为圆偏振光入射到径向分析器，产生径向偏振涡旋光束；再经过偏振旋转器获得所需要的矢量涡旋光束。

Description

一种产生矢量涡旋光束的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种产生矢量涡旋光束的方法和装置，属于矢量涡旋光束技术领域。

背景技术

矢量涡旋光束是指在光束横截面内同时具有非均匀偏振态和螺旋位相结构的新型光束。矢量涡旋光束相比与其他光束，具有很多特殊的性质，在超分辨成像、激光精密加工、微粒操纵、数据存储和遥感等领域都具有潜在的应用价值，对矢量涡旋光束的产生方法研究更是备受关注。同时也提出了许多新的产生方法，如腔内Sagnac干涉法、锥形布儒斯特棱镜法、螺旋相位板法、分区延迟法、干涉法和亚波长光栅法等。

国内中国科学院上海光学精密机械研究所李建郎首次发表了基于空心光束泵浦的微片激光器中直接输出矢量涡旋光束的研究[IEEEJ.Sel.TopQuantumElectron，21，1600406，2015；Appl.Phys.B，117，219，2014；China.Opt.Lett，13，031405，2015]。尽管出现了很多产生方法，但是大多数都只是针对某一种特定的矢量涡旋光束而设计的，在实际使用过程中往往会受限制。因此，近几年开始将重点集中于任意矢量涡旋光束产生方法的研究，国内南京大学和山东师范大学结合液晶空间光调制器构成共光路干涉仪装置，实现了任意矢量涡旋光束的产生[Opt.Lett，32(24):3549-51,2008]。但是这种共光路干涉仪装置结构复杂，对光路中光学元件的位置精度要求非常高，所需的衍射光学元件不易获得，成本高。

近几年来，针对矢量涡旋光束产生方法提出了很多新方法，专利CN105182547A提出一种基于双折射偏振分束器产生矢量拉盖尔-高斯光束的方法及装置，采用4f空间滤波成像光路，并结合计算全息图实现矢量光束的输出。该方法最显著的特点是：在计算全息图和双折射分束器之间不需要任何其他元件，但是这种方法最大的缺点是产生的矢量拉盖尔-高斯光束的偏振态没法调控。专利US7599069B2与专利CN102289080A相类似，均是采用相干叠加的方法获得矢量光束，不同的是US7599069B2中采用的是衍射光学元件对光束进行位相编码，虽然可以提高产生的矢量光束的相对质量，但该方法装置同样也对光路要求很高，衍射元件需要进行特定设计，制作过程复杂，成本较高。

综上所述，如何采用较为简单的方法和装置产生矢量涡旋光束，同时还能保证光束质量，这仍然是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明为了解决如何采用较为简单的方法和装置产生高质量的矢量涡旋光束的问题，提出一种可以产生矢量涡旋光束的方法和装置。

本发明采用的技术方案是：

一种产生矢量涡旋光束的装置，其特征是，该装置中激光器、扩束镜、针孔、准直镜、孔径光阑、起偏器、消偏振分束器和反射式纯位相液晶空间光调制器依次同轴设置，PC控制端与反射式纯位相液晶空间光调制器相连；1/4波片、径向分析器、偏振旋转器、会聚镜和CCD相机与消偏振分束器的入射光轴垂直的方向同轴设置；

激光器出射的激光光束经扩束镜和准直镜后准直扩束，在扩束镜和准直镜的之间焦点位置设置针孔，对激光光束滤波；

准直扩束后经过孔径光阑选择入射光束直径，光束再正入射到起偏器，产生的线偏振光入射到消偏振分束器，经过消偏振分束器透射的线偏振光到达反射式纯位相液晶空间光调制器的作用窗口，通过PC控制端加载灰度图对线偏振光进行位相调制，获得相应的涡旋光束；

反射式纯位相液晶空间光调制器出射涡旋光，涡旋光经过消偏振分束器后光路反射，反射光经过1/4波片后变为圆偏振光入射到径向分析器，产生径向偏振涡旋光束；

径向偏振涡旋光束再经过偏振旋转器获得所需要的矢量涡旋光束；

矢量涡旋光束经过会聚镜，对矢量涡旋光束进行聚焦到达CCD相机上，形成中空圆环状的光强分布。

所述的消偏振分束器是一种将入射光束分为两支相互垂直传播的出射光束，且不改变入射光束的偏振态，消偏振分束器的分光比为1:1。

所述的反射式纯位相液晶空间光调制器的有效液晶尺寸大于等于入射平行光束的直径，且所述的起偏器的出射偏振态与反射式纯位相液晶空间光调制器所要求的入射光束偏振态相一致。

所述的径向分析器是将偏振空间均匀分布的入射光束转换为偏振空间非均匀分布的矢量光束，且采用准直圆偏振光作为入射光束。

所述的偏振旋转器是由第一1/2波片和第二1/2波片组成；通过改变两个1/2波片的快轴之间的夹角实现对光束偏振方向进行对应的旋转，可实现径向偏振矢量光束与角向偏振涡旋光束或广义矢量涡旋光束之间的连续转换。

产生矢量涡旋光束的方法，其特征是，该方法包括如下步骤：

步骤一，激光器出射的激光光束经扩束镜和准直镜后准直扩束，在扩束镜和准直镜的之间焦点位置设置针孔，对激光光束滤波；准直扩束后的光束经过孔径光阑选择入射光束直径，光束再正入射到起偏器，其透射光将获得水平线偏振光；

步骤二，步骤一中产生的线偏振光入射到消偏振分束器，经过消偏振分束器的透射光仍为线偏振光，到达反射式纯位相液晶空间光调制器的作用窗口，正入射到反射式纯位相液晶空间光调制器进行位相调制；

步骤三，通过PC控制端将加载位相调制灰度图到反射式纯位相液晶空间光调制器，根据灰度值与位相之间的对应关系，对入射的水平线偏振光进行相应的位相调制，经反射式纯位相液晶空间光调制器调制后，获得所需要的涡旋光束；

步骤四，调制后获得的涡旋光束，经过消偏振分束器发生反射，将光路折转90°，但光束的偏振态仍为线偏振光，再经过1/4波片对光束偏振态进行作用，将线偏振光转换为圆偏振光；

步骤五，圆偏振光入射到径向分析器，出射产生径向偏振矢量涡旋光束；

步骤六，上述所得径向偏振矢量涡旋光束经过偏振旋转器，通过调整其中的第一1/2波片和第二1/2波片快轴之间的夹角大小，对径向偏振矢量涡旋光束进行偏振方向调制，获得最终所需要的矢量涡旋光束；

步骤七，产生的矢量涡旋光束经过会聚镜聚焦到达CCD相机，在光敏面上得到矢量涡旋光束所具有的中空圆环状光强分布。

本发明具有以下技术效果：

1、本发明基于反射式纯位相液晶空间光调制器和偏振旋转器，提出一种产生矢量涡旋光束的方法和装置，具有很好的通用性。

2、本发明采用“双调制”的方法，分别对光束的位相调制和偏振方向调制，这种产生矢量涡旋光束的方法不仅实时性好，而且还可以实现快速响应。

3、本发明采取的是在PC控制端加载不同的灰度图调控产生的涡旋光束又或是旋转偏振旋转器对矢量涡旋光束的偏振方向进行调控，根据实际需要，采取二选一或者是二者同时调控，即可获得所需的矢量涡旋光束，同时还能保证产生的矢量涡旋光束的质量，该方法灵活性强。

4、本发明提出的产生矢量涡旋光束的方法和装置，所涉及到的光学元器件都是最基本的，装置结构简单易行、光路稳定性好、实用性强。

这种产生矢量涡旋光束的方法和装置对矢量涡旋光束在工程中的应用和推广具有重要意义。

附图说明

图1是本发明产生矢量涡旋光束的装置示意图。

图2是本发明所述偏振旋转器的原理示意图。

其中，1、激光器；2、扩束镜；3、针孔；4、准直镜；5、孔径光阑；6、起偏器；7、消偏振分束器；8、反射式纯位相液晶空间光调制器；9、PC控制端；10、1/4波片；11、径向分析器RA；12、偏振旋转器；12-1、第一1/2波片；12-2、第二1/2波片；13、会聚镜；14、CCD相机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细叙述。

如图1所示，一种产生矢量涡旋光束的装置，该装置是由激光器1、扩束镜2、针孔3、准直镜4、孔径光阑5、起偏器6、消偏振分束器7、反射式纯位相液晶空间光调制器8、PC控制端9、1/4波片10、径向分析器11、偏振旋转器12、会聚镜13和CCD相机14组成。

激光器1、扩束镜2、针孔3、准直镜4、孔径光阑5、起偏器6、消偏振分束器7和反射式纯位相液晶空间光调制器8依次同轴设置，PC控制端9与反射式纯位相液晶空间光调制器8相连；1/4波片10、径向分析器11、偏振旋转器12、会聚镜13和CCD相机14与消偏振分束器7的入射光轴垂直的方向同轴设置。

激光器1出射的激光光束经针孔3滤波，经扩束镜2和准直镜4后准直扩束，准直扩束后经过孔径光阑（5）选择入射光束直径，光束再正入射到起偏器6，产生的线偏振光入射到消偏振分束器7，经过消偏振分束器7透射的线偏振光到达反射式纯位相液晶空间光调制器8的作用窗口，通过PC控制端9加载灰度图对线偏振光进行位相调制，获得相应的涡旋光束，反射式纯位相液晶空间光调制器8出射涡旋光，涡旋光经过消偏振分束器7后光路反射，反射光经过1/4波片10后变为圆偏振光入射到径向分析器11，产生径向偏振涡旋光束。

如图2所示，偏振旋转器12是由第一1/2波片12-1和第二1/2波片12-2组成；通过改变两个1/2波片的快轴之间的夹角实现对光束偏振方向进行对应的旋转，可实现径向偏振矢量光束与角向偏振涡旋光束或广义矢量涡旋光束之间的连续转换。

矢量涡旋光束经过会聚镜13，对矢量涡旋光束进行聚焦到达CCD相机14上，形成中空圆环状的光强分布。

所述的消偏振分束器7是一种将入射光束分为两支相互垂直传播的出射光束，且不改变入射光束的偏振态。消偏振分束器7的分光比为1:1。

所述的反射式纯位相液晶空间光调制器8的有效液晶尺寸大于等于入射平行光束的直径，且所述的起偏器6的出射偏振态与反射式纯位相液晶空间光调制器8所要求的入射光束偏振态相一致。

所述的径向分析器11是将偏振空间均匀分布的入射光束转换为偏振空间非均匀分布的矢量光束。一般都采用准直圆偏振光作为入射光束。

所述的起偏器6，用于产生反射式纯位相液晶空间光调制器8所需的入射偏振态。

所述的1/4波片10是将经起偏器6产生的线偏振光转换为圆偏振光，圆偏振光入射到径向分析器11产生径向偏振涡旋光束。

产生矢量涡旋光束的方法，具体步骤如下：

步骤一，激光器1出射的激光光束经扩束镜2和准直镜4后准直扩束，在扩束镜2和准直镜4的之间焦点位置设置针孔3，对激光光束滤波；准直扩束后的光束经过孔径光阑（5）选择入射光束直径，光束再正入射到起偏器6，其透射光将获得水平线偏振光，表达为琼斯矢量为：

步骤二，步骤一中产生的线偏振光入射到消偏振分束器7，经过消偏振分束器7透射的线偏振光到达反射式纯位相液晶空间光调制器8的作用窗口，正入射到反射式纯位相液晶空间光调制器8进行纯位相调制，琼斯矢量仍为：

步骤三，通过PC控制端9将加载位相调制灰度图到反射式纯位相液晶空间光调制器8，根据灰度值与位相之间的对应关系，对入射的水平线偏振光进行相应的位相调制，获得拉盖尔-高斯涡旋光束，其位相调制函数可表达为：

其中l、p分别为角向指数和径向指数，为拉盖尔多项式，w₀为束腰半径，θ为单位阶跃函数。

经反射式纯位相液晶空间光调制器8调制后，获得相应的拉盖尔-高斯涡旋光束，其表达式为：

$\begin{array}{c}{u}_p^l(r,\mathrm{\φ},z)=\frac{{(-1)}^p}{w_z}\·\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}\·\frac{p!}{(p+|l\left|\right)!}}\·{\left(\frac{\sqrt{2}r}{w_z}\right)}^{\left|l\right|}\·L_p^{\left|l\right|}\left(\frac{2r^2}{{w_z}^2}\right)\·\exp \left(-\frac{r^2}{{w_z}^2}\right)\\ \×\exp \left(-\frac{{\mathrm{ir}}^2\·z}{{w_z}^2\·z_R}\right)\·\exp \left(-i\left(2P+\left|l\right|+1\right)\·{\tan }^{-1}\left(\frac{z}{z_R}\right)\right)\·\exp \left(il\mathrm{\φ}\right)\end{array}$

其中，为Gouy位相，z_R为瑞利距离，exp(ilφ)为拉盖尔-高斯光束的螺旋位相项。

步骤四，调制后获得的拉盖尔-高斯涡旋光束，经过消偏振分束器7发生反射，将光路折转90°，但光束的偏振态仍为线偏振光，再经过1/4波片10对光束偏振态作用，其1/4波片10的琼斯作用矩阵为：

$J_1=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\begin{array}{cc}1& i\\ i& 1\end{array}\right)$

其中1/4波片10的快轴方向与x轴成-45°；

由此可获得左旋圆偏振光，其琼斯矢量为：

进行归一化处理，并转换为在极坐标系的表达形式，即

其中和分别为直角坐标系的单位矢量，和为极坐标系的单位矢量。

步骤五，圆偏振光入射到径向分析器11，调制产生径向偏振拉盖尔-高斯涡旋光束，其表达式为：

步骤六，若需要获得其它偏振分布形式的拉盖尔-高斯涡旋光束，则通过偏振旋转器12对偏振方向进行旋转调制，即调整两个快轴方向成一定夹角的第一1/2波片12-1和第二1/2波片12-2，偏振旋转器12的琼斯作用矩阵为：

当时，即第一1/2波片12-1和第二1/2波片12-2快轴之间的夹角旋转至45°时，经过径向分析器11之后获得的径向偏振拉盖尔-高斯涡旋光束再经过偏振旋转器12后，获得的光束的琼斯矢量为：

由此可得，当第一1/2波片12-1和第二1/2波片12-2快轴之间的夹角旋转至45°时，径向偏振拉盖尔-高斯涡旋光束经过偏振旋转器12可以转换为角向偏振拉盖尔-高斯涡旋光束。

上述获得的角向偏振拉盖尔-高斯光束经过会聚镜13聚焦到达CCD相机14，在光敏面上形成中空圆环状的光强分布。

在实际工程应用中，需要获得其它的矢量涡旋光束，如角向偏振涡旋光束或广义矢量涡旋光束等，因此，本发明综合考虑多种因素，提出可以采用在PC控制端9加载不同的灰度图调控产生的涡旋光束又或是旋转偏振旋转器12对矢量涡旋光束的偏振方向进行调控，根据实际需要，采取二选一或者是二者同时调控，即可获得所需的矢量涡旋光束。

Claims (6)

1.一种产生矢量涡旋光束的装置，其特征是，该装置中激光器(1)、扩束镜(2)、针孔(3)、准直镜(4)、孔径光阑(5)、起偏器(6)、消偏振分束器(7)和反射式纯位相液晶空间光调制器(8)依次同轴设置，PC控制端(9)与反射式纯位相液晶空间光调制器(8)相连；1/4波片(10)、径向分析器(11)、偏振旋转器(12)、会聚镜(13)和CCD相机(14)与消偏振分束器(7)的入射光轴垂直的方向同轴设置；

激光器(1)出射的激光光束经扩束镜(2)和准直镜(4)后准直扩束，在扩束镜(2)和准直镜(4)的之间焦点位置设置针孔(3)，对激光光束滤波；

准直扩束后经过孔径光阑(5)选择入射光束直径，光束再正入射到起偏器(6)，产生的线偏振光入射到消偏振分束器(7)，经过消偏振分束器(7)透射的线偏振光到达反射式纯位相液晶空间光调制器(8)的作用窗口，通过PC控制端(9)加载灰度图对线偏振光进行位相调制，获得相应的涡旋光束；

反射式纯位相液晶空间光调制器(8)出射涡旋光，涡旋光经过消偏振分束器(7)后光路反射，反射光经过1/4波片(10)后变为圆偏振光入射到径向分析器(11)，产生径向偏振涡旋光束；

径向偏振涡旋光束再经过偏振旋转器(12)获得所需要的矢量涡旋光束；

矢量涡旋光束经过会聚镜(13)，对矢量涡旋光束进行聚焦到达CCD相机(14)上，形成中空圆环状的光强分布。

2.根据权利要求1所述的一种产生矢量涡旋光束的装置，其特征在于，所述的消偏振分束器(7)是一种将入射光束分为两支相互垂直传播的出射光束，且不改变入射光束的偏振态，消偏振分束器(7)的分光比为1:1。

3.根据权利要求1所述的一种产生矢量涡旋光束的装置，其特征在于，所述的反射式纯位相液晶空间光调制器(8)的有效液晶尺寸大于等于入射平行光束的直径，且所述的起偏器(6)的出射偏振态与反射式纯位相液晶空间光调制器(8)所要求的入射光束偏振态相一致。

4.根据权利要求1所述的一种产生矢量涡旋光束的装置，其特征在于，所述的径向分析器(11)是将偏振空间均匀分布的入射光束转换为偏振空间非均匀分布的矢量光束，且采用准直圆偏振光作为入射光束。

5.根据权利要求1所述的一种产生矢量涡旋光束的装置，其特征在于，所述的偏振旋转器(12)是由第一1/2波片(12-1)和第二1/2波片(12-2)组成；通过改变两个1/2波片的快轴之间的夹角实现对光束偏振方向进行对应的旋转，可实现径向偏振矢量光束与角向偏振涡旋光束或广义矢量涡旋光束之间的连续转换。

6.产生矢量涡旋光束的方法，其特征是，该方法包括如下步骤：

步骤一，激光器(1)出射的激光光束经扩束镜(2)和准直镜(4)后准直扩束，在扩束镜(2)和准直镜(4)的之间焦点位置设置针孔(3)，对激光光束滤波；准直扩束后的光束经过孔径光阑(5)选择入射光束直径，光束再正入射到起偏器(6)，其透射光将获得水平线偏振光；

步骤二，步骤一中产生的线偏振光入射到消偏振分束器(7)，经过消偏振分束器(7)的透射光仍为线偏振光，到达反射式纯位相液晶空间光调制器(8)的作用窗口，正入射到反射式纯位相液晶空间光调制器(8)进行位相调制；

步骤三，通过PC控制端(9)将加载位相调制灰度图到反射式纯位相液晶空间光调制器(8)，根据灰度值与位相之间的对应关系，对入射的水平线偏振光进行相应的位相调制，经反射式纯位相液晶空间光调制器(8)调制后，获得所需要的涡旋光束；

步骤四，调制后获得的涡旋光束，经过消偏振分束器(7)发生反射，将光路折转90°，再经过1/4波片(10)对光束偏振态进行作用，将线偏振光转换为圆偏振光；

步骤五，圆偏振光入射到径向分析器(11)，出射产生径向偏振矢量涡旋光束；

步骤六，上述所得径向偏振矢量涡旋光束经过偏振旋转器(12)，通过调整其中的第一1/2波片(12-1)和第二1/2波片(12-2)快轴之间的夹角大小，对径向偏振矢量涡旋光束进行偏振方向调制，获得最终所需要的矢量涡旋光束；

步骤七，产生的矢量涡旋光束经过会聚镜(13)聚焦到达CCD相机(14)，在光敏面上得到矢量涡旋光束所具有的中空圆环状光强分布。