CN110058430B - 一种单偏振相位调制光学器件 - Google Patents

一种单偏振相位调制光学器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单偏振相位调制光学器件，包括相互连接形成一个整体的偏振耦合相位调制元件(1)和非偏振相位调制元件(2)，并分别记为偏振部分和非偏振部分，其可对其中一个正交偏振基底的相位进行增益调制，并抵消对另一正交偏振基底的相位调制。本发明利用偏振耦合相位与偏振无关的相位组合，增益正交偏振基底之一的相位调制，抵消另一正交偏振基底的相位调制，实现了对单一偏振成分进行相位调制的功能，因为不同构件之间采用固定式结构，所以可以稳定实现此功能。

Description

一种单偏振相位调制光学器件
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种单偏振相位调制光学器件。
背景技术
光波的振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，光的偏振是光的波动性的体现。光的偏振空间作为内部空间，由两个正交基底构成。传统的光学器件中，非偏振器件不会对偏振有调制作用，而偏振器件，如半波片、四分之一波片、偏振透镜等偏振器件则会同时对两个正交基底进行调制。特别的，如光以布儒斯特角入射，可使反射光为单一偏振光而不影响另一偏振。另一个例子是原子系综的能级，需要对磁场、温度等环境因素严格控制从而实现对单一偏振的耦合和调制。
目前常用的一种较为普遍的进行单一偏振调制的方法是用偏振分束器对光束按偏振进行分束，使偏振和路径耦合，单一路径中只有一种偏振，从而可在路径之一加入光学器件，而不必担心对另一偏振成分造成影响。但在实际的运用中，往往需要再将两个偏振成分进行合束，整个过程构成了一个完整的路径干涉仪，如马赫-曾德尔干涉仪、萨格纳克干涉仪等。在量子光学领域，自02年Jonathan Leach等人发表文章“Measuring the OrbitalAngular Momentum of a Single Photon”以来，马赫-曾德尔干涉仪开始被广泛用于光学轨道角动量的分束。但是因其稳定性问题，对实验环境的要求极为苛刻。萨格纳克干涉仪是马赫-曾德尔干涉仪的改进版，其在光路中存在共用器件而提高了稳定性，但是在一些复杂实验和应用中会使光路变得极为复杂。其它路径干涉仪如迈克尔逊干涉仪、双折射晶体干涉仪等，同样也存在稳定性和复杂度上的弊端。
随着实验技术的发展，一种不依赖路径分束的偏振干涉系统逐渐投入使用，其中原理便是用光的两个正交的偏振基底代替干涉仪中两个传播路径，在出口用偏振投影代替路径合束，实现光的干涉。在这种光学系统中，往往需要对两个偏振基底之一进行单独操作。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种单偏振相位调制光学器件，其可满足对单一偏振成分进行相位调制而不影响另一成分的功能需求，不需要分束合束即可实现单偏振操作。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种单偏振相位调制光学器件，包括相互连接形成一个整体的偏振耦合相位调制元件和非偏振相位调制元件，并分别记为偏振部分和非偏振部分，其可对其中一个正交偏振基底的相位进行增益调制，并抵消对另一正交偏振基底的相位调制。
本发明进一步的改进在于，偏振部分用于对两个正交基底分别引入共轭的相位调制，采用液晶聚合物或纳米面板制成。
本发明进一步的改进在于，非偏振部分为透镜、柱状透镜、螺旋相位板、加速螺旋相位板、径向相位光栅、角向相位光栅或任意定制相位型图案。
本发明进一步的改进在于，当入射光是以左旋圆偏振和右旋圆偏振为正交偏振基底时，经过该单偏振相位调制光学器件，非偏振部分时得到φ1L和φ1R的相位调制，其中φ1L＝φ1R；经过偏振部分时，对于左旋圆偏振和右旋圆偏振会分别得到φ2L和φ2R的相位调制，其中φ2L＝-φ2R，并且φ2L＝φ1L；所以对于左旋圆偏振和右旋圆偏振得到的总相位调制φL，φR有：φL＝φ1L+φ2L＝2φ1L，φR＝φ1R+φ2R＝0，即对于左旋圆偏振部分得到了2φL1的相位调制，而对于右旋圆偏振部分没有相位调制，从而实现了对单偏振基底进行相位操作的功能。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种单偏振相位调制光学器件，由相互连接形成一个整体的偏振耦合相位调制元件和非偏振相位调制元件组成，分别记为偏振部分和非偏振部分。其中，本发明实现了稳定的单偏振相位调制功能：本发明利用偏振耦合相位与偏振无关的相位组合，增益正交偏振基底之一的相位调制，抵消另一正交偏振基底的相位调制，实现了对单一偏振成分进行相位调制的功能，因为不同构件之间采用固定式结构，所以可以稳定实现此功能，这里涉及的正交偏振基底可以是线偏振的水平偏振和竖直偏振，或者圆偏振的左旋圆偏振和右旋圆偏振，也可以是一般的相互正交的两个椭圆偏振。本发明系统稳定性强：所使用的偏振部分相位调制片的物理结构固定，且不依赖路径分束就能实现干涉效果，大大提高了系统的稳定性。此外，本发明具有更灵活的偏振操作：所设计的器件只对单偏振进行相位调制，即在应用场景中只需考虑对一种偏振的影响，对比传统的偏振器件，有着灵活操作某一偏振而不必担心影响另一偏振的优势。
进一步，偏振部分能够对两个正交基底分别引入共轭的相位调制，采用液晶聚合物、纳米面板材料；而非偏振部分能够引入与偏振无关的相位调制，采用玻璃、光滑金属面偏振无关材料。
进一步，偏振部分和非偏振部分整体可组成一系列的单偏振相位调制器件，实现的单偏振相位调制功能如透镜、柱状透镜、螺旋相位板、加速螺旋相位板、径向相位光栅、角向相位光栅，甚至可拓展至任意相位图案所引入的相位调制。
进一步，以左旋圆偏振(LCP)和右旋圆偏振(RCP)为正交偏振基底的入射光为例，经过单偏振相位调制光学元件的非偏振部分时得到φ1L和φ1R的相位调制，它们是与偏振无关的相位，其中φ1L＝φ1R；经过偏振部分时，对于左旋圆偏振和右旋圆偏振会分别得到φ2L和φ2R的相位调制，它们是与偏振相关的相位，其中φ2L＝-φ2R，并且φ2L＝φ1L。所以对于左旋圆偏振和右旋圆偏振得到的总相位调制φL，φR有：φL＝φ1L+φ2L＝2φ1L，φR＝φ1R+φ2R＝0，即对于左旋圆偏振部分得到了2φL1的相位调制，而对于右旋圆偏振部分没有相位调制，从而实现了对单偏振基底进行相位操作的功能。
进一步，本发明的一种拓展形式是：令偏振部分和非偏振部分的相位调制量的绝对值不相等，即将原有的相位关系变为φ2L≠φ1L，使得右旋圆偏振成分的总相位调制φR≠0，从而实现一类对左旋圆偏振和右旋圆偏振进行可定制差异化相位调制的器件，如对左旋圆偏振和右旋圆偏振有任意不同焦距的透镜、对二者分别加载拓扑荷为任意不同值的螺旋相位的螺旋相位片等。
附图说明
图1是本发明中单偏振相位调制透镜的整体功能示意图；
图2是本发明中单偏振相位调制透镜对正交偏振基底的偏振部分中的左旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图3是本发明中单偏振相位调制透镜对正交偏振基底的偏振部分中的右旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图4是本发明中单偏振相位调制透镜对正交偏振基底的左旋圆偏振基底的总相位调制功能示意图；
图5是本发明中单偏振相位调制透镜对正交偏振基底的右旋圆偏振基底的总相位调制功能示意图；
图6是本发明中单偏振相位调制透镜对正交偏振基底的非偏振部分的相位调制功能示意图；
图7是本发明中单偏振相位调制柱状透镜对正交偏振基底的非偏振部分的相位调制功能示意图；
图8是本发明中单偏振相位调制柱状透镜对正交偏振基底的偏振部分中的左旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图9是本发明中单偏振相位调制柱状透镜对正交偏振基底的偏振部分中的右旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图10是本发明中单偏振相位调制柱状透镜对正交偏振基底的左旋圆偏振基底的总相位调制功能示意图；
图11是本发明中单偏振相位调制柱状透镜对正交偏振基底的右旋圆偏振基底的总相位调制功能示意图；
图12是本发明中单偏振相位调制螺旋相位板对正交偏振基底的非偏振部分的相位调制功能示意图；
图13是本发明中单偏振相位调制螺旋相位板对正交偏振基底的偏振部分中的左旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图14是本发明中单偏振相位调制螺旋相位板对正交偏振基底的偏振部分中的右旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图15是本发明中单偏振相位调制螺旋相位板对正交偏振基底的非偏振部分相位调制和偏振部分左旋圆偏振相位调制功能示意图；
图16是本发明中单偏振相位调制螺旋相位板对正交偏振基底的偏振部分中的右旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图17是本发明中单偏振相位调制螺旋相位板对正交偏振基底的左旋圆偏振基底的总相位调制功能示意图；
图18是本发明中单偏振相位调制螺旋相位板对正交偏振基底的右旋圆偏振基底的总相位调制功能示意图；
图19是本发明中单偏振相位调制加速螺旋相位板对正交偏振基底的非偏振部分的相位调制和偏振部分左旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图20是本发明中单偏振相位调制加速螺旋相位板对正交偏振基底的偏振部分右旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图21是本发明中单偏振相位调制加速螺旋相位板对正交偏振基底的左旋圆偏振基底的总相位调制功能示意图；
图22是本发明中单偏振相位调制加速螺旋相位板对正交偏振基底的右旋圆偏振基底的总相位调制功能示意图；
图23是本发明中单偏振相位调制径向相位型光栅对正交偏振基底的非偏振部分的相位调制和偏振部分左旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图24是本发明中单偏振相位调制径向相位型光栅对正交偏振基底的偏振部分右旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图25是本发明中单偏振相位调制径向相位型光栅对正交偏振基底的左旋圆偏振基底的总相位调制功能示意图；
图26是本发明中单偏振相位调制径向相位型光栅对正交偏振基底的右旋圆偏振基底的总相位调制功能示意图；
图27是本发明中单偏振相位调制角向相位型光栅对正交偏振基底的非偏振部分的相位调制和偏振部分左旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图28是本发明中单偏振相位调制角向相位型光栅对正交偏振基底的偏振部分右旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图29是本发明中单偏振相位调制角向相位型光栅对正交偏振基底的左旋圆偏振基底的总相位调制功能示意图；
图30是本发明中单偏振相位调制角向相位型光栅对正交偏振基底的右旋圆偏振基底的总相位调制功能示意图；
图31是任意定制相位型图案示意图以及本发明中单偏振调制任意定制相位型图案对正交偏振基底的左旋圆偏振基底的总相位调制功能示意图；
图32是本发明中单偏振调制任意定制相位型图案对正交偏振基底的非偏振部分的相位调制和偏振部分左旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图33是本发明中单偏振调制任意定制相位型图案对正交偏振基底的偏振部分右旋圆偏振的相位调制功能示意图；
图34是本发明单偏振相位调制光学器件的三视图；
图35是本发明中单偏振相位调制透镜对应的偏振部分的快轴分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种单偏振相位调制光学器件，包括相互连接形成一个整体的偏振耦合相位调制元件1与非偏振相位调制元件2，分别记为偏振部分和非偏振部分。其可对其中一个正交偏振基底的相位进行增益调制，并抵消对另一正交偏振基底的相位调制。当入射光是以左旋圆偏振(LCP)和右旋圆偏振(RCP)为正交偏振基底时，经过该单偏振相位调制光学器件，非偏振部分时得到φ1L和φ1R的相位调制，其中φ1L＝φ1R；经过偏振部分时，对于左旋圆偏振和右旋圆偏振会分别得到φ2L和φ2R的相位调制，其中φ2L＝-φ2R，并且φ2L＝φ1L。所以对于左旋圆偏振和右旋圆偏振得到的总相位调制φL，φR有：φL＝φ1L+φ2L＝2φ1L，φR＝φ1R+φ2R＝0，即对于左旋圆偏振部分得到了2φL1的相位调制，而对于右旋圆偏振部分没有相位调制，从而实现了对单偏振基底进行相位操作的功能。
本发明提供的一种单偏振相位调制光学器件，可适用于所有可转化为纯相位调制的器件的原理，共设计了七种此类器件。以下，将参照附图详细描述这几种器件的原理及其功能。
在图2-图33所示相位分布图中，均采用图6右侧所示灰度-相位对应关系。
本发明第一种器件：单偏振相位调制透镜，当入射光的正交偏振基底为左旋圆偏振(LCP)和右旋圆偏振(RCP)，经过单偏振相位调制透镜后，非偏振部分相位调制为
Figure GDA0002770451800000071
如图6所示；偏振部分中左旋圆偏振的相位调制为
Figure GDA0002770451800000081
如图2所示；右旋圆偏振的相位调制为
Figure GDA0002770451800000082
如图3所示。最终，总相位调制
Figure GDA0002770451800000083
φR＝0，λ为入射光波长，如图4、图5所示，即对左旋圆偏振基底的相位调制结果与目标透镜相同，而对右旋圆偏振基底无相位调制作用。由此可知器件的总效果为对左旋圆偏振起会聚作用，焦距为f，而对于右旋圆偏振的焦距为+∞，意味着无会聚作用，如图1所示。因此，此器件实现了对单偏振基底进行操作的功能。
本发明第二种器件：单偏振相位调制柱状透镜，普通柱状透镜对入射光只在一个方向上有会聚作用，以y方向聚焦为例，其相位变化可以表示为：
Figure GDA0002770451800000084
在单偏振相位调制柱状透镜的作用下，非偏振部分相位调制为
Figure GDA0002770451800000085
如图7所示。偏振部分相位调制对应左旋圆偏振和右旋圆偏振分别为
Figure GDA0002770451800000086
和
Figure GDA0002770451800000087
如图8和图9所示。总相位调制对应左旋圆偏振和右旋圆偏振为
Figure GDA0002770451800000088
和φR＝0，分别如图10和图11所示。结果表明此器件只对左旋圆偏振有柱状透镜的作用，而对于右旋圆偏振无相位调制作用。
本发明第三种器件：单偏振相位调制螺旋相位板，普通螺旋相位板的作用是使出射光束变为具有螺旋波前的涡旋光束。其相位调制可以表示为
Figure GDA0002770451800000089
其中
Figure GDA00027704518000000814
表示光束横截面极坐标系的方位角，l表示角向相位周期数，取值范围为任意整数，对应光的轨道角动量拓扑荷。以l＝3为例，对应总相位调制
Figure GDA00027704518000000810
在单偏振相位调制螺旋相位板的作用下，非偏振部分相位调制为
Figure GDA00027704518000000811
如图12所示。偏振部分相位调制对应左旋圆偏振和右旋圆偏振为
Figure GDA00027704518000000812
和
Figure GDA00027704518000000813
分别为如图13和图14所示。图12-14实际上采用了先用总相位按照φ＝φ1+φ2分出非偏振相位调制φ1和偏振相位调制φ2，再用二者取余φ1mod＝mod(φ1,2π)，φ2mod＝mod(φ2,2π)计算出最终非偏振-偏振相位调制。另外一种非偏振-偏振相位调制的计算是先用总相位取余φmod＝mod(φ,2π)，再按φmod＝φ'1+φ'2分出非偏振-偏振的相位调制φ'1和φ'2。如图15和图16所示。因为有关系：
mod(mod(φ1,2π)+mod(φ2,2π),2π)＝mod(φ1+φ2,2π)
即mod(φ1mod+φ2mod,2π)＝φmod，所以两种计算方法最终的相位调制效果相同。由于实际非偏振部分的相位调制图与所述偏振部分的相位调制的左旋圆偏振图相同，以下将用同一图片表示。即图15为非偏振部分相位调制和偏振部分左旋圆偏振相位调制图，图16为偏振部分右旋圆偏振的相位调制图。
总相位调制对应左旋圆偏振和右旋圆偏振分别如图17和图18所示。可以看出此器件只对左旋圆偏振有l＝3螺旋相位板的作用，而对于右旋圆偏振无相位调制作用。
本发明第四种器件：单偏振相位调制加速螺旋相位板，普通加速螺旋相位板在螺旋相位板的基础之上加以拓展，对于入射光有
Figure GDA0002770451800000091
的相位变换因子，其中
Figure GDA0002770451800000092
仍为极坐标的方位角，a为任意常数。因出射光的等相位面为非均匀螺旋面，与空间方位角为二次方关系，而称之为加速螺旋相位板。对于a＝1的加速螺旋相位板，预期总相位调制为
Figure GDA0002770451800000093
在单偏振相位调制加速螺旋相位板的作用下，非偏振部分相位调制和偏振部分左旋的相位调制为
Figure GDA0002770451800000094
如图19所示。偏振部分右旋的相位调制为
Figure GDA0002770451800000095
如图20所示。总相位调制对应左旋圆偏振和右旋圆偏振分别如图21和图22所示。结果表明此器件只对左旋圆偏振有附加a＝1加速螺旋相位的作用，而对于右旋圆偏振无相位调制作用。
本发明第五种器件：单偏振相位调制径向相位光栅，普通径向相位型光栅是在极坐标系的极径方向定义相位周期的光栅，相位呈同心环状分布。其附加的相位调制作用可以表示为φ＝2πρ/Λ，式中ρ表示极坐标系的极径，Λ表示极径方向上的光栅常数。在单偏振相位调制径向相位光栅的作用下，非偏振部分相位调制和偏振部分左旋圆偏振的相位调制为φ＝πρ/Λ，如图23所示。偏振部分右旋圆偏振的相位调制为φ＝-πρ/Λ，如图24所示。总相位调制对应左旋圆偏振和右旋圆偏振分别如图25和图26所示。与前述情形相同，此器件只对左旋圆偏振有径向相位型光栅的作用，而对于右旋圆偏振无相位调制作用。
本发明第六种器件：单偏振相位调制角向光栅，普通角向相位型光栅是在极坐标系的极角方向定义相位周期的光栅，相位呈中心对称辐射状分布。其附加的相位调制作用可以表示为
Figure GDA0002770451800000101
式中
Figure GDA0002770451800000102
为前文所述极坐标系的极角，d表示对极角定义的光栅常数，一般为一个绝对值较小的角度值。为实现单偏振情形下的该相位调制作用，非偏振部分相位调制和偏振部分左旋圆偏振的相位调制为
Figure GDA0002770451800000103
如图27所示。偏振部分右旋圆偏振的相位调制为
Figure GDA0002770451800000104
如图28所示。总相位调制对应左旋圆偏振和右旋圆偏振分别如图29和图30所示。与前述情形相同，说明此器件只对左旋圆偏振有相位型角向光栅的作用，而对于右旋圆偏振无相位调制作用。
本发明第七种器件：单偏振调制任意定制相位型图案，一般的任意连续或离散的具有平面相位分布的相位型器件，如图31所示图像，代表预期的总相位调制作用，灰度定义与前述实例相同。在单偏振调制下的该相位调制作用，非偏振部分和偏振部分的左旋圆偏振相位调制如图32所示，偏振部分的右旋圆偏振相位调制如图33所示。如此制作出的相位器件的总相位调制对应左旋圆偏振如图31所示，对应右旋圆偏振则无相位调制。按照本发明所述设计思路总是能制作出只对单一偏振有所需相位调制的作用，而对于另一偏振无相位调制作用的器件。
进一步的，本发明设计的器件的一种拓展形式是在发明内容第三段的基础上第二部分的相位关系变为φL2≠φL1，使得右旋圆偏振成分的总相位调制φR≠0，会组成一类对左旋圆偏振和右旋圆偏振进行可定制差异化相位调制的器件，如对左旋圆偏振和右旋圆偏振有任意不同焦距的透镜、对二者分别加载拓扑荷为任意不同值的螺旋相位的螺旋相位片等。
本发明所述器件的通用结构图的三视图，如图34所示。其中的非偏振部分由内部无填充的图形表示，偏振部分由内部填充了圆形和矩形的图形来表示。
本发明偏振部分采用的物理模型，可以对应液晶聚合物、纳米面板等材料，其特征为对两个正交基底分别引入共轭的相位调制，此类模型可以由快轴的空间排布来表示。快轴与水平方向的夹角与所引入的相位调制的对应关系为φ＝2Φ，其中Φ为晶轴与水平方向的夹角，具体有Φ(x,y)，
Figure GDA0002770451800000111
等函数形式，依器件所需实现的相位调制分布图而定。图35所示为单偏振调制透镜对应偏振部分的快轴分布示意图。
本发明对于两部分的组装和加工技术不进行限制，所有行业现有的不会引入额外相位调制的组装技术均可使用，且因两部分采用的材料不同往往会使用不同的组装技术。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种单偏振相位调制光学器件，其特征在于，包括相互连接形成一个整体的偏振耦合相位调制元件(1)和非偏振相位调制元件(2)，并分别记为偏振部分和非偏振部分，其可对入射光中的一个正交偏振基底的相位进行增益调制，并抵消对另一正交偏振基底的相位调制；
当入射光是以左旋圆偏振和右旋圆偏振为正交偏振基底时，经过该单偏振相位调制光学器件，非偏振部分时得到φ1L和φ1R的相位调制，其中φ1L＝φ1R；经过偏振部分时，偏振部分用于对两个正交偏振基底分别引入共轭的相位调制，对于左旋圆偏振和右旋圆偏振会分别得到φ2L和φ2R的相位调制，其中φ2L＝-φ2R，并且φ2L＝φ1L；所以对于左旋圆偏振和右旋圆偏振得到的总相位调制φL，φR有：φL＝φ1L+φ2L＝2φ1L，φR＝φ1R+φ2R＝0，即对于左旋圆偏振部分得到了2φL1的相位调制，而对于右旋圆偏振部分没有相位调制，从而实现了对单偏振基底进行相位操作的功能。
2.根据权利要求1所述的一种单偏振相位调制光学器件，其特征在于，偏振部分采用液晶聚合物或纳米面板制成。
3.根据权利要求1所述的一种单偏振相位调制光学器件，其特征在于，非偏振部分为透镜、螺旋相位板、径向相位光栅、角向相位光栅或任意定制相位型图案。
4.根据权利要求3所述的一种单偏振相位调制光学器件，其特征在于，透镜选用柱状透镜。
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