CN109375397A - 一种基于矢量涡旋光束的正交圆偏振光的测距系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于矢量涡旋光束的正交圆偏振光的测距系统，其特征在于，包括角向偏振变化的矢量涡旋光束生成器，衰减片，非局域非线性介质，一个小孔径光阑，线偏振片和λ/4波片以及接收装置；所述矢量涡旋光束生成器用于生成的矢量涡旋光束，所述衰减片用于控制光束功率变化，光束经过非局域非线性介质传播，透过光阑，经过线偏振片得到得到线偏振光，线偏振光通过λ/4波片得到左旋和右旋圆偏振光，并于接收装置呈现左旋和右旋圆偏振光图像，测量左旋与右旋圆偏振光环形分布的间距。本发明可以同时产生左旋、右旋两个正交的圆偏振，并对其分布位置进行控制：通过对入射功率、拓扑荷数m,n以及液晶长度的变化，控制正交圆偏振光环形分布的间距。

Description

一种基于矢量涡旋光束的正交圆偏振光的测距系统
技术领域
本发明涉及光电技术，偏振态的产生和分布控制，精密测量等领域，一种基于矢量涡旋光束的正交圆偏振光的测距系统。
背景技术
近年来，偏振态作为矢量光场的重要属性之一，对光波的衍射和时空演化有着重要的影响。为了发掘更多新颖的光学现象，越来越多的研究者们开始关注光场的偏振调控，因此偏振态的空间非均匀调制成为目前光学领域的一个研究热点。偏振调制的光场构成了偏振态空间变化的新型激光模式，称为矢量光场。矢量光场是指同一时刻同一波阵面上不同位置具有不同偏振态的光场，也称为偏振态非均匀分布的光场。而涡旋光束最重要的一个特性就是它具有螺旋形的相位，使它不同于普通的光束，它携带轨道角动量，而这一特性跟涡旋光束的拓扑荷数分不开。人们的目光又转向研究涡旋光束的拓扑荷数，它可以是整数，也可以是分数。对于拓扑荷数为整数的涡旋光束而言，它的光场强度呈圆对称分布，而对于拓扑荷数为分数的涡旋光束来说，它的光强跟整数情况一样，但是它会在亮环上有一个位错出现。连续螺旋状相位的光束，它的波阵面是螺旋涡状，且在中心具有一个暗核，光强为零，具有奇异性。光束还具有轨道角动量，并且绕着传播的光轴旋转进行传播，波前是螺旋状。并且非局域非线性介质在过去的几十年里因其传播性质和潜在的应用而引起了极大的兴趣。
光束在介质中传输时，会引起折射率的改变，如果介质中某点折射率的改变仅取决于该点的光强，我们就称之为局域介质。如果介质中某点折射率的改变不仅决定于该点的光强，而且还决定于其他点的光强，我们就称之为非局域介质。产生非局域非线性响应的物理机制很多，比如原子扩散，热传递，电荷漂移和分子在较大范围的相互作用等。目前已发现的两种强非局域介质：向列相液晶和铅玻璃，前者非局域来源于液晶分子的重取向，而后者非局域来源于热致非线性。
因此，借助矢量涡旋光束在强非局域非线性介质(如液晶)中传播，通过对入射功率、非局域非线性介质(如液晶)长度的变化，控制正交圆偏振光环形分布的间距，对测量左旋右旋两个正交的偏振分量的同时产生、分布位置控制具有一定的意义。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种基于矢量涡旋光束通过强非局域非线性介质的正交圆偏振光环形分布间距可控的测量系统。不仅可以同时生成左右旋两种正交偏振光，而且通过改变功率以及拓扑荷数m,n，可以调控左旋圆偏振与右旋圆偏振之间的距离。具有测量精度高，且结构简单，安装方便，价格低廉，适用范围广等特点。
本发明通过以下技术方案来实现：一种基于矢量涡旋光束的正交圆偏振光的测距系统，其特征在于，包括包括角向偏振变化的矢量涡旋光束生成器，衰减片，符合非局域非线性介质的液晶介质，一个小孔径光阑，线偏振片，λ/4波片以及接收装置；述矢量涡旋光束生成器用于生成的矢量涡旋光束，所述衰减片用于控制光束功率变化，光束经过非局域非线性介质传播，透过光阑，经过线偏振片得到得到线偏振光，线偏振光通过λ/4波片得到左旋和右旋圆偏振光，并于接收装置呈现左旋和右旋圆偏振光图像，测量左旋与右旋圆偏振光环形分布的间距；矢量涡旋光束生成器生成的角向偏振变化的矢量涡旋光束表示为：
其中A0表示振幅， 分别表示点(x,y)的极化半径和角向角度，w0是基模高斯光束的腰斑半径，m和n分别是偏振和涡旋拓扑荷数；ex和ey分别是x方向和y方向上的单位向量。
进一步的，所得到的线偏振光为沿π/4(3π/4)方向偏振的线偏振光。
进一步的，可以同时生成正交的左右旋两种圆偏振光。
进一步的，通过改变功率调控两正交圆偏振光环形分布的间距。
进一步的，通过改变液晶片的厚度，可调控两正交圆偏振光的距离。
进一步的，通过改变拓扑荷数m,n，可以调控沿左旋圆偏振和右旋圆偏振两正交偏振光之间的距离。
本发明的有益效果在于：该生成装置，具有测量精度高，适用于同时生成两种正交圆偏振态，并可以对其分布位置进行控制，测量这两种正交偏振态之间的距离。通过对入射功率、拓扑荷数m,n以及液晶长度的变化，控制正交圆偏振光环形分布的间距。其有结构简单，安装方便，价格低廉，适用范围广的特点。
附图说明
图1：基于矢量涡旋光束通过强非局域非线性介质(如液晶)的正交圆偏振光测量系统的装置示意图。
图2：相同距离下且拓扑荷数m,n相同，不同输入功率时，正交左右旋圆偏振之间距离的变化。
图3：相同距离下且输入功率相同，拓扑荷数m,n不同，正交左右旋圆偏振之间距离的变化。
具体实施方式
如图1所示，一种基于矢量涡旋光束的正交圆偏振光的测距系统，其特征在于，包括角向偏振变化的矢量涡旋光束生成器A，衰减片B，符合非局域非线性介质的液晶介质C，一个小孔径光阑D，线偏振片E，λ/4波片F以及CCD接收装置G。矢量涡旋光束生成器A生成的角向偏振变化的矢量涡旋光束表示为：
其中A0表示振幅， 分别表示点(x,y)的极化半径和角向角度，w0是基模高斯光束的腰斑半径，m和n分别是偏振和涡旋拓扑荷数。ex和ey分别是x方向和y方向上的单位向量。
角向偏振变化的矢量涡旋光束生成器A生成的矢量涡旋光束，通过衰减片B控制功率变化，经过在厚度可调的强非局域非线性介质C中传播后，透过光阑D后并经过沿45°(135°)方向的线偏振片E得到线偏振光，沿45°(135°)方向的线偏振光通过λ4波片F得到左旋和右旋圆偏振光，最后通过接收装置G呈现左旋和右旋圆偏振光图像，测量左旋与右旋圆偏振光距离。
本发明中，光源为532nm的激光源，经过本装置可生成正交的左右旋两种圆偏振光，并且通过改变功率以及拓扑荷数m,n，可对左旋圆偏振与右旋圆偏振之间的距离进行调控。
图2阐述了矢量涡旋光束在相同距离下且拓扑荷数m,n相同时，正交左右旋圆偏振之间的距离随输入功率的改变而改变。由下表1可知，正交的圆偏振光之间的距离随着输入功率的增加而减少，且正交圆偏振光的最短距离为略小于波长。
表1
图3表明了矢量涡旋光束在相同距离下且输入功率相同时，正交左右旋圆偏振之间的距离随拓扑荷数m,n的改变而改变。由表2不难发现，两正交圆偏振之间的距离随着偏振拓扑荷数m的增加而减少，随着涡旋拓扑荷数n的增加而增加。
表2
图2与图3均表明了该生成装置生成了正交的左右旋两种圆偏振光，且两种偏振态同时存在。同理，改变液晶的厚度同样可以调控两正交圆偏振光之间的距离。

Claims (6)

1.一种基于矢量涡旋光束的正交圆偏振光的测距系统，其特征在于，包括角向偏振变化的矢量涡旋光束生成器(A)，衰减片(B)，非局域非线性介质(C)，一个小孔径光阑(D)，线偏振片(E)和λ/4波片(F)以及接收装置(G)；所述矢量涡旋光束生成器(A)用于生成的矢量涡旋光束，所述衰减片(B)用于控制光束功率变化，光束经过非局域非线性介质(C)传播，透过光阑(D)，经过线偏振片(E)得到得到线偏振光，线偏振光通过λ/4波片(F)得到左旋和右旋圆偏振光，并于接收装置(G)呈现左旋和右旋圆偏振光图像，测量左旋与右旋圆偏振光环形分布的间距；
矢量涡旋光束生成器(A)生成的角向偏振变化的矢量涡旋光束表示为：
其中A0表示振幅， 分别表示点(x,y)的极化半径和角向角度，w0是基模高斯光束的腰斑半径，m和n分别是偏振和涡旋拓扑荷数；ex和ey分别是x方向和y方向上的单位向量。
2.根据权利要求1所述的一种基于矢量涡旋光束的正交圆偏振光的测距系统，其特征在于，所述线偏振光为沿π/4或3π/4方向偏振的线偏振光。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于矢量涡旋光束的正交圆偏振光的测距系统，其特征在于，矢量涡旋光束生成器(A)，衰减片(B)，非局域非线性介质(C)，一个小孔径光阑(D)，线偏振片(E)和λ4波片(F)以及CCD接收装置(G)沿光束方向依次设置。
4.根据权利要求1所述的一种基于矢量涡旋光束的正交圆偏振光的测距系统，其特征在于，所述非局域非线性介质(C)为液晶，所述非局域非线性介质(C)的厚度可调。
5.根据权利要求1所述的一种基于矢量涡旋光束的正交圆偏振光的测距系统，其特征在于，所述接收装置(G)为CCD接收装置。
6.根据权利要求4所述的一种基于矢量涡旋光束的正交圆偏振光的测距系统，其特征在于，该系统装置通过调控光束功率，或通过调控液晶厚度，或拓扑荷数m,n中的任意一个或多个参数，可以调控左旋圆偏振与右旋圆偏振环形分布之间的距离。
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