CN101178484A

CN101178484A - 任意偏振分布矢量光束的生成装置

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Publication number: CN101178484A
Application number: CNA2007101910856A
Authority: CN
Inventors: 丁剑平; 汪喜林; 陈璟; 樊亚仙; 王慧田
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2027-12-07
Also published as: CN100592137C

Abstract

本发明提供了任意偏振分布矢量光束的生成装置，在沿产生线偏振光的光源的光线方向上依次设置由计算机控制的空间光调制器、第一透镜、滤波器、两个四分之一波片、第二透镜和Rochi光栅；空间光调制器位于第一透镜的前焦面，第一透镜的后焦面设置滤波器；滤波器同时位于第二透镜的前焦面；Rochi光栅位于第二透镜的后焦面。两个四分之一波片紧贴滤波器背光源一面放置。本发明具有可以生成任意矢量光束的优点，更重要的是本发明所述的装置还能够实时动态地生成矢量光束。而且本装置大大降低了相干噪声对光束质量的影响，可以生成高质量的矢量光束，且产生方式是实时动态的。

Description

任意偏振分布矢量光束的生成装置

技术领域

本发明涉及矢量光束的生成装置，特别是一种动态实时的任意偏振分布矢量光束的生成装置。

背景技术

光波包含频率、位相、强度和偏振等方面的信息，我们进行科学研究所使用的光束通常是非偏振光或是线偏振、园偏振、椭圆偏振等形态的偏振光。这些光束的偏振特性比较简单，在垂直于光束传播方向的平面内其偏振分布是均匀的，被称为均匀偏振光束，一般情况下，可以使用标量光束模型分析描述其传播过程。处理这些光束的相关问题时，我们一般采用标量理论，所以这类光束又可以统称为标量光束。为了对光的偏振信息进行更好的利用，人们提出了矢量光束的概念。与标量光束不同，矢量光束是指偏振形态复杂或者传播行为对振动方向敏感的一类光束，这类光束的相关问题的处理必须采用矢量理论。

1993年，德国达姆施塔特应用物理研究所E.G.Churin等人获得了两种可配置偏振态的矢量光束(E.G.Churin，J.Ho feld，and T.Tschudi，“Polarizationconfigurations with singular point formed by computer generated holograms”，Opt.Commun 99，13-17(1993))。他们利用分束器将一束线偏振光分成偏振方向互相垂直的两束，然后利用1/4波片把这两束线偏振光分别转化为左旋的圆偏振光和右旋的圆偏振光，两束圆偏振光对称入射到事先制作好的计算全息光栅上，调节光栅使得一束入射圆偏振光的+1级衍射波和另一束圆偏振光的-1级衍射波相干叠加便可以产生矢量光束。这种方法的缺点是每一个计算全息图只能产生一种对应的矢量光束。要产生不同偏振态的矢量光束必须重新设计制作计算全息图并对光路进行再调节，其生成过程是离线工作方式。接下来的时间里，由于矢量光束的生成难度较大，其优点也未被充分认识，矢量光束方面的研究处于停滞状态。直到2000年，美国罗彻斯特大学光学研究中心K.S.Youngworth和T.G.Brown等人在Opt.Express上发表文章，理论上计算了两种特殊矢量光束在高数值孔径物镜聚焦下的性质，得到了引人属目的结果(K.S.Youngworthand T.G.Brown，Opt.Express 7，77(2000))。其中一种特殊矢量光束即径向偏振光通过高数值孔径的透镜聚焦后可以获得强的非传播纵向场分量，从而形成尖锐的焦点，而另一种特殊矢量光束即旋向偏振光可以通过聚焦获得中空光场。这些理论结果引起了光学界的广泛重视，光学工作者也开始投入大量精力研究矢量光束，尤其是它的产生方法。2002年以色列科学家Z.Bomzon等人在Opt.Lett.上发表文章，利用特定结构的随空间变化的亚波长介电栅，在10.6微米波长处获得了径向偏振光束和旋向偏振光束两种特殊的矢量光束(Z.Bomzon et al，，Optics Letters，27，285(2002))。2002年英国剑桥大学M.Neil等人利用Wollaston棱镜和二元铁电空间光调制器等设计了一个光学系统，不仅获得了径向偏振光束和旋向偏振光束而且得到了偏振态介于二者之间的一系列矢量光束(M.A.A.Neil et al，Opt ics Letters，27，1929(2002))。2005年美国芝加哥大学的K.Toussaint等人利用特殊设计的主要由两个衍射光学元件组成的光学系统，生成了和M.Neil的工作类似的矢量光束(K.C.Toussaint et al，Optics Letters，30，2846(2005))。2005年日本东北大学的Sato等人利用圆锥形的Brewster设计激光谐振腔生成径向偏振光束。并接着在2006年，又利用C-切割Nd:YVO₄晶体的双折射性质，设计了特殊的激光谐振腔生成径向偏振光束(Y.Kozawa and S.Sato，Optics Letters，30，3063(2005)；K.Yonezawa，Y.Kozawa，and S.Sato，Optics Letters，31，2151(2006))。2007年3月，奥地利因斯布鲁克医科大学的C.Maurer等人在New Jour.Phys.发表文章，利用Wollaston棱镜和反射式空间光调制器等组成光学系统，生成了拉盖尔-高斯光束这样一类特殊的矢量光束(C.Maurer et al，，New J.Phys.9，78(2007))。

在综上所述的研究中，生成的矢量光束种类有限，通常为某一类，例如拉盖尔-高斯光束，并且在需要生成不同种类的矢量光束时，必须对光路做出较大的调整，这些限制增加了生成矢量光束的技术难度和实验操作上的复杂性，不利于矢量光束获得更广泛的应用。而矢量光束在生物、医学、高能物理、材料科学、精密测量等领域具有重要的应用需求。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术不能在同一光路中同时生成多种任意偏振分布矢量光束的不足，本发明提供了一种能够在同一个光路中获得任意偏振态分布和多个偏振模式共存的矢量光束输出的任意偏振分布矢量光束的生成装置。

技术方案：本发明提供了一种任意偏振分布矢量光束的生成装置，在沿产生偏振光的光源的光线方向上依次设置由计算机控制的空间光调制器、第一透镜、滤波器、两个四分之一波片、第二透镜和朗奇光栅(即Rochi光栅)；空间光调制器位于第一透镜的前焦面，第一透镜的后焦面设置滤波器；滤波器同时位于第二透镜的前焦面；Rochi光栅位于第二透镜的后焦面。两个四分之一波片紧贴滤波器背光源一面放置。

将计算机生成的计算全息图加载到所述空间光调制器上形成计算全息光栅，从而实时调节±1级衍射光波之间的位相差，从而控制输出的矢量光束的偏振态分布。

所述产生偏振光的光源由激光器和第一线偏振器组成，第一线偏振器可以使得激光器射出光束的线偏振态更加纯净。

激光器和第一线偏振器之间设有旋转毛玻璃，其作用在于可以破坏光的空间相干性，抑制相干散斑噪声，使生成的光束更加均匀。

为了使产生矢量光束效率更高，所述朗奇光栅采用位相型朗奇光栅。

有益效果：本发明具有可以生成任意矢量光束的优点，更重要的是本发明所述的装置还能够实时动态地生成矢量光束。而且本装置大大降低了相干噪声对光束质量的影响，可以生成高质量的矢量光束。本生成装置可以对光的偏振状态进行调控，有助于挖掘和拓展光子的偏振信息，从而为更全面地利用光子的信息开辟新的途径。也为矢量光束在生物、医学、高能物理、材料科学、精密测量等领域开辟了更广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的结构设计示意图。

图2是本发明装置的一个具体实施方式图。

图3是利用本发明装置实现的m＝1单模矢量光束的生成。

图4是利用本发明装置实现的m＝1双模矢量光束的生成。

图5是利用本发明装置实现的m是整数的单模矢量光束的生成。

图6是利用本发明装置实现的m是整数的双模矢量光束的生成。

图7是利用本发明装置实现的m是半整数的矢量光束的生成。

图8是利用本发明装置实现的多种不同偏振态分布的矢量光束的生成。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步解释。

实施例1

如图1所示，本发明所述的任意偏振分布矢量光束的生成装置的核心在于，沿产生偏振光的光源1的光线方向依次设置由计算机控制的空间光调制器2、第一透镜3、滤波器4、两个四分之一波片5、第二透镜6和位相型朗奇光栅7；空间光调制器2位于第一透镜3的前焦面，第一透镜3的后焦面设置滤波器4；滤波器4同时位于第二透镜6的前焦面；位相型朗奇光栅7位于第二透镜6的后焦面；两个四分之一波片5紧贴滤波器4背光源一面放置。如图2所示，本发明所述任意偏振分布矢量光束的生成装置的完整优选技术方案如下：我们使用的激光器是Coherent公司的波长为532纳米的绿光激光器8，空间光调制器是Sony公司的透射式空间光调制器2，分辨率是1024×768，每个象素的尺寸是14微米×14微米。我们设置了一个4f光学系统来实现，这个4f系统包括两个共焦放置的焦距皆为400毫米的透镜L1和L2，放置在L1前焦面上的空间光调制器2，L1后焦面上的双孔滤波器4，紧贴每个孔的λ/4波片5和透镜L2后焦面的位相型Rochi光栅7。空间光调制器2前还设有用于确定入射线偏振光偏振方向的一个线偏振器9和破坏光束空间相干性的一块旋转毛玻璃10，以及如图2所设位置的为激光扩束所设置的三个透镜。Rochi光栅7后还设有用于检验矢量光束的一个线偏振器11以及探测矢量光束的电荷耦合器件12。将设计好的计算全息图加载到液晶空间光调制器2上生成所需的全息光栅，可以为不同衍射光级次提供特定相位差，这是基于光波叠加方法生成矢量光束的关键。一束线偏振光入射到空间光调制器2上，透过全息光栅后分成多级衍射光波，其中±1级衍射光波的位相总是相反。±1级衍射光在L1后焦面上被双孔滤波器4提取出，经过λ/4波片5被分别转换成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，再经过L2后焦面的Rochi光栅7使得左旋和右旋的两束圆偏振光重新共线叠加，便可获得所需的矢量光束。矢量光束的偏振态分布，可以通过检偏器11和电荷耦合器件12检测确定。

光波分束和叠加的原理如下：一束振动方向与x轴成45度夹角的线偏振光入射到空间光调制器上，空间光调制器加载了透过率为t(x，y)＝[1+γcos(2πf₀x+δ)]/2的计算全息光栅，其中γ和f₀分别为光栅的调制度和空间频率，δ为光栅条纹的相移。光栅的±1级衍射光经过两个光轴分别在x和y方向的四分之一波片后的振幅可用x和y振动分量的矢量表达式表示为

其中A₀为一任意常数因子。再经过Rochi光栅的衍射进行共线叠加，得到的输出光可用极坐标下的径向振动分量和旋向振动分量表示为E＝[E_ρ，E_]＝A₀[cos(δ-)，sin(δ-)]，其中ρ和分别为径向坐标和方位角坐标。显然，控制全息光栅的相移δ即可获得不同偏振分布的矢量光束。例如δ＝m+₀时，其中m为整数，₀是常数，则可生成偏振分布相对于光束中心对称的矢量光束，即柱对称矢量光束，m为非整数时，则是一种非柱对称矢量光束。

我们设计的4f系统，利用同一光束的自分解和自合成来生成矢量光束，原理简单，实验系统容易实现操作简便。该系统允许低相干度的入射光，可以大大降低相干噪声对光束质量的影响。计算机产生的全息图加载到空间光调制器上形成全息光栅，可以通过改变计算全息图来生成不同的全息光栅，为±1级衍射光提供特定的相位差，从而产生出所需的矢量光束，原理上可以生成任意偏振分布的矢量光束。克服现有技术在生成矢量光束时种类有限的局限性。生成不同的矢量光束不需要对光路做任何改变，只需改变投影的计算全息图，消除其它技术在生成不同矢量光束时必须调整光路的缺点，为矢量光束的应用提供了方便。

实施例2

按照图1原理搭建4f光学系统，依此构建的具体实验系统如图2所示。将图3中第2栏所示的计算全息图(CGH)投影在空间光调制器上，便可在图2中的CCD处得到与图3中第一栏所示偏振分布对应的柱对称矢量光束。CCD前未插入线偏振器2和插入线偏振器2的光束强度如图3中第3栏和第4栏所示，光束中心的暗点是由偏振态分布不确定性的奇点造成的。CCD前插入起检偏作用的线偏振器2时，光束强度分布中会出现消光方向，消光方向对应π/2-₀。在四个实验结果中消光方向在竖直方向即₀＝0对应的情况是径向偏振的光束，消光方向在消光方向在水平方向即₀＝π/2的分布对应于旋向偏振的光束，消光方向在45度和135度方向对应两种柱对称偏振分布的矢量光束。此图表明，利用我们的4f系统实现了m＝1单模矢量光束的生成。图3中的符号含义：全息光栅的相移取为涡旋位相分布δ＝+₀时的矢量光束，其中₀是常数，输出光束场强分布为

A₀是常数。图3中第一栏为Polarization，给出矢量光束的偏振态分布；第二栏为CGH，Computer Generated Hologram，计算全息图，投影在空间光调制器上生成全息光栅；第三栏为不加检偏器(Analyzer)时的矢量光束强度分布图；第四栏为加上检偏器后的矢量光束强度分布图，用于检验矢量光束的偏振状态；第二列为₀＝0，生成一种径向偏振光束；第三列为₀＝π/4，生成一种偏振状态介于径向和旋向之间的矢量光束；第四列为₀＝π/2，生成一种旋向偏振光束；第五列为₀＝3π/4，生成一种偏振状态介于旋向和径向之间的矢量光束。

实施例3

按照图1原理搭建4f光学系统，依此构建的具体实验系统如图2所示。将图4中第2栏所示的计算全息图投影在空间光调制器上，便可在图2中CCD处得到与图4第一栏所示偏振分布对应的矢量光束。内外模间偏振态的差异导致了场强分布中，在分界线处暗带的出现，并且暗带随着内外模间偏振态的差异的增强而逐渐变清晰，在内外模间的偏振态反向时达暗带最为清晰。与实例1相类似，同样存在中心奇点和加上线偏振器后出现消光方向的情形。在此利用我们的4f系统实现了m＝1双模矢量光束的生成。图4中的符号含义：给出了一类两种偏振模式共存的内外双模光束的实验结果，内模是指分布于半径r＝0到r＝r₀/2之间的一种偏振分布模式，在图4中内模都是径向偏振，其偏振态可表示为外模是指分布于半径r＝r₀/2到r＝r₀之间的偏振分布模式，图4中的外模为偏振态可表示为

的偏振分布，其中A₀是常数。图4中第一栏-Polarization，给出矢量光束的偏振态分布；第二栏-CGH，Computer Generated Hologram，计算全息图，投影在空间光调制器上生成全息光栅；第三栏—不加偏振片时的矢量光束强度分布图；第四栏—加上偏振片后的矢量光束强度分布图，用于检验矢量光束的偏振状态；第二列——生成一种内模为径向偏振和外模对应于₀＝3π/4的双模矢量光束；第三列——生成一种内模径向偏振和外模旋向偏振的双模矢量光束；第四列—生成一种内模径向偏振和外模对应于₀＝π/4的双模矢量光束；第五列—生成一种内外模均为径向偏振，但是偏振态反向的双模矢量光束。

实施例4

按照图1原理搭建4f光学系统，依此构建的具体实验系统如图2所示。将图5中第2栏所示的的计算全息图投影在空间光调制器上，便可在图2中CCD处得到与图5第一栏所示偏振分布对应的柱对称矢量光束。与实例1相类似，同样存在中心奇点。但加上线偏振器后出现消光方向的情形的情形与实例1不同，消光方向可以表示为kπ/m+π/2m，其中整数k＝0～m-1，消光方向的个数与拓扑数m相等。例如在m＝2的矢量光束中，加上线偏振器后，出现两个消光方向π/4和3π/4，与理论相一致。在此利用我们的4f系统实现了m是整数的单模矢量光束的生成。图5中的符号含义：全息光栅的相移取为涡旋位相分布δ＝m+₀时的矢量光束实验结果，其中m为整数表示涡旋的拓扑荷，输出场强分布为

其中A₀是常数，方位角，图中对应的整数m分别为2，3，5。图5中第一栏-Polarization，给出矢量光束的偏振态分布；第二栏-CGH，Computer Generated Hologram，计算全息图，投影在空间光调制器上生成全息光栅；第三栏为不加检偏器(Analyzer)时的矢量光束强度分布图；第四栏为加上检偏器后的矢量光束强度分布图，用于检验矢量光束的偏振状态；第二列-m＝2，生成一种拓扑数m＝2的单模矢量光束；第三列-m＝3，生成一种拓扑数m＝3的单模矢量光束；第四列-m＝5，生成一种拓扑数m＝5的单模矢量光束。

实施例5

按照图1原理搭建4f光学系统，依此构建的具体实验系统如图2所示。将图6中第2栏所示的计算全息图投影在空间光调制器上，便可在图2中CCD处得到与图6第一栏所示偏振分布对应的柱对称矢量光束。与实例2双模情形相类似，分界线处出现环带。与实例2不同之处是在同一环带中呈现亮暗变化趋势，最暗点消光，其位置出现在(2k-1)π/(m-1)，k＝0～m-1。与理论相一致。在此利用我们的4f系统实现了m是整数的双模矢量光束的生成。图6中的符号含义：类似图4，给出了一类内模场强与外模场强不同的双模矢量光束场强分布，内模是指分布于半径r＝0到r＝r₀/2之间的一种偏振分布模式，在图6中内模都是径向偏振，其偏振态可表示为

外模是指分布于半径r＝r₀/2到r＝r₀之间的偏振分布模式，图6中的外模为偏振态可表示为

的偏振分布，其中A₀是常数，是方位角，拓扑荷m分别取2，4，7。图6中第一栏-Polarization，给出矢量光束的偏振态分布；第二栏-CGH，Computer Generated Hologram，计算全息图，投影在空间光调制器上生成全息光栅；第三栏为不加检偏器(Analyzer)时的矢量光束强度分布图；第四栏为加上检偏器后的矢量光束强度分布图，用于检验矢量光束的偏振状态；第二列-m＝2表示生成的是一种内模径向偏振和外模m＝2的双模矢量光束；第三列-m＝4表示生成的是一种内模径向偏振和外模m＝4的双模矢量光束；第四列-m＝7表示生成的是一种内模径向偏振和外模m＝7的双模矢量光束。

实施例6

按照图1原理搭建4f光学系统，依此构建的具体实验系统如图2所示。将图7中第2栏所示的计算全息图计算全息图投影在空间光调制器上，便可在图2中CCD处得到对应图6第一栏所示的非柱对称分布的矢量光束。与实例1相类似，同样存在中心奇点。存在与实例1不同的地方是，这里还出现一条横向暗线，这条暗线是由于上下偏振态突变造成的。加上偏振器2之后同样会出现消光方向，与实例1的情况有所不同，这里的消光方向把光强分布图划分成2m个瓣，并且横向暗线始终存在。这些结果与理论相一致。在此利用我们的4f系统实现了m是半整数的矢量光束的生成。图7中的符号含义：给出了场强分布为

的矢量光束实验结果，其中A₀是常数，是方位角，拓扑荷m分别取半整数0.5和1.5。图7中第一栏-Polarization，给出矢量光束的偏振态分布；第二栏-CGH，Computer Generated Hologram，计算全息图，投影在空间光调制器上生成全息光栅；第三栏为不加检偏器(Analyzer)时的矢量光束强度分布图；第四栏为加上检偏器后的矢量光束强度分布图，用于检验矢量光束的偏振状态；第五栏—加上竖直方向偏振片的矢量光束强度分布图，用于检验矢量光束的偏振状态；第二列-m＝0.5，生成一种拓扑数是半整数m＝0.5的矢量光束；第三列-m＝1.5，生成一种拓扑数是半整数m＝1.5的矢量光束。

实施例7

按照图1原理搭建4f光学系统，依此构建的具体实验系统如图2所示。在本实例中我们把前面实例1，3，5中的情形在同一束矢量光束中实现，亦即本实例的矢量光束中在不同区域存在不同的偏振模式。该光束的偏振分布具体为：在左上四分之一区域是径向偏振光模式，右上四分之一区域是旋向偏振光模式，左下四分之一区域为m＝3的偏振模式，右下四分之一区域为m＝1.5的偏振模式。不同偏振模式间的分界线处根据偏振态差异的大小出现亮暗变化。在此利用我们的4f系统实现了同一光束中包含多种不同偏振态分布的矢量光束的生成。图8中的符号含义：给出了同一光束中四个不同矢量模式共存于不同区域的结果，四个模式分别对应于：径向偏振(RP)：旋向偏振(AP)：拓扑荷m＝3：

拓扑荷m＝1.5：

其中0是常数，是方位角。图8中第一栏—不加检偏器(Analyzer)时同一光束中不同区域包含不同偏振态的矢量光束强度分布图；第二栏—加上水平方向检偏器后的矢量光束强度分布图，用于检验矢量光束的偏振状态；第二列—生成一种不同区域多种模式矢量光共存的矢量光束。

Claims

1.一种任意偏振分布矢量光束的生成装置，其特征在于，沿产生线偏振光的光源(1)的光线方向依次设置由计算机控制的空间光调制器(2)、第一透镜(3)、滤波器(4)、两个四分之一波片(5)、第二透镜(6)和朗奇光栅(7)；空间光调制器(2)位于第一透镜(3)的前焦面，第一透镜(3)的后焦面设置滤波器(4)；滤波器(4)同时位于第二透镜(6)的前焦面；朗奇光栅(7)位于第二透镜(6)的后焦面；两个四分之一波片(5)紧贴滤波器(4)背光源一面放置。

2.根据权利要求1所述的任意偏振分布矢量光束的生成装置，其特征在于，将计算机生成的计算全息图加载到所述空间光调制器(2)上形成计算全息光栅。

3.根据权利要求1所述的任意偏振分布矢量光束的生成装置，其特征在于，所述产生偏振光的光源(1)由激光器(8)和第一线偏振器(9)组成。

4.根据权利要求1所述的任意偏振分布矢量光束的生成装置，其特征在于，激光器(8)和第一线偏振器(9)之间设有旋转毛玻璃(10)。

5.根据权利要求1位相型所述的任意偏振分布矢量光束的生成装置，其特征在于，上述朗奇光栅(7)采用位相型朗奇光栅。