CN109557679A - 一种基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置，包括径向偏振变化的矢量光束生成器A，功率调节器B，非局域非线性介质C，容积尺寸控制器D，一个小孔径光阑E，线偏振片F以及图像传感器G和电脑H，从径向偏振变化的矢量光束生成器A出射偏振态径向变化的矢量光束，经过在强非局域非线性介质C中传播后，透过对光束起限制作用的光阑E后经过线偏振片F得到线偏振光。通过图像传感器G接收，在连接图像传感器G的电脑H上与图像传感器相匹配的软件中呈现径向变化的矢量光束的线偏振态分布图。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置。
背景技术
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。矢量光束由于其独特的偏振态，在光场时空演化及其与其他物质相互作用中起着非常重要的作用，表现出一些不同于标量场的新性质。矢量光场的独特性质在生物光子学、量子信息、近场光学、光学微操纵、单分子成像、超分辨显微、激光加速、微加工等领域有着巨大地潜在应用价值。
根据光矢量的传播不同，可以将其分为线偏振光与椭圆偏振光两种。线偏振光指的是光矢量振动方向的唯一性，这种线偏振光也被称为平面偏振光；椭圆偏振光则区别于线偏振光，根据光矢量转动过程中的振动强弱变化情况，可以将其分为椭圆偏振光与圆偏振光。为便于理解，可以将椭圆偏振光看作两个相互垂直方向上的线偏振光的矢量合成。
在现实生活中，线偏振光技术的应用较为广泛，如当前较为火热的3D电影、红外偏振光治疗仪等。在传统2D电影基础上发展起来的3D电影，为广大消费者带来了全新的视听体验。从技术角度分析，以往2D电影所展现的仅仅是左右、上下的平面空间，3D电影则能够呈现出包括前后在内的三维空间，这就是利用了偏振光的原理。在拍摄过程中，摄影师同时使用两台摄像机模拟人眼录制视频，进而得到两个不同视角看到的视频图像，其中，这两台摄像机的镜头分别加入了偏振片，且两者能够通过的偏振光矢量方向呈90°夹角，即正交偏振光。在观看此类影片的过程中，需要佩戴专业的眼镜(3D眼镜)才能够看到清晰的电影画面，该眼镜也是利用了偏振光的原理，左右两个镜片的偏振光矢量在方向上相互垂直，即为正交偏振光，且与录制视频时摄像机镜头偏振片的左右设置相一致，左边眼镜只能看到左边摄像机录制的视频，右边眼镜只能看到右边摄像机录制的视频，两个影像在人的大脑中进行合成，视频的空间层次感也就体现出来。
此基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置可以用可用于需要正交线偏振光与单一方向线偏振光之间的转换的复杂系统，该装置成本较低，价格便宜，方便组装且应用广泛。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置，且在同一套装置中，通过改变输入功率Pin的大小或者液晶厚度(也即传播距离z)，可实现沿45°方向偏振的线偏振光，沿135°方向偏振的线偏振光，或沿45°和135°线偏振光同时存在的正交线偏振光的随意转换(将获得的沿45°和135°正交的线偏振光旋转一定角度从而得到沿其他方向偏振的正交线偏振光，如沿水平和竖直方向的正交线偏振光)。
本发明通过以下技术方案来实现：一种基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置，包括径向偏振变化的矢量光束生成器A，功率调节器B，非局域非线性介质C，容积尺寸控制器D，一个小孔径光阑E，线偏振片F以及图像传感器G和电脑H，所述矢量光束生成器A生成的角向偏振变化的矢量光束表示为：
其中r,θ表示矢量光束传播的径向坐标轴，z表示矢量光束在传播方向z轴上的传播距离，所述z轴为水平轴且平行于所述非局域非线性介质C的厚度方向，E(r,θ,z＝0)表示矢量光场的电场表达式，A0表示振幅，r0为矢量光束传播初始半径，w0是基模高斯光束的腰斑半径，l是与偏振态分布径向变化周期相关的调制参数，ex和ey分别是x方向和y方向上的单位向量，i表示虚数单位；
其中，矢量光束生成器A生成偏振态径向变化的矢量光束，经过在所述非局域非线性介质C中传播后，透过对所述矢量光束起限制作用的光阑E后经过线偏振片F得到线偏振光，所述线偏振光通过图像传感器G接收，在连接所述图像传感器G的电脑H上与图像传感器G相匹配的软件中呈现径向变化的矢量光束的线偏振态分布图。
进一步地，所述非局域非线性介质为向列相液晶或铅玻璃。
进一步地，所述线偏振光为两种同时存在且相互正交的线偏振光。
进一步地，通过改变所述功率调节器B的功率获得所述两种同时存在且相互正交的线偏振光；或者，通过容积尺寸控制器D改变所述非局域非线性介质C的厚度来获得所述两种同时存在且相互正交的线偏振光，所述非局域非线性介质C的厚度即为所述传播距离z。
进一步地，当输入功率Pin一定时，使用图像传感器G获取最初位置的线偏振态分布图，通过容积尺寸控制器D改变矢量光束在非局域非线性介质C中的传播距离z，矢量光束在非局域非线性介质C中传播距离为时，表现为沿45°方向偏振的线偏振光；矢量光束在非局域非线性介质C中传播距离为时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，将获得的沿45°和135°正交的线偏振光旋转一定角度即可得到沿其他方向偏振的正交线偏振光；所述矢量光束在非局域非线性介质C中传播距离为时，表现为沿135°方向偏振的线偏振光；其中，zp为z的单位长度，Pin表示光束的输入功率，γ是与所述非局域非线性介质C的响应函数相关的材料常数,k＝0,1,2,3…。
进一步地，当所述传播距离z一定时，使用图像传感器G获取最初位置的线偏振态分布图，通过功率调节器B改变矢量光束生成器A的输入功率Pin，从而使传输距离z的单位长度zp发生改变，由于所述矢量光束在所述非局域非线性介质C中传播距离为表现为沿45°偏振的线偏振光，当输入功率改为之前的倍时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，当输入功率改为之前的倍时，表现为沿135°方向偏振的线偏振光；所述矢量光束在所述非局域非线性介质C中传播距离为时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，当输入功率改为之前的倍时，表现为沿45°方向偏振的线偏振光，当输入功率改为之前的倍时，表现为沿135°方向偏振的线偏振光；所述矢量光束在所述非局域非线性介质C中传播距离为时表现为沿135°偏振的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿45°方向偏振的线偏振光，其中，zp为z的单位长度，γ是与所述非局域非线性介质C响应函数相关的材料常数,k＝0,1,2,3…。
附图说明
图1基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置示意图；
图2当输入功率Pin一定时，径向偏振变化的矢量光束的线偏振光的横截面在不同的液晶厚度(传播距离z)的光强分布图；
图3当液晶厚度(传播距离z)一定时，特性位置的径向偏振变化的矢量光束的线偏振光的横截面在不同输入功率下的光强分布图；
图4径向偏振变化的矢量光束的线偏振光(斯托克斯S2分量)的转换率在不同功率下随液晶厚度(传播距离z)的变化。
具体实施方式
矢量涡旋光束是一种各向异性偏振光，即光束横截面不同位置上的偏振态是不同的。正是由于这种新颖的偏振态分布特点，矢量涡旋光束由于其独特的具有螺旋相位的偏振态，在光场时空演化及其与其他物质相互作用中起着非常重要的作用。例如，径向涡旋偏振光束经高数值孔径聚焦，可在焦点附近产生一个很强的纵向光场分量，形成超过衍射极限的聚焦光斑；非局部材料在特定点的折射率与所有其他材料点处的光束强度有关。如果材料响应函数的特征厚度远大于波束宽度，则该介质称为强非局域非线性(SNN)介质。光在许多SNN介质中的新现象已被证明，如异相孤子，压缩塌陷，涡旋孤子，多极孤子，旋转呼吸，方位角，椭圆图和自诱导分数傅里叶变换。本实施例借助矢量涡旋光束在非局域非线性介质(如液晶)中传播，测量非局域非线性介质(如液晶)距离变化。
为了得到SNN介质中的具有角向变化的SoP和螺旋相位的涡旋矢量光束的演变，引入矢量光场在非局域非线性介质中的传播动力学由耦合的非局域非线性薛定谔方程：
其中k＝2π/λ为线性波数，E-和E+代表左旋和右旋圆偏振的表达式且n0,n2分别表示介质的线性折射率和非线性折射系数。是材料的归一化函数，其中和为坐标向量。i表示虚数，其中r,θ表示光束传播的径向坐标轴，z为光束传输方向。光束生成器1矢量涡旋光束为：
其中r,θ表示光束传播的径向坐标轴，z轴表示矢量光束的传播方向，其中z轴为水平轴，且平行于所述非局域非线性介质的厚度方向，因而，相应的传播距离z也即等于所述非局域非线性介质的厚度。E(r,θ,z＝0)表示矢量光场的电场表达式。A0表示振幅，r0为光束传播初始半径，w0是基模高斯光束的腰斑半径，l是与偏振态分布径向变化周期相关的调制参数。ex和ey分别是x方向和y方向上的单位向量。i表虚数单位。所述非局域非线性介质可以为液晶或铅玻璃等材质。
通过令哈密顿量为零，可求解出保持束宽不变所需的临界功率Pcr：
使用MatLab通过分步有限差分方法进行数值计算，采用斯托克斯参数 来说明在强非局域非线性(SNN)介质中的角向矢量涡旋光束的偏振态分布演化。其中S0表示总光束强度，S1表示水平和垂直的线偏振分量，正负分别表示为水平线偏振分量和竖直线偏振分量，S2表示沿45°和135°方向偏振的线偏振分量，正(负)分别表示为45°(135°)方向偏振的线偏振分量。S3表示圆偏振分量，正值表示左旋圆偏振分量，负值表示右旋圆偏振分量。本实施例中讨论是表示45°和135°方向偏振的线偏振分量S2。其他方向的线偏振光S1同样适用且规律一致。
如图1所示，一种基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置，包括径向偏振变化的矢量光束生成器A，功率调节器B，非局域非线性介质(如液晶)C，容积尺寸控制器D，一个小孔径光阑E，线偏振片F以及图像传感器(如CCD)G和电脑H。其中xy平面为光束的横截面，xz平面为光束的纵切面。
矢量光束生成器A生成偏振态径向变化的矢量光束，经过在强非局域非线性介质(如液晶)C中传播后，透过对光束起限制作用的光阑E后经过线偏振片F得到线偏振光。通过图像传感器(CCD)G接收，在连接CCD的电脑H上与图像传感器相匹配的软件中呈现径向变化的矢量光束的线偏振态分布图。本发明中，通过改变输入功率Pin的大小或者液晶厚度(传播距离z)，可得到沿45°方向偏振的线偏振光，沿135°方向偏振的线偏振光，或沿45°和135°线偏振光同时存在的正交线偏振光的随意转换(将获得的沿45°和135°正交的线偏振光旋转一定角度从而得到沿其他方向偏振的正交线偏振光，如沿水平和竖直方向的正交线偏振光)。具体如下：
(a)当输入功率Pin一定时，使用CCD图像传感器获取最初位置的线偏振态分布图，通过容积尺寸控制器C改变矢量光束在非局域非线性介质中(如液晶)的厚度(传播距离z)：光束在液晶介质中传播距离为时，表现为沿45°方向偏振的线偏振光；光束在液晶介质中传播距离为时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，将获得的沿45°和135°正交的线偏振光旋转一定角度即可得到沿其他方向偏振的正交线偏振光；光束在液晶介质中传播距离为时，表现为沿135°方向偏振的线偏振光。其中，z表示液晶厚度(传播距离)，zp为z的单位长度。Pin表示光束的输入功率，γ是与所述液晶介质响应函数相关的材料常数,k＝0,1,2,3…。此装置可通过控制液晶厚度(传播距离z)实现沿45°方向偏振的线偏振光，沿135°方向偏振的线偏振光，或沿45°和135°线偏振光同时存在的正交线偏振光的随意转换；
(b)当液晶厚度(传播距离z)一定时，使用CCD图像传感器获取最初位置的线偏振态分布图，通过功率调节器改变矢量光束生成器中激光器的输入功率，从而使传输距离z的单位长度zp发生改变，由于光束在液晶介质中传播距离为表现为沿45°偏振的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿135°方向偏振的线偏振光；光束在液晶介质中传播距离为时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿45°方向偏振的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿135°方向偏振的线偏振光；光束在液晶介质中传播距离为时表现为沿135°偏振的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿45°方向偏振的线偏振光。其中，z表示液晶厚度(传播距离)，zp为z的单位长度。Pin表示光束的输入功率，γ是与所述液晶介质响应函数相关的材料常数,k＝0,1,2,3…。此装置可通过改变输入功率实现沿45°方向偏振的线偏振光，沿135°方向偏振的线偏振光，或沿45°和135°线偏振光同时存在的正交线偏振光的随意转换；
图2当输入功率Pin一定时，使用CCD图像传感器获取最初位置的线偏振态分布图，通过容积尺寸控制器C改变矢量光束在非局域非线性介质中的液晶厚度(传播距离z)，光束在液晶介质中传播距离为(a)(b)(c)(d)z＝π×zp，(e)时，偏振态分布以为周期的变化，线偏振光表现为由沿45°偏振的线偏振光，沿135°偏振的线偏振光和沿45°和135°正交的线偏振光。由图2可知，光束在液晶介质中传播距离为时，表现为沿45°方向偏振的线偏振光；光束在液晶介质中传播距离为时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，将获得的沿45°和135°正交的线偏振光旋转一定角度即可得到沿其他方向偏振的正交线偏振光；光束在液晶介质中传播距离为时，表现为沿135°方向偏振的线偏振光。其中：正值代表此时线偏振态为沿45°偏振的线偏振光，负值表示沿135°偏振的线偏振光。图2中横纵坐标表示xy平面(矢量涡旋光束横截面)的x轴，y轴坐标，单位为w0。
图3表明了当液晶厚度(传播距离z)一定时，在一些特定的位置的横截面观察其偏振态分布:可以得出：不同的偏振态分布，通过功率调节器改变矢量光束生成器中激光器的输入功率，同样可以获得正交的线偏振光。图3所示为k＝0的情况，同理k为其他值同样成立。
符合之前的结论：光束在液晶介质中传播距离为表现为沿45°偏振的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿135°方向偏振的线偏振光；光束在液晶介质中传播距离为时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿45°方向偏振的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿135°方向偏振的线偏振光；光束在液晶介质中传播距离为时表现为沿135°偏振的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿45°方向偏振的线偏振光。其中，z表示液晶厚度(传播距离)，zp为z的单位长度。Pin表示光束的输入功率，γ是与所述液晶介质响应函数相关的材料常数,k＝0,1,2,3…。此装置可通过改变输入功率实现沿45°方向偏振的线偏振光，沿135°方向偏振的线偏振光，或沿45°和135°线偏振光同时存在的正交线偏振光的随意转换；
图2与图3均为径向矢量涡旋光束经过非局域非线性(液晶)后的斯托克斯参量S2的分布图，即沿45°或135°方向偏振的线偏振光。
图4是原点处(光束中心)的S2对S0最大值的归一化曲线，这样可以清楚得看出线偏振在不同功率下随液晶厚度(传播距离z)的变化情况，其中(a)Pin＝2Pcr/3；(b)Pin＝Pcr；(c)Pin＝3Pcr/2.由图可知，表明了可以通过功率调节器改变矢量光束生成器中激光器的输入功率或者通过容积尺寸控制器C改变矢量光束在非局域非线性介质中的液晶厚度(传播距离z)，可实现沿45°方向偏振的线偏振光，沿135°方向偏振的线偏振光，或沿45°和135°线偏振光同时存在的正交线偏振光的转换，得到调控我们需要的线偏振光。
Claims (6)
1.一种基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置，其特征在于，包括径向偏振变化的矢量光束生成器A，功率调节器B，非局域非线性介质C，容积尺寸控制器D，一个小孔径光阑E，线偏振片F以及图像传感器G和电脑H，所述矢量光束生成器A生成的角向偏振变化的矢量光束表示为：
其中r,θ表示矢量光束传播的径向坐标轴，z表示矢量光束在传播方向z轴上的传播距离，所述z轴为水平轴且平行于所述非局域非线性介质C的厚度方向，E(r,θ,z＝0)表示矢量光场的电场表达式，A0表示振幅，r0为矢量光束传播初始半径，w0是基模高斯光束的腰斑半径，l是与偏振态分布径向变化周期相关的调制参数，ex和ey分别是x方向和y方向上的单位向量，i表示虚数单位；
其中，矢量光束生成器A生成偏振态径向变化的矢量光束，经过在所述非局域非线性介质C中传播后，透过对所述矢量光束起限制作用的光阑E后经过线偏振片F得到线偏振光，所述线偏振光通过图像传感器G接收，在连接所述图像传感器G的电脑H上与图像传感器G相匹配的软件中呈现径向变化的矢量光束的线偏振态分布图。
2.根据权利要求1所述的基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置，其特征在于，所述非局域非线性介质为向列相液晶或铅玻璃。
3.根据权利要求1所述的基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置，其特征在于，所述线偏振光为两种同时存在且相互正交的线偏振光。
4.根据权利要求3所述的基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置，其特征在于，通过改变所述功率调节器B的功率获得所述两种同时存在且相互正交的线偏振光；或者，通过容积尺寸控制器D改变所述非局域非线性介质C的厚度来获得所述两种同时存在且相互正交的线偏振光，所述非局域非线性介质C的厚度即为所述传播距离z。
5.根据权利要求4所述的基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置，其特征在于：
当输入功率Pin一定时，使用图像传感器G获取最初位置的线偏振态分布图，通过容积尺寸控制器D改变矢量光束在非局域非线性介质C中的传播距离z，矢量光束在非局域非线性介质C中传播距离为时，表现为沿45°方向偏振的线偏振光；矢量光束在非局域非线性介质C中传播距离为时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，将获得的沿45°和135°正交的线偏振光旋转一定角度即可得到沿其他方向偏振的正交线偏振光；所述矢量光束在非局域非线性介质C中传播距离为时，表现为沿135°方向偏振的线偏振光；其中，zp为z的单位长度，Pin表示光束的输入功率，γ是与所述非局域非线性介质C的响应函数相关的材料常数,k＝0,1,2,3…。
6.根据权利要求4所述的基于径向偏振变化的矢量光束的线偏振光生成装置，其特征在于：
当所述传播距离z一定时，使用图像传感器G获取最初位置的线偏振态分布图，通过功率调节器B改变矢量光束生成器A的输入功率Pin，从而使传输距离z的单位长度zp发生改变，由于所述矢量光束在所述非局域非线性介质C中传播距离为表现为沿45°偏振的线偏振光，当输入功率改为之前的倍时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，当输入功率改为之前的倍时，表现为沿135°方向偏振的线偏振光；所述矢量光束在所述非局域非线性介质C中传播距离为时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，当输入功率改为之前的倍时，表现为沿45°方向偏振的线偏振光，当输入功率改为之前的倍时，表现为沿135°方向偏振的线偏振光；所述矢量光束在所述非局域非线性介质C中传播距离为时表现为沿135°偏振的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿45°和135°正交的线偏振光，当功率改为之前的倍时，表现为沿45°方向偏振的线偏振光，其中，zp为z的单位长度，γ是与所述非局域非线性介质C响应函数相关的材料常数,k＝0,1,2,3…。
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