CN109613710B - 一种集成化的矢量光场生成器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成化的矢量光场生成器。所述矢量光场生成器中的集成化生成器由偏振分束器、后向反射器、直角棱镜等常用器件一体集成化贴合而成，制作十分方便，并且紧密贴合的结构中无空气扰动的影响，因此更加稳定；后向反射棱镜和直角棱镜均可对光束产生180°后向反射，光束位置偏移均是中心对称的，这两个特点保证了在将两束光进行重合调节时非常容易；并且本发明采用偏振分束器合成两束光，无衍射级次的损耗，因此能量损失小。此外，后向反射棱镜和直角棱镜均为全内反射，反射率高，因此本发明生成器产生的矢量光场效率更高。本发明提供的集成化的矢量光场生成器具有结构紧凑、工作稳定、光束重合调节方便、能量损失小以及高效率的优点。
Description
技术领域
本发明涉及矢量光场生成技术领域，特别是涉及一种集成化的矢量光场生成器。
背景技术
矢量光场(vectoroptical field，VOF)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。最典型的两类矢量光场是：径向偏振矢量光场(偏振态沿径向分布)、旋向偏振矢量光场(偏振态沿旋向分布)。其中，径向偏振矢量光场紧聚焦情况下具有超衍射极限的特性。矢量光场广泛应用于光镊、飞秒成丝、飞秒微纳加工、超分辨成像、表面等离激元、光通信、量子通信等众多领域。
如何高效、灵活的产生矢量光场一直是本领域的研究热点。目前，矢量光场有主动法和被动法两类产生方法。主动法是指通过设计激光器的谐振腔，直接输出矢量光场，此类方法高效却缺乏灵活性。被动法是指将传统激光器输出的标量光场通过一些器件或者装置转化成矢量光场。被动法又有直接法和间接法两类。其中，直接法使用q-plate(q板)、超表面材料、微型光学元件等直接将标量光场转化成特定的矢量光场；间接法一般是通过将两束偏振态正交的光场相干叠加产生矢量光场，故又称干涉法。干涉法中两束光的相位分布可通过空间光调制器(spatial light modulator，SLM)、数字微镜器(DigitalMicromirror Device，DMD)等进行调控，具有很高的灵活性。然而，传统的干涉法主要由干涉仪实现，干涉仪中各器件是分离的，对震动响应不同，且容易受空气扰动影响，因此产生的矢量光场不稳定；并且在将两束光叠加时，当使用的合束器是Ronchi(朗奇)光栅时，会产生多个衍射级次，造成能量损失；当使用的合束器是beam splitter(分束器)时，会面临两束光重合调节难度大、干涉仪不稳定等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成化的矢量光场生成器，以解决传统干涉仪能量损失大、光束重合调节难度大及稳定性差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种集成化的矢量光场生成器，所述矢量光场生成器包括：第一二分之一玻片、集成化生成器、第一四分之一玻片、第二二分之一玻片、第二四分之一玻片以及第三四分之一玻片；所述集成化生成器包括偏振分束器、第一相位延迟片、第一光程补偿玻璃、后向反射棱镜、第二相位延迟片、第二光程补偿玻璃、第三光程补偿玻璃和直角棱镜；
所述第一相位延迟片和所述第一光程补偿玻璃并排贴合在所述偏振分束器的第一侧面上；所述后向反射棱镜的前端面与所述第一相位延迟片及所述第一光程补偿玻璃贴合；所述第二相位延迟片和所述第二光程补偿玻璃并排贴合在所述偏振分束器的第二侧面上；所述第二侧面与所述第一侧面相邻；所述第三光程补偿玻璃的前表面与所述第二相位延迟片及所述第二光程补偿玻璃贴合；所述直角棱镜的前端面与所述第三光程补偿玻璃的后表面贴合；
所述第一二分之一玻片设置在正对所述偏振分束器第四侧面的一侧，所述第一二分之一玻片与所述偏振分束器的第四侧面平行；所述第一四分之一玻片、所述第二二分之一玻片、所述第二四分之一玻片以及所述第三四分之一玻片由近及远设置在所述偏振分束器第三侧面的一侧，所述第一四分之一玻片、所述第二二分之一玻片、所述第二四分之一玻片以及所述第三四分之一玻片均与所述偏振分束器的第三侧面平行。
可选的，所述偏振分束器为正方体形，正方体形的所述偏振分束器的边长为D。
可选的，所述后向反射棱镜为一个由实心N-BK7玻璃制作的具有三个相互垂直的后端内反射面的棱镜。
可选的，所述后向反射棱镜的前端面是边长为D的正方形；所述后向反射棱镜的总长度为L。
可选的，所述第一相位延迟片为石英晶体制成的零级玻片。
可选的，所述直角棱镜由N-BK7玻璃制作而成；所述直角棱镜的前端面是边长为D的正方形；所述直角棱镜的直角边长度为
可选的，所述第二相位延迟片为由石英晶体制成的零级二分之一玻片；所述第二相位延迟片的光轴放置在45°。
可选的，所述第一相位延迟片为长方体形；所述第一相位延迟片的长为D，宽为D/2，厚度为L2；所述第二相位延迟片、所述第一光程补偿玻璃以及所述第二光程补偿玻璃与所述第一相位延迟片的形状、大小均相同。
可选的，所述第三光程补偿玻璃由N-BK7玻璃制成；所述第三光程补偿玻璃为长方体形，所述第三光程补偿玻璃的长、宽均为D，厚度为L1；其中D+2*L1＝2L。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种集成化的矢量光场生成器，所述矢量光场生成器中的集成化生成器由常用器件，如偏振分束器、后向反射器、直角棱镜等一体集成化贴合而成，制作十分方便，并且紧密贴合的结构中无空气扰动的影响，因此更加稳定。本发明集成化的矢量光场生成器中，后向反射棱镜和直角棱镜均可对光束产生180°后向反射，光束位置偏移均是中心对称的，这两个特点保证了在将两束光进行重合调节时非常容易。并且本发明采用偏振分束器合成两束光，无衍射级次的损耗，因此能量损失小。此外，后向反射棱镜和直角棱镜均为全内反射，反射率高，因此本发明生成器产生的矢量光场效率更高。与传统的干涉仪式的VOF产生装置相比，本发明提供的集成化的矢量光场生成器具有结构紧凑、工作稳定、光束重合调节方便、能量损失小以及高效率的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的集成化的矢量光场生成器的整体结构及光路示意图；
图2为本发明提供的矢量光场生成器中集成化生成器的结构示意图；
图3为本发明提供的后向反射棱镜RR的整体结构示意图；
图4为本发明提供的后向反射棱镜RR的仰视图；
图5为本发明提供的后向反射棱镜RR的右视图；
图6为本发明提供的后向反射棱镜RR的后视图；
图7为本发明提供的直角棱镜RAP的整体结构示意图；
图8为本发明提供的直角棱镜RAP的俯视图；
图9为本发明提供的直角棱镜RAP的右视图；
图10为本发明提供的直角棱镜RAP的后视图；
图11为本发明提供的第三光程补偿玻璃CG3的整体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种集成化的矢量光场生成器，以解决传统干涉仪能量损失大、光束重合调节难度大及稳定性差的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的集成化的矢量光场生成器的整体结构及光路示意图。参见图1，本发明提供的所述矢量光场生成器包括：第一二分之一玻片HWP1、集成化生成器、第一四分之一玻片QWP1、第二二分之一玻片HWP2、第二四分之一玻片QWP2以及第三四分之一玻片QWP3。
图2为本发明提供的矢量光场生成器中集成化生成器的结构示意图。参见图2，所述集成化生成器包括偏振分束器PBS、第一相位延迟片PR1、第一光程补偿玻璃CG1、后向反射棱镜RR、第二相位延迟片PR2、第二光程补偿玻璃CG2、第三光程补偿玻璃CG3和直角棱镜RAP。本发明中，PBS(polarized beam splitter)表示偏振分束器；PR(phase retarder)表示相位延迟片；CG(compensation glass)表示光程补偿玻璃；RR(retroreflector)表示后向反射棱镜；RAP(right angleprism)表示直角棱镜。如图1所示，所述偏振分束器PBS包括依次相邻的四个侧面：第一侧面1、第二侧面2、第三侧面3和第四侧面4。
如图2所示，所述第一相位延迟片PR1和所述第一光程补偿玻璃CG1并排贴合在所述偏振分束器PBS的第一侧面1上。所述后向反射棱镜RR的前端面与所述第一相位延迟片PR1及所述第一光程补偿玻璃CG1贴合。所述第二相位延迟片PR2和所述第二光程补偿玻璃CG2并排贴合在所述偏振分束器PBS的第二侧面2上；所述第二侧面2与所述第一侧面1相邻。所述第三光程补偿玻璃CG3的前表面与所述第二相位延迟片PR2及所述第二光程补偿玻璃CG2贴合。所述直角棱镜RAP的前端面与所述第三光程补偿玻璃CG3的后表面贴合。所述集成化生成器中的各组件通过光胶贴合，构成集成后的生成器。
其中，所述偏振分束器PBS为正方体形，正方体形的所述偏振分束器PBS的边长为D。
图3为本发明提供的后向反射棱镜RR的整体结构示意图。图4为本发明提供的后向反射棱镜RR的仰视图。图5为本发明提供的后向反射棱镜RR的右视图。图6为本发明提供的后向反射棱镜RR的后视图。如图3至图6所示，所述后向反射棱镜RR为一个由实心N-BK7玻璃制作的具有三个相互垂直的后端内反射面的棱镜。N-BK7是由Schott设计用于多种可见光应用的最常见的硼硅酸盐冠状玻璃。为与所述偏振分束器PBS的尺寸相吻合，提高整体美观性和便于贴合，将所述后向反射棱镜的前端面设置为边长为D的正方形。所述后向反射棱镜的总长度为L。光束进入所述后向反射棱镜RR后，通过三次全内反射，光束将沿原入射方向反向出射。由于后向反射棱镜RR对入射角不敏感，即使入射角度不是零度，光束仍将被180°反射。入射光以大约55°的入射角入射到后向反射镜RR的每个反射面，光束的s偏振分量和p偏振分量将会经历不同的位相延迟，并最终取决于经过的反射面的顺序。竖直偏振光入射到所述后向反射镜RR内经过三次全内反射，变成椭圆偏振光。
其中，所述第一相位延迟片PR1为石英晶体制成的零级玻片。石英晶体是双折射晶体，对不同方向的偏振光具有不同的折射率。两片有一定厚度差的石英晶体的光轴正交贴合，可以产生所需要的零级相位延迟。零级玻片对温度和波长不敏感。所述第一相位延迟片PR1放置在一定角度，将经过后向反射镜RR后生成的椭圆偏振光旋转成水平偏振光。
图7为本发明提供的直角棱镜RAP的整体结构示意图。图8为本发明提供的直角棱镜RAP的俯视图。图9为本发明提供的直角棱镜RAP的右视图。图10为本发明提供的直角棱镜RAP的后视图。如图7至图10所示，所述直角棱镜RAP由N-BK7玻璃制作而成。为与偏振分束器PBS尺寸吻合，提高美观性和便于贴合，所述直角棱镜RAP的前端面设置为边长为D的正方形；所述直角棱镜的直角边长度为
其中，所述第二相位延迟片PR2为由石英晶体制成的零级二分之一(HWP，half-wave plate)玻片。所述第二相位延迟片PR2的光轴放置在45°，用于将水平偏振光旋转成竖直偏振光。
所述第二相位延迟片PR2、所述第一光程补偿玻璃CG1以及所述第二光程补偿玻璃CG2与所述第一相位延迟片PR1的形状、大小均相同。PR1、PR2、CG1、CG2均为长方体形，且PR1、PR2、CG1、CG2的厚度相同，厚度均为L2；长均为D，宽均为D/2，以便贴合平整。CG1、CG2与PR1、PR2厚度相同，主要是为了方便贴合，在PBS和CG3、以及PBS和RR间不留空隙；另一方面设置CG1、CG2与PR1、PR2厚度相同是为了保证光程相等。
图11为本发明提供的第三光程补偿玻璃CG3的整体结构示意图。所述第三光程补偿玻璃CG3由N-BK7玻璃制成；所述第三光程补偿玻璃CG3为长方体形，所述第三光程补偿玻璃CG3的长、宽均为D，厚度为L1。所述第三光程补偿玻璃CG3用来补偿后向反射棱镜RR与直角棱镜RAP的光程差。
一般情况下，由后向反射镜RR的结构特征决定了L>D/2，后向反射镜RR内往返光程为2nL，其中n为N-BK7的折射率。直角棱镜RAP内往返光程为nD。第三光程补偿玻璃CG3内往返光程为2nL1。为了保证更好的相干叠加，经过后向反射镜RR和直角棱镜RAP反射回偏振分束器PBS的光应满足等光程的要求，即满足D+2*L1＝2L。
如图1所示，所述集成化生成器在使用时，所述第一二分之一玻片HWP1设置在正对所述偏振分束器PBS第四侧面4的一侧，所述第一二分之一玻片HWP1与所述偏振分束器PBS的第四侧面4平行；所述第一四分之一玻片QWP1、所述第二二分之一玻片HWP2、所述第二四分之一玻片QWP2以及所述第三四分之一玻片QWP3由近及远设置在所述偏振分束器PBS第三侧面3的一侧，所述第一四分之一玻片QWP1、所述第二二分之一玻片HWP2、所述第二四分之一玻片QWP2以及所述第三四分之一玻片QWP3均与所述偏振分束器PBS的第三侧面3平行。
参见图1，所述集成化的矢量光场生成器的使用方法及矢量光场产生原理为：
携带轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)的扭曲光twisted light经过第一二分之一玻片HWP1后由a处入射，入射光场可描述为
其中|ψi＞是扭曲光入射光子的量子态。|H>是光子的水平偏振分量的量子态表示，|V>是光子的竖直偏振分量的量子态表示。A1、A2是系数，分别代表光子水平、竖直分量所占比率。a、b、c、d是指图1中的路径a、b、c、d。m是光子的轨道角动量拓扑荷数，|m>是拓扑荷数为m的光子的量子态。
携带OAM的扭曲光twistedlight采用空间光调制器或q-plate生成。扭曲光twistedlight由a处经偏振分束器PBS的第四侧面4入射至PBS内部，偏振分束器PBS将入射光场分成b、c两路。第一二分之一玻片HWP1用于调节b、c两路比重，这一过程可描述为：
其中|H,m>表示偏振态为水平H且拓扑荷数为m的光子的量子态，|H，m>c即表示c路偏振态为水平H且拓扑荷数为m的光子的量子态。|V，-m>表示偏振态为竖直V且拓扑荷数为-m的光子的量子态，|V，-m>b即表示b路偏振态为竖直V且拓扑荷数为-m的光子的量子态。
H(竖直)偏振分量透过PBS(polarized beam splitter，偏振分束器)进入c路，经过直角棱镜RAP的两次反射后180°返回，再被第二相位延迟片PR2变成V(水平)偏振，最后被PBS反射进入d路，其OAM拓扑荷数变为-m。另一路V分量被PBS反射进入b路，又经过后向反射镜RR的三次反射后180°返回，再被第一相位延迟片PR1变成H偏振，最后透过PBS同样进入d路，其OAM拓扑荷数变为m。在d路上的H、V分量的光要求完美重合，这可通过对集成化生成器进行多个维度的调节实现。此时d路光场的态可以描述为：
其中|V，-m>d表示d路偏振态为竖直V且拓扑荷数为-m的光子的量子态，|H，m>d表示d路偏振态为水平H且拓扑荷数为m的光子的量子态，
表示d路上H、V分量间的相位差。
从d路出射的光场依次经过第一四分之一玻片QWP1、第二二分之一玻片HWP2、第二四分之一玻片QWP2和第三四分之一玻片QWP3后，生成矢量光场。
在d路上的第一四分之一玻片QWP1、第二二分之一玻片HWP2、第二四分之一玻片QWP2三者整体构成一个相位延迟器，用来在H、V分量间引入一个几何相位Δφ。其中QWP1、QWP2是四分之一玻片(quarter-wave plate)，HWP2是二分之一玻片(half-wave plate)。
第一四分之一玻片QWP1、第二四分之一玻片QWP2的快轴角度均固定在45°。第二二分之一玻片HWP2的角度可旋转，若HWP2快轴与水平方向夹角为θ，则Δφ＝4θ。第三四分之一玻片QWP3快轴固定在-45°，用于将H、V分量分别变成左旋L、右旋R圆偏振光，即：
其中|H>表示光子的水平偏振分量的量子态，|V>表示光子的竖直偏振分量的量子态。L、R分别表示左、右旋圆偏振光。|L>表示左旋圆偏振光的量子态，|R>表示右旋圆偏振光的量子态，i为虚数单位。
左、右旋圆偏振光叠加即可产生矢量光场(vectoroptical field，VOF),即：
|ψf>＝A1|R,-m>d+eiΔA2|L,m>d
其中|ψf>表示矢量光场生成器产生的矢量光场的量子态，|R，-m>d表示d路拓扑荷数为-m的右旋圆偏振光的量子态，|L，m>d表示d路拓扑荷数为m的左旋圆偏振光的量子态。
Δφ表示H、V分量间的几何相位，由QWP1、HWP2、QWP2三者整体构成的相位延迟器引入。
通过调节第一二分之一玻片HWP1改变系数A1、A2，调节第二二分之一玻片HWP2改变Δ。采用空间光调制器或q-plate生成携带OAM为m的入射光场(扭曲光)，经过本发明提供的集成化的矢量光场生成器即可产生需要的矢量光场。比如，当A1＝A2，m＝1，Δ＝0，可以产生径向偏振矢量光场；当A1＝A2，m＝1，Δ＝π，可以产生旋向偏振矢量光场。
本发明生成器是集成化的，由常用器件，如偏振分束器(PBS)、后向反射器(RR)、直角棱镜(RAP)等贴合制成，容易制作。与传统的干涉仪式的VOF产生装置相比，本发明集成化的生成器具有很多优点：紧凑、稳定、高效率等。同时，RR和RAP均对光束可产生180°后向反射，光束位置偏移均是中心对称，这两个特点保证了在将两束光重合调节时非常容易。
现有的干涉法是由干涉仪构成，干涉仪中的各器件是分离的，容易受空气扰动影响，不稳定。而本发明的矢量光场生成器器是集成化的，集成化生成器内部无空气扰动的影响，因此更加稳定。
在传统的干涉法中，当使用的合束器是Ronchi光栅时，会产生多个衍射级次，造成能量损失。而本发明的使用是偏振分束器(polarizedbeam splitter，PBS)合成两束光，无衍射级次的损耗。同时，后向反射棱镜(retroreflector，RR)和直角棱镜(rightangleprism，RAP)是全内反射，反射率高。所以本发明效率更高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种集成化的矢量光场生成器，其特征在于，所述矢量光场生成器包括：第一二分之一玻片、集成化生成器、第一四分之一玻片、第二二分之一玻片、第二四分之一玻片以及第三四分之一玻片；所述集成化生成器包括偏振分束器、第一相位延迟片、第一光程补偿玻璃、后向反射棱镜、第二相位延迟片、第二光程补偿玻璃、第三光程补偿玻璃和直角棱镜；
所述偏振分束器包括依次相邻的四个侧面：第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面；所述第一相位延迟片和所述第一光程补偿玻璃并排贴合在所述偏振分束器的第一侧面上；所述后向反射棱镜的前端面与所述第一相位延迟片及所述第一光程补偿玻璃贴合；所述第二相位延迟片和所述第二光程补偿玻璃并排贴合在所述偏振分束器的第二侧面上；所述第三光程补偿玻璃的前表面与所述第二相位延迟片及所述第二光程补偿玻璃贴合；所述直角棱镜的前端面与所述第三光程补偿玻璃的后表面贴合；
所述第一二分之一玻片设置在正对所述偏振分束器第四侧面的一侧，所述第一二分之一玻片与所述偏振分束器的第四侧面平行；所述第一四分之一玻片、所述第二二分之一玻片、所述第二四分之一玻片以及所述第三四分之一玻片由近及远设置在所述偏振分束器第三侧面的一侧，所述第一四分之一玻片、所述第二二分之一玻片、所述第二四分之一玻片以及所述第三四分之一玻片均与所述偏振分束器的第三侧面平行。
2.根据权利要求1所述的矢量光场生成器，其特征在于，所述偏振分束器为正方体形，正方体形的所述偏振分束器的边长为D。
3.根据权利要求1所述的矢量光场生成器，其特征在于，所述后向反射棱镜为一个由实心N-BK7玻璃制作的具有三个相互垂直的后端内反射面的棱镜。
4.根据权利要求3所述的矢量光场生成器，其特征在于，所述后向反射棱镜的前端面是边长为D的正方形；所述后向反射棱镜的总长度为L。
5.根据权利要求1所述的矢量光场生成器，其特征在于，所述第一相位延迟片为石英晶体制成的零级玻片。
6.根据权利要求1所述的矢量光场生成器，其特征在于，所述直角棱镜由N-BK7玻璃制作而成；所述直角棱镜的前端面是边长为D的正方形；所述直角棱镜的直角边长度为
7.根据权利要求1所述的矢量光场生成器，其特征在于，所述第二相位延迟片为由石英晶体制成的零级二分之一玻片；所述第二相位延迟片的光轴放置在45°。
8.根据权利要求1所述的矢量光场生成器，其特征在于，所述第一相位延迟片为长方体形；所述第一相位延迟片的长为D，宽为D/2，厚度为L2；所述第二相位延迟片、所述第一光程补偿玻璃以及所述第二光程补偿玻璃与所述第一相位延迟片的形状、大小均相同。
9.根据权利要求4所述的矢量光场生成器，其特征在于，所述第三光程补偿玻璃由N-BK7玻璃制成；所述第三光程补偿玻璃为长方体形，所述第三光程补偿玻璃的长、宽均为D，厚度为L1；其中D+2*L1＝2L。
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