CN102749718A - 基于梯形塞纳克干涉仪产生任意矢量光场的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用梯形塞纳克干涉仪和计算全息图产生任意矢量光场的方法及装置，其特征在于：光源的输出光的光轴上设有梯形塞纳克干涉仪，梯形塞纳克干涉仪输出端的光轴上按顺序设有傅里叶变换透镜和小孔滤波器，经过小孔滤波器后得到+1级衍射光分量，调整图像采集系统使其位于全息图的共轭像平面上，采集所形成的矢量光场。本发明提出的方法及装置，所用器件简单，不仅可以改善光束的稳定性，也简化了光束叠加时的同轴性调节过程，同时，也可以方便地实现具有任意偏振态分布的矢量光场的产生和调节。

Description

基于梯形塞纳克干涉仪产生任意矢量光场的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种利用梯形塞纳克干涉仪和计算全息图产生任意矢量光场的方法及装置，属于光电技术领域。

背景技术

矢量光场是一种偏振态随着横向空间位置不同而变化的光场，其中一种特例就是偏振态呈空间柱对称分布，故称为柱矢量光场。由于偏振态的空间非均匀性以及奇异性，矢量光场经高数值孔径透镜紧聚焦时，将产生具有独特角动量和偏振态的焦场。特别是通过衍射光学元件调制后，可以产生出光针、光笼、光链等奇异形状的焦场。矢量光场的这些聚焦特性，在基础科学研究和实际工程应用中，例如超分辨成像、超精细加工、等离子体聚焦、光学微操控等，将有可能扮演重要的角色。

目前，人们提出了多种产生矢量光场的方法。这些方法主要可分为两类：直接法和间接法。所谓直接法，是通过设计光学元件，比如液晶、亚波长光栅、相位光学元件、扇形半波片、螺旋相位延迟器等，将传统激光器输出光束的偏振态直接转换为柱对称偏振态；所谓间接法，则主要是由两束或多束偏振态和相位经过调制的光场，通过同轴叠加形成矢量光场，故通常又称为干涉法。干涉法尽管稳定性稍差，但其灵活性很高，调节方便，故更加适合产生具有复杂偏振态分布的光场。

利用干涉法产生矢量光场时，一般可通过两束振动方向相互正交的线偏振光、或旋向相反的圆偏振光叠加来实现。对于两束圆偏振光，它们的琼斯矢量分别为[1,i]^T和[1,-i]^T。如果分别给它们附加相移δ₁和δ₂，则两束光的电场强度矢量E₁和E₂可分别表示为

$E_1=\mathrm{Aexp}\left(i{\mathrm{\δ}}_1\right)\left[\begin{array}{c}1\\ i\end{array}\right],$ $E_2=\mathrm{Aexp}\left(i{\mathrm{\δ}}_2\right)\left[\begin{array}{c}1\\ -i\end{array}\right]$

其中，A是两束光的振幅。则两束光的叠加光场表示为

$E=E_1+E_2=2\mathrm{Aexp}\left(i\frac{{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2}{2}\right)\left[\begin{array}{c}\cos \frac{{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2}{2}\\ \sin \frac{{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2}{2}\end{array}\right]$

上式可表示偏振态任意分布的光场。

上述具有附加相移的光场，可通过特殊设计一幅计算全息图，并通过对其进行全息再现而获得。为了实时调节光场相移，计算全息图可加载在一个空间光调制器上。

产生矢量光场的干涉法中，线偏振光叠加法对初始光束模式质量的要求较高，且时间稳定性较差，光束的同轴性也较难满足；圆偏振光叠加时，尽管稳定性得到改善，但同轴性调节所需条件仍然较为苛刻。例如，公开号为CN101178484的专利中，通过朗琴（Ronchi）光栅来实现两束圆偏振光的同轴叠加。然而，这要求该光栅周期与计算全息图匹配，从而限制了该方法的灵活性。

发明内容

要解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提出一基于梯形塞纳克干涉仪产生矢量光场的方法及装置。

技术方案

一种基于梯形塞纳克干涉仪产生任意矢量光场的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将激光器发出的线偏振光束的偏振方向旋转，使其偏振方向与水平方向夹角为45°；

步骤2：将步骤1得到的光束分为强度相同、偏振方向分别沿水平和竖直方向的的两束线偏振光束s分量和p分量；

步骤3：使两束线偏振光束分别由计算全息图的前后两侧相向通过，且两束线偏振光束所通过的路径长度完全相等；

步骤4：将通过计算全息图的s分量和p分量同轴叠加，并使两束线偏振光束s分量和p分量分别转化为左旋和右旋的圆偏振光束；

步骤5：对左旋和右旋的圆偏振光束进行光学傅里叶变换，得到左旋和右旋的圆偏振光束的频谱；

步骤6：对频谱进行滤波，使得+1级衍射光分量通过；

步骤7：在全息图的共轭像平面上得到矢量光场。

一种实现所述基于梯形塞纳克干涉仪产生任意矢量光场的方法的装置，其特征在于包括光源1、梯形塞纳克干涉仪2、傅里叶变换透镜3、小孔滤波器4和图像采集系统5；光源1的输出光的光轴上设有梯形塞纳克干涉仪2，梯形塞纳克干涉仪2输出端的光轴上按顺序设有傅里叶变换透镜3和小孔滤波器4，经过小孔滤波器4后得到+1级衍射光分量，调整图像采集系统5使其位于全息图的共轭像平面上，采集所形成的矢量光场；所述梯形塞纳克干涉仪包括半波片6、偏振分光棱镜7、第一反射镜8、第二反射镜9、第三反射镜10、计算全息图11和四分之一波片12；偏振分光棱镜7、第一反射镜8、第二反射镜9和第三反射镜10置于直角梯形的四个顶点处，沿着入射光的光轴顺序排列为半波片6、偏振分光棱镜7和第三反射镜10；半波片6旋转激光器出射的线偏振光束的偏振方向，使其偏振方向与水平方向夹角为45°，然后偏振分光棱镜7将光束分为强度相同、偏振方向相互正交的两束线偏振光束s分量和p分量；在偏振光束s分量的光轴上设有第一反射镜8，光束s分量由反射镜8反射后，经过计算全息图11到达第二反射镜9，然后经过第三反射镜10到达偏振分光棱镜7；p分量依次经过第三反射镜10、第二反射镜9、计算全息图11和第一反射镜8后到达偏振分光棱镜7；偏振光束s分量和p分量分别经过偏振分光棱镜7的反射和透射，从同一方向上同轴出射；在出射方向上设有四分之一波片12，四分之一波片12将两个线偏振分量分别转化为左旋和右旋的圆偏振光束作为梯形塞纳克干涉仪的输出光束。所述+1级衍射光分量为梯形塞纳克干涉仪2中计算全息图的+1级衍射光分量。

所述计算全息图11具有光栅状结构，刻制在透明介质平板上或直接显示在一个空间光调制器上。

所述图像采集系统5为电荷耦合器件。

所述光源1为单模激光器，包括氩离子激光器、氦氖激光器或半导体激光器。

有益效果

本发明提出一基于梯形塞纳克干涉仪产生矢量光场的方法及装置，所用器件简单，不仅可以改善光束的稳定性，也简化了光束叠加时的同轴性调节过程，同时，也可以方便地实现具有任意偏振态分布的矢量光场的产生和调节。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；图中，1-光源，2-梯形塞纳克干涉仪，3-傅里叶变换透镜，4-小孔滤波器，5-图像采集系统，6-半波片，7-偏振分光棱镜，8-第一反射镜，9-第二反射镜，10-第三反射镜，11-计算全息图，12-四分之一波片。

图2为塞纳克干涉光路中计算全息图位置的示意图。

图3为本发明实施例1所用计算全息图及其空间频谱示意图。

图4为本发明实施例2所用计算全息图及其空间频谱叠加示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：本发明实施例提出产生矢量光场的方法如图1所示，竖直偏振的线偏振光束由光源1发出，经半波片6后转化为偏振方向与水平方向夹角45°的线偏振光束，再由偏振分光棱镜7分为两束强度相同、偏振方向相互正交的线偏振光束：s分量和p分量。为了使两束线偏振光在通过计算全息图后所经过的路径相同，将计算全息图置于如图2所示的e处，使ab+bc+ce=ad+de。两个线偏振的s分量和p分量通过计算全息图11后，再分别由偏振分光棱镜7反射和透射，从同一方向上同轴出射。通过调节任一反射镜的角度即可对两束线偏振光的同轴性进行调整。经偏振分光棱镜7的出射光束由四分之一波片12分别转化为左旋和右旋的圆偏振光束。两束光在透镜3的傅里叶变换平面上经小孔滤波器4滤波，仅让全息图对它们的+1级衍射光分量通过。另外，傅里叶变换透镜3也对计算全息图11成像，在全息图的共轭像平面上由图像采集系统5采集，获得矢量光场。

实施例1

本实施例使用如图3左图所示的一维计算全息图，其光栅周期沿竖直方向。假设计算全息图的透射函数可表示为

$t(x,y)=\frac{1}{2}[1+\cos (\frac{2\mathrm{\πy}}{D}+\mathrm{\δ})]$

其中，D为光栅周期，δ为附加相移。此时，计算全息图对s分量和p分量的透射函数分别为

$t_s=\frac{1}{2}[1+\cos (\frac{2\mathrm{\πy}}{D}+\mathrm{\δ})],$ $t_p=\frac{1}{2}[1+\cos (\frac{2\mathrm{\πy}}{D}-{\mathrm{\δ}}_{-})]$

其中，δ_-=δ(-x，y)。通过对计算全息图11的位置进行左右微调，可调节s分量和p分量的相位差

两束光的空间频谱如图3右图所示，它们的+1级和-1级空间位置刚好重合。如果使用小孔滤波器进行滤波，仅让+1级衍射光通过，则两束圆偏振光附加的相移分别为：

那么，叠加光场为

上式可以表示任意线偏振矢量光束，且光束局域的偏振方向取决于δ。但是，所产生的光场会附加相位分布

为消除该相位分布的影响，可设计全息图，使δ_-=-δ+δ₀，其中δ₀为常数。例如，采用传统的涡旋相位，即为柱坐标系的极化角，m为拓扑荷值），则此时形成矢量光束的偏振态为

实施例2

本实施例使用如图4左上图所示的二维计算全息图。假设计算全息图的透射函数可表示为

$t(x,y)=\frac{1}{4}\{2+\cos [\frac{2\mathrm{\π}(x+y)}{D}+{\mathrm{\δ}}_1]+\cos [\frac{2\mathrm{\π}(x-y)}{D}+{\mathrm{\δ}}_{2-}\left]\right\}$

其中，δ_2-=δ₂(-x，y)。它可以看作如图4所示两个相互正交的倾斜一维计算全息图（透射函数分别为{1+cos[2π(x+y)/D+δ₁]}/4和{1+cos[2π(x+y)/D+δ_2-]}/4）的叠加，其中，δ₁和δ_2-分别表示全息图1和全息图2的附加相移。同时，二维全息图的空间频谱也可看作这两个一维全息图空间频谱的叠加。对于倾斜的一维全息图，梯形塞纳克干涉仪产生的两束光（s分量和p分量）的空间频谱也相互错开，如图4下排所示，其中两个分量的±1级频谱分别用±1_s和±1_p表示。很明显，全息图1的+1_p级频谱（附加相移为δ₁）与全息图2的+1_s级频谱（附加相移为δ₂）刚好重合。通过小孔滤波器滤波（如图4左下图中的虚线圆圈所示），并调节两束光的相位差

可获得叠加光场为

$2\mathrm{Aexp}\left(i\frac{{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2}{2}\right)\left[\begin{array}{c}\cos \frac{{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2}{2}\\ \sin \frac{{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2}{2}\end{array}\right]$

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，光束的相位取决于δ₁+δ₂，光束的偏振方向取决于δ₁-δ₂。例如，要产生携带一阶涡旋相位

的角向矢量光场，则

那么，可得

依照二维全息图的透射函数，即可通过数值计算构造所需全息图。

Claims (6)

1.一种基于梯形塞纳克干涉仪产生任意矢量光场的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将激光器发出的线偏振光束的偏振方向旋转，使其偏振方向与水平方向夹角为45°；

步骤2：将步骤1得到的光束分为强度相同、偏振方向分别沿水平和竖直方向的的两束线偏振光束s分量和p分量；

步骤3：使两束线偏振光束分别由计算全息图的前后两侧相向通过，且两束线偏振光束所通过的路径长度完全相等；

步骤4：将通过计算全息图的s分量和p分量同轴叠加，并使两束线偏振光束s分量和p分量分别转化为左旋和右旋的圆偏振光束；

步骤5：对左旋和右旋的圆偏振光束进行光学傅里叶变换，得到左旋和右旋的圆偏振光束的频谱；

步骤6：对频谱进行滤波，使得+1级衍射光分量通过；

步骤7：在全息图的共轭像平面上得到矢量光场。

2.一种实现权利要求1所述基于梯形塞纳克干涉仪产生任意矢量光场的方法的装置，其特征在于包括光源（1）、梯形塞纳克干涉仪（2）、傅里叶变换透镜（3）、小孔滤波器（4）和图像采集系统（5）；光源（1）的输出光的光轴上设有梯形塞纳克干涉仪（2），梯形塞纳克干涉仪（2）输出端的光轴上按顺序设有傅里叶变换透镜（3）和小孔滤波器（4），经过小孔滤波器（4）后得到+1级衍射光分量，调整图像采集系统（5）使其位于全息图的共轭像平面上，采集所形成的矢量光场；所述梯形塞纳克干涉仪包括半波片（6）、偏振分光棱镜（7）、第一反射镜（8）、第二反射镜（9）、第三反射镜（10）、计算全息图（11）和四分之一波片（12）；偏振分光棱镜（7）、第一反射镜（8、第二反射镜（9）和第三反射镜（10）置于直角梯形的四个顶点处，沿着入射光的光轴顺序排列为半波片（6）、偏振分光棱镜（7）和第三反射镜（10）；半波片（6）旋转激光器出射的线偏振光束的偏振方向，使其偏振方向与水平方向夹角为45°，然后偏振分光棱镜（7）将光束分为强度相同、偏振方向相互正交的两束线偏振光束s分量和p分量；在偏振光束s分量的光轴上设有第一反射镜（8），光束s分量由反射镜（8）反射后，经过计算全息图（11）到达第二反射镜（9），然后经过第三反射镜（10）到达偏振分光棱镜（7）；p分量依次经过第三反射镜（10）、第二反射镜（9）、计算全息图（11）和第一反射镜（8）后到达偏振分光棱镜（7；偏振光束s分量和p分量分别经过偏振分光棱镜（7）的反射和透射，从同一方向上同轴出射；在出射方向上设有四分之一波片（12），四分之一波片（12）将两个线偏振分量分别转化为左旋和右旋的圆偏振光束作为梯形塞纳克干涉仪的输出光束。所述+1级衍射光分量为梯形塞纳克干涉仪（2）中计算全息图的+1级衍射光分量。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：调整计算全息图（11）的位置，使得两束光在通过计算全息图后所经过的路径相同。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于：所述计算全息图（11）具有光栅状结构，刻制在透明介质平板上或直接显示在一个空间光调制器上。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述图像采集系统（5）为电荷耦合器件。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述光源（1）为单模激光器，包括氩离子激光器、氦氖激光器或半导体激光器。

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