CN104090386A - 一种调控光场偏振态分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调控偏振态分布的方法，包括激光准直与扩束系统，特殊形状矢量光场生成系统，聚焦和探测系统。该方法利用全息图生成矢量光场，全息图由电脑控制，加载相位调制信息和形状调制信息，将全息图投影在空间光转换器上，生成具有特殊形状的矢量光场。经过聚焦，在焦点处可获得偏振态分布可控的焦场。该方法可以将局域线偏振分布的入射矢量光场聚焦后获得焦平面上同时具有线偏振、圆偏振、椭圆偏振的杂化偏振分布的焦场。通过改变入射矢量光场的形状，可以得到任意偏振态分布的焦场。本发明设计相比于其他常用的调制光场的方法，可以对各个点的偏振态做到精确的调控，同时具有光路简单，技术成熟，稳定性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光场偏振态分布领域，具体涉及一种调控光场偏振态分布的方法。
背景技术
偏振作为光场的一个基本而重要的属性，在光与物质相互作用中起到非常重要的作用。通常光场的横向截面上偏振态是均匀分布的，如线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。近十年来，随着微纳制备技术的逐渐成熟和光场调控技术的日渐丰富，研究者生成了其光场截面上偏振态非均匀分布的一种特殊光场，称之为矢量光场[Q.Zhan,“Cylindrical vector beams:from mathematical concepts to applications,”Adv.Opt.Photon.1,1-57(2009)]。
随着对矢量光场研究的不断深入，人们广泛研究了矢量光场的生成方法、传播特性、焦场工程、技术应用。矢量光场被应用于纳光子学、量子光学、非线性光学、原子光学等各个领域。矢量光场之所以会有这么多特殊的性质以及应用，很大程度上是因为其特殊的偏振态分布。独特的偏振态分布在光学诱捕、光学微加工、光学微操纵等方面显示出了广阔的应用。
近年来对于偏振态调控研究者提出了各种方法[如X.L.Wang et.al.,“Unveiling locally linearly polarized vector fields with broken axialsymmetry,”Phys.Rev.A 83,063813(2011)；H.Chen et.al.,“Separation of spinangular momentum in space-variant linearly polarized beam,”Appl.Phys.B 114,355-359(2014)]。然而这些方法，大多需要复杂的光路和大量的光学元件，极大地降低了可操作性，影响了调控的效果。
设计一种简单的调控方法，成为了现有技术发展的方向。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中光场偏振态的调控方法光路复杂，光学器件众多的问题，本发明提供一种调控光场偏振态分布的方法，通过简单的光路和器件对光场偏振态进行调控，解决了现有技术的不足。
技术方案：一种调控光场偏振态分布的方法，其特征在于，包括一组透镜、空间光调制器、控制器、波片、光栅、光束分析仪和控制器；
一组透镜包括凹透镜、前置凸透镜和后置凸透镜；
当入射激光束依次经过凹透镜和凸透镜，准直扩束成线偏振光束，该线偏振光束入射至空间光转换器；控制器在空间光转换器上投影全息图，所述全息图加载着相位信息和形状信息；空间光转换器将以上信息加载到光束上；通过空间光转换器后的线偏振光束依次通过波片和光栅，生成矢量光场，该矢量光场为局域线偏振光场；该局域线偏振光场经过后置凸透镜聚焦，获得偏振态任意分布的聚焦光场；定义该聚焦光场为焦场，在焦场处对光场的偏振态进行调控；光束分析仪分析该光场焦点处的光强。
具体的，线偏振光束的光斑大小与空间光转换器工作窗口匹配。以生成高质量的特殊形状矢量光束，提高光束调制的效率。
具体的，在焦场处对光场的偏振态进行调控时，将局域线偏振光转化为同时具有局域线偏振、圆偏振和椭圆偏振分布的杂化偏振光场。
有益效果：
(1)本发明对偏振态分布进行调控，能够根据需求得到偏振态任意分布的聚焦光场。通过细致的设计和调节，可以对各个点的偏振态做到精确的控制；
(2)本发明只需对矢量光场的形状进行改变，就能在透镜焦平面处达到调控偏振态的效果，操作简单，也利于光场集成；
(3)本发明适用于任意偏振态分布的矢量光场，应用范围广泛；
(4)本发明只需对空间光调制器所投影的全息图加载形状信息，无需冗长的步骤和复杂的光路。技术成熟，步骤简单，稳定性强。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图
图2为本发明特殊形状矢量场光强图
图3为本发明焦点处的光强以及经过不同取向偏振片后焦点处的光强
图4为本发明焦平面处的偏振态的分布图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种调控光场偏振态分布的方法，其特征在于，包括一组透镜、空间光调制器4、控制器5、波片6、光栅7、光束分析仪9和控制器5；
一组透镜包括凹透镜2、前置凸透镜3和后置凸透镜8；
当入射激光束1依次经过凹透镜2和凸透镜3，准直扩束成线偏振光束，该线偏振光束入射至空间光转换器4；控制器5在空间光转换器4上投影全息图，所述全息图加载着相位信息和形状信息；空间光转换器4将以上信息加载到光束上；所述线偏振光束的光斑大小与空间光转换器4工作窗口匹配。通过空间光转换器4后的线偏振光束依次通过波片6和光栅7，生成矢量光场，该矢量光场为局域线偏振光场；该局域线偏振光场经过后置凸透镜8聚焦，获得偏振态任意分布的聚焦光场；定义该聚焦光场为焦场，焦场是指焦点处的光场，即聚焦光场。在焦场处对光场的偏振态进行调控，将局域线偏振光转化为同时具有局域线偏振、圆偏振和椭圆偏振分布的杂化偏振光场。光束分析仪9分析该焦场焦点处的光强。
实施例一：
如图1所示，实验装置可分为扩束准直系统、特殊形状矢量光场生成系统，聚焦和探测系统三个部分。扩束系统由凹透镜2和前置凸透镜3组成；特殊形状矢量光场生成系统由空间光转换器4、计算机5、波片6和光栅7组成；聚焦和探测系统由后置凸透镜8和光束分析仪9组成。从激光器输出的激光束经过透镜组扩束成高质量的线偏振光束，入射至空间光转换器。空间光转换器上投影着运用计算机控制软件生成的全息图，全息图上加载着激光调制的相位信息以及形状信息，光束在经过空间光转换器时会把这些信息加载到光束上。透射光束再经过波片和光栅，生成特殊形状的矢量光场，这种矢量光场的偏振态是局域线偏振光场，也就是光场截面上各点处的偏振态可能方向不同，但是各点处都是线偏振。局域线偏振光是指通过空间光转换器、波片、光栅和全息图等后生成的矢量光场。之后，该局域偏振光场通过聚焦系统，在透镜焦平面处完成对偏振态分布的调控。按照以上步骤，可以将原本的局域线偏振光场转化为同时具有线偏振、圆偏振和椭圆偏振的杂化偏振矢量光场。根据需要，可以通过裁剪矢量光场的形状，得到偏振态任意分布的焦场。
经过上述过程，得到的光场可以用光束分析仪来进行监测。图2和图3是记录下来的光强图，图2为生成的特殊形状矢量场，图3由左至右分别是焦平面处的总光强图和经过0°，45°，90°，135°方向放置的线偏振片后的光强图。从图中可以看出，焦点处的光场呈现出一种扁平倾斜的特殊形状。更重要的是，通过图3中四张经过偏振片的焦场光强图可以看出，经过线偏振片后光场的消光并不是常见的扇形消光，而是不规则的复杂消光，这证实了焦场的偏振态发生了复杂的变化，由原来的局域线偏振光场转变为了杂化偏振光场。
图4中分别是由数值计算得出的偏振态的分布图，图中展示了焦点处的偏振态分布，图中，实心标记代表右旋，空心标记代表左旋，直线标记代表线偏振。通过比较可以看出，图4所示的偏振态分布，与图2中的实验结果一致，局域线偏振光在透镜焦平面处转化为同时具有局域线偏振、圆偏振和椭圆偏振分布的杂化偏振光场，说明本发明能够准确有效地进行偏振态调控。调控所得的结果是由生成的线偏振矢量光场的形状所决定的，通过加载光场的形状调制信息，操控光场的形状，就能达到调节光场偏振态分布的目的。可以看出，通过改变光场形状来调控偏振态分布的方法，光路简单，操作方便，调控效果好，方法稳定性强。
在本实例中，优选激光光束为单纵模532nm连续光；三个透镜焦距分别为：凹透镜2为-50mm；前置凸透镜3为400mm；后置凸透镜8为150mm；激光光束分析仪(Beamview,Coherent Inc.)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种调控光场偏振态分布的方法，其特征在于，包括一组透镜、空间光调制器(4)、控制器(5)、波片(6)、光栅(7)、光束分析仪(9)和控制器(5)；
一组透镜包括凹透镜(2)、前置凸透镜(3)和后置凸透镜(8)；
当入射激光束(1)依次经过凹透镜(2)和凸透镜(3)，准直扩束成线偏振光束，该线偏振光束入射至空间光转换器(4)；控制器(5)在空间光转换器(4)上投影全息图，所述全息图加载着相位信息和形状信息；空间光转换器(4)将以上信息加载到光束上；通过空间光转换器(4)后的线偏振光束依次通过波片(6)和光栅(7)，生成矢量光场，该矢量光场为局域线偏振光场；该局域线偏振光场经过后置凸透镜(8)聚焦，获得偏振态任意分布的聚焦光场；定义该聚焦光场为焦场，在焦场处对光场的偏振态进行调控；光束分析仪(9)分析该焦场焦点处的光强。
2.如权利要求1所述一种调控光场偏振态分布的方法，其特征在于：所述线偏振光束的光斑大小与空间光转换器(4)工作窗口匹配。
3.如权利要求1所述一种调控光场偏振态分布的方法，其特征在于：在焦场处对光场的偏振态进行调控时，将局域线偏振光转化为同时具有局域线偏振、圆偏振和椭圆偏振分布的杂化偏振光场。
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