CN104375277A - 基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置 - Google Patents

基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，其特征在于：将光源由液晶元件衍射的正负一级引入迈克尔逊干涉仪系统，同时迈克尔逊干涉仪中的两面反射镜进行改进：其一更换为全反射棱镜实现正负衍射级次传播光路的对调，并在全反射棱镜前放置空间滤波器选出所需的±1级衍射；另一面反射镜变为仅反射一个级次，这样可以在一套光路中同时完成对于位相和偏振的控制，从而实现了多通道的空间光场生成装置。同时另一方面，对于相干叠加调控偏振的方法来说，可以直接通过移除和加入四分之一波片(或其他相位光学元件如螺旋位相片等)的方法来简便快捷的实现基矢的切换，方便后续广泛地应用于各种对光源偏振和位相有特定需求的实验中。

Description

基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置
技术领域
本发明涉及空间光场生成新技术，设计实现了一套可同时调控光场偏振和位相的多通道空间结构光场生成装置。
背景技术
与传统光场不同，空间结构光场是振幅、偏振和位相在空间中有特定分布的光场。其偏振和位相的特殊性，带来一系列新颖的光学性质，从而可以应用于光通信、光捕获和光学制造等，空间结构光场的生成技术与应用研究已经引起了广泛关注。
空间结构光场中具有特殊偏振分布的光场被称作矢量光场，它是一种偏振态随着空间位置而变化的特殊光场。生成矢量光场的方法主要有两大类：其一，通过设计激光器内部的腔结构，引入特殊的光学元件，直接获得特定模式的矢量光场输出；其二为干涉的方法，以庞加莱球偏振合成理论为基础，利用互相正交的一对偏振基矢相干叠加得到不同的矢量光场。对于第一种方法，最大的缺点是缺乏灵活性，当激光器腔结构设计确定以后，只能得到其对应的特定模式的光场。相对而言，第二种方法生成的矢量光场更具灵活性，并且借助液晶空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)几乎可以得到任意形式的矢量光场。
另一方面，空间结构光场中具有特殊相位分布的光场如涡旋光场和无衍射光场等，由于其位相特征带来的中心奇异点、可控的轨道角动量和空间传播的稳定性等特点，在光通信、光学操纵等领域具有巨大的应用潜力。1995年，实验上便已有人观测到涡旋光束的轨道角动量可以与微小粒子相互作用(Direct Observation of Transfer of Angular Momentum toAbsorptive Particles from a Laser Beam with a Phase Singularity,Phys.Rev.Lett.，1995，75(5):826-829.)，从而引起光致旋转。目前光学涡旋已经被广泛应用于光学微操纵技术中，如微小粒子的光学旋转、囚禁、和引导等。而通过位相调控得到的无衍射光场是1987年由Durnin J提出的(Exact solutions for nondiffracting beams(I)：The scalar theory.JOSA A,(4),65l-654(1987))，这种光束在传播过程中光斑横向分布保持不变，使它在激光加工、光学准直和光镊等领域有着良好的应用前景。
关于矢量光场生成的方法，早在2007年因斯布鲁克医科大学的Stefan Bernet等人便基于液晶空间光调制器装置提出了一种利用Wollaston棱镜分光的干涉光路(Tailoring ofarbitrary optical vector beams.New J.Phys.,2007,9.)生成复杂拉盖尔-高斯矢量光场：Wollaston棱镜将入射光等幅分成两束后，再分别控制两束光的偏振使其相互正交形成一对基矢，入射到空间光调制器的液晶面板的左右部分，分别获得相反的涡旋位相后再反射回Wollaston棱镜上合束，实现了复杂拉盖尔-高斯光束的生成。由于该方法的液晶面板被划分为左右两个区域，分别加载不同的位相分布，从而大大降低了液晶调制位相的分辨率。在此基础上，南开大学的王慧田小组同样借助液晶空间光调制器成功搭建了一套用于生成任意偏振分布的矢量光场的4F系统(Generation of arbitrary vector beams with a spatial light modulatorand a common path interferometric arrangement.Optics Letters,Vol.32,Issue 24,pp.3549-3551(2007))：包含螺旋位相的全息光栅直接加载在液晶面板上，入射光经液晶面衍射，其±1级即满足相干叠加的条件，再利用两个相互正交放置的四分之一波片进一步调节±1级的偏振方向，使其形成一对正交基矢。相较Stefan Bernet等人的工作，这套光路充分利用了液晶面板的分辨率，但是这种方法的缺点在于由于全息光栅周期较大，在光栅频谱面上±1级的空间距离非常靠近，因此其中作为滤波元件的狭缝间距非常小，且在两个狭缝的背后需要分别放置两个四分之一波片并调节波片角度，操作难度大。其最后是利用光栅对调控后的±1级衍射光再合束，这要求该合束光栅同SLM所加载的全息图要匹配，限制了其灵活性。西北工业大学赵建林小组进一步改进了其生成光路，提出了一种基于Sagnac干涉仪的矢量光场生成系统(Generation of arbitrary spatially variant polarization beams with a trapezoid Sagnacinterferometer，Optics Express,Vol.20,Issue 19,pp.21715-21721(2012))：光路中利用一个偏振分束元件将入射光直接分为两束相互正交的偏振光，再入射至事先加载了全息光栅的液晶面板上以获得所需的螺旋位相，从而解决了之前方法中狭缝背后控制光束偏振的四分之一波片不易调节和合束难度大的问题。但是由于光路中的引入了偏振分束元件，增加了调节难度，特别是该光路切换基矢时较为复杂。以上所有的方法仅仅针对光场的偏振特性进行调控，而对于光场的位相调控也是空间光场调控中很重要的一环，如果希望实现对于光束偏振和位相的分别调控则十分困难，需要另外搭建位相调制的光路，针对现有方法存在的基矢切换不便、光路稳定性差、无法实现位相偏振同时调控等缺点，我们发明了基于改进型的迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置。
发明内容
本发明的目的在于，针对先前方法的不足，提出并实现了一套基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间光场生成方法及装置。该装置具有集成度高(基矢切换方便)、多通道(一个偏振调控通道和两个位相调控通道)、自由度高(输出通道为开放光路，可引出用于多方面的应用中)等重要特点。
本发明由以下技术方案来实现，一种基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，将迈克尔逊干涉仪中的一面反射镜更换为全反射棱镜，使两个级次光路对换。
进一步的，使原本迈克尔逊干涉仪中的另一面反射镜仅仅反射一个级次。
进一步的，全反射棱镜和另一面反射镜结合起来使两个级次光路分离调控以实现多通道生成光场，可以产生一个偏振生成通道和两个位相调控通道。
进一步的，当生成特殊偏振的矢量光场时，切换基矢仅需要插入或移去四分之一波片即可实现，方便快捷。
进一步的，偏振通道利用干涉合成的方法得到矢量光场。
进一步的，位相通道可利用全息光学的原理得到涡旋光场、贝塞尔光场和其他复杂位相特征的无衍射光束。
进一步的，位相通道为偏振通道中所干涉合成的矢量光场的基矢，可通过对两个位相通道的探测实现对矢量光场的无干扰检测。
进一步的，该装置具体为：半导体激光器出射的光束经由偏振片变为水平方向偏振的线偏光，入射到液晶空间光调制器上，被液晶面板上预先加载的全息光栅衍射出若干级次，在经过分束镜之后，两束光的传播光路完全重合，选取±1级衍射作为所需的基矢，此时±1级携带所需的相反的位相，经透镜变成沿平行方向传播进入所述的改进型的迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，当衍射级次穿过透镜后，经过光轴斜45°放置的四分之一波片变成两束手性相同的圆偏振光，之后，经由分束镜分束，其中一半能量的光束直接透过分束镜经由空间滤波片选出所需要的±1级，此时利用一个全反射的直角棱镜使得空间中传播的±1级对换光路，被直角棱镜反射回来的+1级会沿着-1级次传播路线的反方向回到分束镜处，同时-1级的光束被分束镜反射至上方放置的反射镜处，而被反射镜反射回的-1级会与被全反射棱镜反射的+1级相遇，同时到达下方的接收屏处形成同轴干涉，该光路中包含一块二分之一波片用于将+1级圆偏光的偏振旋转方向改变或将线偏光偏振方向旋转至正交方向，此即为偏振调制通道，而此时，由于反射镜未能将被分束镜向上反射的+1级反射回光路，被全反射棱镜反射的-1级在被分束镜向下反射后无法与+1级相遇，从而此时在偏振调制通道的右侧会出现位相调制通道，最终形成了由±1级同轴干涉形成的偏振调控通道和仅有-1级光束的位相调制通道，下方的接收屏也可以换成探测器CCD或者借助反射镜将所得到的光束引出后续光路中，光路调节过程中，需要精密调节反射镜的前后位置，使相互干涉的两个级次的光束走过的光程完全一致方能实现偏振调制。
进一步的，通过移除光路中的四分之一波片即可实现基矢的切换，当光路中有四分之一波片时，为两束旋转方向相反的圆偏光叠加，移除四分之一波片后变成两束振动方向正交的线偏光叠加。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)多通道，系统具有三个光路通道(两个位相调制通道和一个偏振调制通道)，配合液晶空间光调制器，在一套光路中同时实现了对于位相和偏振的任意调控。三个通道的光路之间相互独立，而光场又相互关联。可以通过对于位相通道的探测实现对偏振通道光场的无干扰检测。
(2)集成度高，偏振调控时基矢切换方便，当加入四分之一波片时基矢为圆偏光，移除四分之一波片即可切换成为线偏光基矢。
附图说明
图1为本发明的基于改进型迈克尔逊干涉仪的空间光场生成光路示意图。
图2为全息图及产生的衍射±1级。
图3为本发明实例中所生成的非衍射韦伯抛物线(Weber Parabolic)光场示意图，左边为实验中CCD采集图像，右边为理论计算图像。
具体实施方式
如图1所示，半导体激光器1出射的光束经由偏振片2变为水平方向偏振的线偏光，入射到液晶空间光调制器4上，被液晶面板上预先加载的全息光栅衍射出若干级次(光路中+1级光路用实线表示，-1级光路用虚线表示，实际光路中，在经过分束镜之后，两束光的传播光路完全重合，图示中稍稍分开以示区别)，我们选取±1级衍射作为所需的基矢，此时±1级携带我们所需的相反的位相，经透镜5变成沿平行方向传播进入改进的迈克尔逊干涉仪系统3。当衍射级次穿过透镜5后，经过光轴斜45°放置的四分之一波片变成两束手性相同的圆偏振光，之后，经由分束镜8分束，其中一半能量的光束直接透过分束镜经由空间滤波片11选出所需要的±1级，此时利用一个全反射的直角棱镜12使得空间中传播的±1级对换光路。被直角棱镜12反射回来的﹢1级会沿着-1级次传播路线的反方向回到分束镜8处，同时-1级的光束被分束镜反射至上方放置的反射镜7处(此处选取较小或附加光阑的反射镜使其只反射回-1级次)。而被反射镜7反射回的-1级会与被棱镜12反射的+1级相遇，同时到达下方的接收屏9处形成同轴干涉，该光路中包含一块二分之一波片10用于将+1级圆偏光的偏振旋转方向改变(或将线偏光偏振方向旋转至正交方向)，此即为“偏振调制通道”13；而此时，由于反射镜7未能将被分束镜8向上反射的+1级反射回光路，被棱镜12反射的-1级在被分束镜8向下反射后无法与+1级相遇，从而此时在偏振调制通道的右侧会出现“位相调制通道14”；最终形成了由±1级同轴干涉形成的偏振调控通道13和仅有-1级光束的位相调制通道14。下方的接收屏9也可以换成探测器CCD或者借助反射镜将所得到的光束引出后续光路中。光路调节过程中，需要精密调节反射镜7的前后位置，使相互干涉的两个级次的光束走过的光程完全一致方能实现偏振调制。更进一步的，通过移除光路中的四分之一波片6即可实现基矢的切换，当光路中有四分之一波片时，为两束旋转方向相反的圆偏光叠加。移除四分之一波片后变成两束振动方向正交的线偏光叠加。
对于位相通道14，由于借助了液晶空间光调制器，其液晶面板上每一个像素背后对应一个电极，通过电压可以控制每个像素点上的液晶分子取向，从而控制每个像素点的位相延迟。我们在计算机中可以导入8位的256灰阶的灰度图对入射光进行0～2π的位相调制。对于矢量光场的生成光路来说，位相通道所得到的光束即为偏振通道所需的基矢光。
对于偏振通道13，干涉合成的原理如下：光路中的液晶空间光调制器事先加载我们所需的全息光栅的位相分布图。此时全息光栅的透过率函数可以写作：
t(x,y)＝{1+γcos(2πf0x+δ(x,y)]}/2，
其中δ为由全息光栅带来的附加位相，γ为调制深度，f0为空间载频。全息光栅的透过率函数可以通过软件编码任意调控。当入射的线偏振光被液晶空间光调制器所衍射后，产生的正负一级经过四分之一波片后会变成圆偏振光，其中+1级再经过一个二分之一波片从而旋转方向翻转，此时的正负一级可以表示为：
E 1 = A 0 ( e ^ x - i e ^ y ) · e iδ
E 2 = A 0 ( e ^ x + i e ^ y ) · e - iδ
A0为振幅项，和为直角坐标系下的基矢。正负一级在偏振通道合束后相干叠加，可表示为：
E = 2 A 0 ( cos δ e ^ x + sin δ e ^ y )
由于δ的形式可以任意选取，故此时可以得到任意偏振态空间分布的矢量光场。
下面结合附图对本发明的实施例进行描述。
本发明中基于改进型迈克尔逊干涉仪的空间光场生成装置的光路图如图1所示。首先将液晶空间光调制器上加载我们所需要生成的新型空间光场所对应的全息位相图，当加载如图2左所示全息位相图后可得到图2右中两个正负一级衍射光斑。进一步的，以近年来研究的非衍射光束中的韦伯抛物线光束(Weber Parabolic beam)为例。与柱坐标下的贝塞尔光束(Bessel beam)，椭圆坐标下的马修光束(Mathieu beam)相对应，韦伯抛物线光束(WeberParabolic beam)是一种抛物线坐标系下的非衍射光束。抛物线坐标(η,ξ,z)可由直角坐标系(x,y,z)变换得到，其定义如下：
x+iy＝(η+iξ)2/2,z＝z,
此时可将韦伯抛物线光束(Weber Parabolic beam)的偶数和奇数横向稳态表达式写为：
U e ( η , ξ ; a ) = 1 π 2 | Γ 1 | 2 P e ( σξ ; a ) P e ( σξ ; - a ) ,
U o ( η , ξ ; a ) = 2 π 2 | Γ 3 | 2 P o ( σξ ; a ) P o ( σξ ; - a ) ,
其中a为抛物线特征参数， P ( v , a ) = Σ n = 0 ∞ c n v n n ! , c n + 2 = ac n - n ( c - 1 ) c n - 2 4 ,
而Pe,Po对应于偶数和奇数情况下的解，σ＝(2k)1/2，k为光场动量，当为偶数情况时，多项式中c0＝1,c1＝0；当为奇数情况时，c0＝0,c1＝1。其两式中的伽马函数分别为Γ1＝Γ[(1/4)+(1/2)ia],Γ3＝Γ[(3/4)+(1/2)ia]。实验中我们将扩束后的激光光束入射至液晶面板上，在液晶面板的面积范围内可以视为平面波。目标生成光场为a＝10的偶数韦伯抛物线光束，根据全息光学的原理我们可以计算出此时生成所需的全息光栅的图像，此时在位相通道14处利用相机记录光束横截面图样，如图3所示。实验所得光斑与理论计算所得光斑一致。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，其特征在于：将迈克尔逊干涉仪中的一面反射镜更换为全反射棱镜，使两个级次光路对换。
2.一种如权利要求1所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，其特征在于：使原本迈克尔逊干涉仪中的另一面反射镜(7)仅仅反射一个级次。
3.一种如权利要求1或2所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，其特征在于：全反射棱镜和另一面反射镜(7)结合起来使两个级次光路分离调控以实现多通道生成光场，可以产生一个偏振生成通道和两个位相调控通道。
4.一种如权利要求1或2所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，其特征在于：当生成特殊偏振的矢量光场时，切换基矢仅需要插入或移去四分之一波片即可实现，方便快捷。
5.一种如权利要求1或2所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，其特征在于：偏振通道利用干涉合成的方法得到矢量光场。
6.一种如权利要求1或2所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，其特征在于：位相通道可利用全息光学的原理得到涡旋光场、贝塞尔光场和其他复杂位相特征的无衍射光束。
7.一种如权利要求1或2所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，其特征在于：位相通道为偏振通道中所干涉合成的矢量光场的基矢，可通过对两个位相通道的探测实现对矢量光场的无干扰检测。
8.一种如权利要求1或2所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，其特征在于：该装置具体为：半导体激光器(1)出射的光束经由偏振片(2)变为水平方向偏振的线偏光，入射到液晶空间光调制器(4)上，被液晶面板上预先加载的全息光栅衍射出若干级次，在经过分束镜之后，两束光的传播光路完全重合，选取±1级衍射作为所需的基矢，此时±1级携带所需的相反的位相，经透镜(5)变成沿平行方向传播进入所述的改进型的迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置(3)，当衍射级次穿过透镜(5)后，经过光轴斜45°放置的四分之一波片变成两束手性相同的圆偏振光，之后，经由分束镜(8)分束，其中一半能量的光束直接透过分束镜经由空间滤波片(11)选出所需要的±1级，此时利用一个全反射的直角棱镜(12)使得空间中传播的±1级对换光路，被直角棱镜(12)反射回来的+1级会沿着-1级次传播路线的反方向回到分束镜(8)处，同时-1级的光束被分束镜反射至上方放置的反射镜(7)处，而被反射镜(7)反射回的-1级会与被全反射棱镜(12)反射的+1级相遇，同时到达下方的接收屏(9)处形成同轴干涉，该光路中包含一块二分之一波片(10)用于将+1级圆偏光的偏振旋转方向改变或将线偏光偏振方向旋转至正交方向，此即为偏振调制通道(13)；而此时，由于反射镜(7)未能将被分束镜(8)向上反射的+1级反射回光路，被全反射棱镜(12)反射的-1级在被分束镜(8)向下反射后无法与+1级相遇，从而此时在偏振调制通道的右侧会出现位相调制通道(14)；最终形成了由±1级同轴干涉形成的偏振调控通道(13)和仅有-1级光束的位相调制通道(14)；下方的接收屏(9)也可以换成探测器CCD或者借助反射镜将所得到的光束引出后续光路中，光路调节过程中，需要精密调节反射镜(7)的前后位置，使相互干涉的两个级次的光束走过的光程完全一致方能实现偏振调制。
9.一种如权利要求8所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，其特征在于：通过移除光路中的四分之一波片(6)即可实现基矢的切换，当光路中有四分之一波片时，为两束旋转方向相反的圆偏光叠加，移除四分之一波片后变成两束振动方向正交的线偏光叠加。
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