CN106569340A - 光束强度、相位分布和偏振态的调制装置 - Google Patents

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朱亦鸣
张竹倩
殷晨晖
王俊炜
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Abstract

本发明涉及一种光束强度、相位分布和偏振态的调制装置，飞秒激光器发出激光，通过抛物面镜将光束调整为平行光束出射，通过第一反射镜，到达分束镜被分成两路光：透射光束经过第一空间光调制器后经过第二反射镜进入延时装置，再经第三反射镜后到达分束镜；反射光束经过第四反射镜后通过第二空间光调制器和第五反射镜，到达合束镜；两束光合束后输出到检测装置，第一空间光调制器、第二空间光调制器、检测装置与计算机连接，空间光调制器由计算机优化算法控制，同时实现光束强度、相位及偏振态的调制。装置结构简单、器件成本低、广泛应用。

Description

光束强度、相位分布和偏振态的调制装置
技术领域
本发明涉及一种光信号处理技术，特别涉及一种光束强度、相位分布和偏振态的调制装置。
背景技术
光调制在光学研究领域受到极为广泛的应用，光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,完成这一过程的器件称为调制器。调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的振幅、位相、频率、偏振、波长等。承载信息的调制光波，在经过光探测器系统解调后，可以获得需要的信息。光调制技术已广泛应用于光通信、测距、光学信息处理、光存储和显示等方面。
空间光调制器是一种对光波的空间分布进行调制的器件, 在信号源的控制下,能对光波的某种或某些特性(如相位、振幅或强度、偏振态等)的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制, 从而将信号源所荷载的信息写进入射光波之中的器件。由于空间光调制器具有的这种特性，使其成为实时光学信息计算、光学信息处理等系统中的核心器件。同时，在实时光电识别接口、阀值开关、高速互联、输入存储、输出显示等领域空间光调制器也有重要的应用。
在光束的偏振态调制中，矢量光束是一种特殊偏振态的光束，它区别于光束横截面上各点偏振态都相同的标量光，如线偏振光、圆偏振光等。矢量光束是偏振态在空间按特定规律非均匀分布的光束,这种特殊偏振光受到研究者们的关注，如1993年Tidwill、Kim和Kimura实施的一系列干涉叠加合成矢量光束研究，并得出了正交偏振态相干叠加公式；2000年Youngworth和Brown完善柱矢量对称光束的研究，探究了矢量光束通过高数值孔径聚焦透镜的聚焦特性；又如Niv 等人将轴对称偏振光束拓展到偏振级次为分数的情况，并研究了利用亚波长介质光栅生成该类型光束的方法。随着研究的不断深入，轴对称偏振光束的概念不再局限于偏振态空间变化并具有轴对称特性的线偏振光束；Wang和 Nesterov等人研究了具有混合偏振态的轴对称偏振光束，既包含旋涡光束也有线偏振光。由于矢量光的特殊偏振分布和聚焦性质，被广泛应用于光学微操控，金属切割，表面等离子体的共振激发，带电粒子的激发等方面。
产生矢量光束或涡旋光束的方法有很多种，例如:Beijersbergen等人提出的几何模式转化法，利用柱面透镜来实现厄米高斯光束到任意高阶拉盖尔高斯光束转换，该方法涡旋光束模式单一，系统结构复杂，柱面透镜的使用增加了实验操作的难度；Kozawa等人设计的锥镜法合成矢量光束，锥镜可安放于激光谐振腔内或谐振腔外，但器件加工精确度要求高、难度大；Machavariani等人设计分区延迟器法，由八片慢轴方向依次旋转的半波片延迟板拼接构成，但此方法产生的矢量光束不是理想的径向矢量光束，并且制作分区延迟器的工艺较为复杂；Tidywell等人提出的干涉合成法，基于任意偏振光束可以由一组相互正交的线偏振光或者圆偏振光相干叠加得到，合成方法简单易懂，但是光路调节复杂，操作难度大。目前还没有一种简单易操作，效果显著的相应光束产生装置出现。
发明内容
本发明是针对现有的光束强度、相位及偏振态的调制装置操作复杂、成本昂贵，并且对于特殊偏振态的光束，无法同时调制其强度和相位的问题，提出了一种光束强度、相位分布和偏振态的调制装置，将激光分束后，分别通过空间光调制器后合束输出，空间光调制器由计算机优化算法控制，可以同时实现光束强度、相位及偏振态的调制。
本发明的技术方案为：一种光束强度、相位分布和偏振态的调制装置，飞秒激光器发出激光，通过抛物面镜将光束调整为平行光束出射，通过第一反射镜，到达分束镜被分成两路光：透射光束经过第一空间光调制器后经过第二反射镜进入延时装置，再经第三反射镜后到达分束镜；反射光束经过第四反射镜后通过第二空间光调制器和第五反射镜，到达合束镜；两束光合束后成为输出到检测装置，第一空间光调制器、第二空间光调制器、检测装置与计算机连接，空间光调制器由计算机优化算法控制，同时实现光束强度、相位及偏振态的调制。
本发明的有益效果在于：本发明光束强度、相位分布和偏振态的调制装置，装置结构简单、器件成本低、广泛应用，空间光调制器的使用使调制过程的操作简单，人为的可控性强，并且根据不同实验对光束的需要，实现操作便捷、转换效率高的参数准确的调制光束。通过计算机优化算法实现对光束的调制，调制过程由计算机控制，避免了人为调整器件时带来其他干扰和误差，并且空间光调制器可调制得到多种偏振态光束，可相干叠加合成多种模式的特殊偏振光。
附图说明
图1为本发明光束强度、相位分布和偏振态的调制装置结构示意图。
具体实施方式
以下示例系统中所述激光器以发射波长为800 nm的光纤激光器为例，脉宽100fs，功率150mW。其他波段与该波段的实施方法一致。
如图1所示光束强度、相位分布和偏振态的调制装置结构示意图。飞秒激光器1发出激光，通过抛物面镜2将光束调整为平行光束出射，通过反射镜3，到达分束镜4被分成两路光：透射光束1和反射光束2。透射光束1经过第一空间光调制器5后经过反射镜6进入延时装置7，再经反射镜8后到达分束镜12；反射光束2经过反射镜9进入第二空间光调制器10后，通过反射镜11到达合束镜12，两束光合束后输出到检测装置13。第一空间光调制器5、第二空间光调制器10、检测装置13与计算机连接，计算机已安装相应优化算法，根据希望得到的光束参数在计算机算法中设置空间光调制器上的待调节区域，使得透过光束得到相应的强度、相位或偏振态的调节。相应优化算法：依据希望得到的两束光束的强度、相位、偏振态分布输入矢量数据，构建图形分布，先输出到电脑上观测两个分光束的图形和预期合成后的光斑图形，满足要求后便可开启空间光调制器，将矢量数据输入空间光调制器的控制盒，控制其对于入射光斑不同区间的微调控，透射光斑到达检测装置13，检测到的光斑强度、相位、偏振态分布与初始输入的矢量数据进行一一比对，不满足要求的通过二分迭代逼近算法逐步优化，与此同时计算每个点与相互邻近点的导数，保证相邻区域之间参数过渡的平滑性，直至满足初始光斑要求。
所述空间光调制器其输入控制信号的方式可以是电寻址（OA-SLM），也可以是光寻址（EA-SLM）。
所述空间光调制器利用液晶分子的旋光偏振性和双折射性对光束的强度、相位分布和偏振态进行调制，光路系统特殊的分光束结构，可以实现不同偏振态光束的相干叠加合成特殊偏振态的光束。

Claims (1)

1.一种光束强度、相位分布和偏振态的调制装置，其特征在于，飞秒激光器发出激光，通过抛物面镜将光束调整为平行光束出射，通过第一反射镜，到达分束镜被分成两路光：透射光束经过第一空间光调制器后经过第二反射镜进入延时装置，再经第三反射镜后到达分束镜；反射光束经过第四反射镜后通过第二空间光调制器和第五反射镜，到达合束镜；两束光合束后输出到检测装置，第一空间光调制器、第二空间光调制器、检测装置与计算机连接，空间光调制器由计算机优化算法控制，同时实现光束强度、相位及偏振态的调制。
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