CN110346939A - 一种基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置及方法，所述装置包括：用于发射高斯光的激光器；用于将所述高斯光生成水平方向线偏光和竖直方向线偏光的格兰棱镜；用于将所述水平方向线偏光调制成水平偏振方向多模态涡旋光的第一液晶空间光调制器；用于将光束中水平和竖直偏振进行对调的半波片；用于控制竖直方向的高斯光束生成竖直偏振方向多模态涡旋光的第二液晶空间光调制器；用于将水平偏振方向多模态涡旋光和竖直偏振方向多模态涡旋光转化成左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束的四分之一波片。本发明通过将全息相位图加载至空间光调制器，同时利用两个空间光调制器对入射光进行调制，最终生成稳定、高效的多模态矢量光束。

Description

一种基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及的是一种基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置及方法。

背景技术

偏振是光的重要特性之一，在光的特性研究中，对偏振特性的研究是非常重要的，因为其在数据储存、光通信、材料加工等领域都有着广泛的应用。一般来说，光矢量的振动方向不发生变化或者具有某一种特定规则变化的光束我们称之为偏振光，其可以分为均匀偏振光和非均匀偏振光。均匀偏振光指的是在光束横截面上其偏振态不随空间分布变化，如线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。非均匀偏振光指的是光束的横截面上其偏振态随空间分布变化，而矢量光场就是我们所说的非均匀偏振光。近年来,具有空间变化偏振分布的矢量光已成为人们的研究热点,因为它在很多方面具有潜在的应用价值,例如高分辨率成像、表面等离子体、纳米操纵以及光通信等。

自1972年以来，研究者们陆续提出了产生矢量光束的各种方法，到目前为止，矢量光的产生方法大致可以分为两种，一种是利用激光谐振腔直接产生矢量光场的主动生成方法，另一种是激光器谐振腔外运用光场调控的手段去产生矢量光场的被动生成方法，例如有人提出利用Signac干涉仪生成一种偏振态可以任意变化的矢量光场。但是无论是主动生成方法还是被动生成方法，它们都是对单束矢量光束进行产生与调控，而对于一些特殊的情况，例如在矢量光通信中，单束矢量光对于信道容量的提升毕竟有限，这就由此引发了一个问题，如何产生共轴的多模态矢量光束来满足一些特定场景下的需求。目前对于共轴多模态矢量光的产生仅仅是利用分束器将多路单模态矢量光合束成共轴多模态矢量光，但是由于这种方法需要的器件很多且操作复杂。

因此，针对上述缺陷，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置及方法，通过运用两个液晶空间光调制器交叉调制，可以很容易的产生多模态矢量光。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其中，所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置包括：

用于发射高斯光的激光器；

设置在所述激光器后方，用于将所述高斯光生成水平方向线偏光和竖直方向线偏光的格兰棱镜；

设置在所述格兰棱镜后方，用于加载多模态涡旋光相位图，并将所述水平方向线偏光调制成水平偏振方向多模态涡旋光的第一液晶空间光调制器；

设置在所述第一液晶空间光调制器正下方，用于将所述第一液晶空间光调制器发出的光束中水平和竖直偏振进行对调的半波片；

设置在所述半波片正下方，用于将互换偏振方向后的光束进行调制，控制竖直方向的高斯光束生成竖直偏振方向多模态涡旋光的第二液晶空间光调制器；

设置在所述第二液晶空间光调制器后方，用于将所述水平偏振方向多模态涡旋光和所述竖直偏振方向多模态涡旋光转化成左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束的四分之一波片。

所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其中，所述激光器、格兰棱镜以及第一液晶空间光调制器设置在同一光轴上。

所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其中，所述第一液晶空间光调制器、半波片以及第二液晶空间光调制器设置在同一光轴上。

所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其中，所述第二液晶空间光调制器和所述四分之一波片设置在同一光轴上。

所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其中，所述激光器的波长为1550nm。

所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其中，所述格兰棱镜的光轴方向与水平方向的夹角为45度。

所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其中，所述半波片的快轴方向与水平方向夹角45度。

所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其中，所述四分之一波片的快轴方向与水平方向夹角45度。

一种基于所述的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生方法，其中，所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生方法包括以下步骤：

步骤A，所述激光器发射的高斯光经过所述格兰棱镜后，生成水平方向线偏光和竖直方向线偏光，再经过已加载多模态涡旋光相位图的所述第一液晶空间光调制器后，将所述水平方向线偏光调制成水平偏振方向多模态涡旋光；

步骤B，将经过所述第一液晶空间光调制器后的光束投射至所述半波片上，将光束中水平和竖直偏振进行对调；

步骤C，将互换偏振方向后的光束透射至所述第二液晶空间光调制器，控制竖直方向的高斯光束生成竖直偏振方向多模态涡旋光；

步骤D，将经过所述第二液晶空间光调制器的光束投射至所述四分之一波片上，将所述水平偏振方向多模态涡旋光和所述竖直偏振方向多模态涡旋光转化成左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束。

所述的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生方法，其中，所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生方法具体包括：

步骤A1，所述激光器发射的高斯光经偏振方向为45度的所述格兰棱镜后，生成水平方向线偏光和竖直方向线偏光，再经过已加载多模态涡旋光相位图的所述第一液晶空间光调制器后，将所述水平方向线偏光调制成水平偏振方向多模态涡旋光；

步骤B1，将经过所述第一液晶空间光调制器后的光束投射至快轴方向与水平方向夹角为45度的所述半波片上，使得光束所包含的水平和竖直线偏振互换；

步骤C1，将互换偏振方向后的光束透射至所述第二液晶空间光调制器，控制竖直方向的高斯光束生成竖直偏振方向多模态涡旋光；

步骤D1，将经过所述第二液晶空间光调制器的光束投射至快轴方向与水平方向夹角45度的所述四分之一波片上，将所述水平偏振方向多模态涡旋光和所述竖直偏振方向多模态涡旋光转化成左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束，得到多模态矢量光。

本发明提出了一种基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置及方法，运用角谱衍射理论，通过将全息相位图加载至空间光调制器，同时利用两个空间光调制器对入射光进行调制，最终生成稳定、高效的多模态矢量光束，装置结构简单，操作方便。

附图说明

图1是本发明基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置的较佳实施例的光路结构示意图.

图2是本发明基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生方法的的较佳实施例的流程图。

图3是本发明基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生方法的较佳实施例中加载至液晶空间光调制器上的多模态涡旋光相位图的构成示意图.

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1是本发明基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置的较佳实施例的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置包括：

用于发射高斯光的激光器1；设置在所述激光器1后方，用于将所述高斯光生成水平方向线偏光和竖直方向线偏光的格兰棱镜2；设置在所述格兰棱镜2后方，用于加载多模态涡旋光相位图，并将所述水平方向线偏光调制成水平偏振方向多模态涡旋光的第一液晶空间光调制器3；设置在所述第一液晶空间光调制器3正下方，用于将所述第一液晶空间光调制器3发出的光束中水平和竖直偏振进行对调的半波片4；设置在所述半波片4正下方，用于将互换偏振方向后的光束进行调制，控制竖直方向的高斯光束生成竖直偏振方向多模态涡旋光的第二液晶空间光调制器5；设置在所述第二液晶空间光调制器5后方，用于将所述水平偏振方向多模态涡旋光和所述竖直偏振方向多模态涡旋光转化成左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束的四分之一波片6。

其中，所述激光器1、格兰棱镜2以及第一液晶空间光调制器3设置在同一光轴上；所述第一液晶空间光调制器3、半波片4以及第二液晶空间光调制器5设置在同一光轴上；所述第二液晶空间光调制器5和所述四分之一波片6设置在同一光轴上。

具体地，所述激光器1(光源)的波长为1550nm，激光器为能发射激光的装置，所述激光器用于产生高斯光束，通常情形，激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面的振幅分布遵守高斯函数，故称高斯光束。

具体地，所述格兰棱镜2的光轴方向与水平方向的夹角为45度，格兰棱镜是偏振棱镜的一种，偏振棱镜是利用晶体的双折射现象而制成的偏振器件，无论是自然光还是偏振光通过偏振棱镜后就变成振动方向由棱镜偏振方向所决定的线偏振光。

具体地，所述半波片4的快轴方向与水平方向夹角45度；所述四分之一波片6的快轴方向与水平方向夹角45度，其中，波片中传播速度慢的光矢量方向为慢轴，波片中传播速度快的光矢量方向为快轴。波片是能使互相垂直的两光振动间产生附加光程差(或相位差)的光学器件，二分之一波片(即半波片)是一定厚度的双折射晶体，当法向入射的光透过时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的相位差等于π或其奇数倍，这样的晶片称为二分之一波片，简称半波片；四分之一波片是一定厚度的双折射单晶薄片，当光法向入射透过时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π/2或其奇数倍，这样的晶片称为四分之一波片或1/4波片。

基于上述实施例提供的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，本发明还提供一种基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生方法，请参阅图2，图2是本发明基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生方法的的较佳实施例的流程图。

所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生方法包括以下步骤：

步骤S100，所述激光器1发射的高斯光经过所述格兰棱镜2后，生成水平方向线偏光和竖直方向线偏光，再经过已加载多模态涡旋光相位图的所述第一液晶空间光调制器3后，将所述水平方向线偏光调制成水平偏振方向多模态涡旋光；

步骤S200，将经过所述第一液晶空间光调制器3后的光束投射至所述半波片4上，将光束中水平和竖直偏振进行对调；

步骤S300，将互换偏振方向后的光束透射至所述第二液晶空间光调制器5，控制竖直方向的高斯光束生成竖直偏振方向多模态涡旋光；

步骤S400，将经过所述第二液晶空间光调制器5的光束投射至所述四分之一波片6上，将所述水平偏振方向多模态涡旋光和所述竖直偏振方向多模态涡旋光转化成左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束。

进一步地，具体实现过程包括如下步骤：所述激光器1发射的高斯光经偏振方向为45度的所述格兰棱镜2后，生成水平方向线偏光和竖直方向线偏光，再经过已加载多模态涡旋光相位图的所述第一液晶空间光调制器3后，将所述水平方向线偏光调制成水平偏振方向多模态涡旋光(由于液晶空间光调制器只对水平偏振方向的光有响应)；将经过所述第一液晶空间光调制器3后的光束投射至快轴方向与水平方向夹角为45度的所述半波片4上，使得光束所包含的水平和竖直线偏振互换；将互换偏振方向后的光束透射至所述第二液晶空间光调制器5，控制竖直方向的高斯光束(通过所述半波片4已经将水平和竖直线偏振进行了互换)生成竖直偏振方向多模态涡旋光；将经过所述第二液晶空间光调制器5的光束投射至快轴方向与水平方向夹角45度的所述四分之一波片6上，将所述水平偏振方向多模态涡旋光和所述竖直偏振方向多模态涡旋光转化成左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束，由于矢量光本身可以看成是左右旋涡旋光合束的结果，因此，经过上述步骤就可以得到多模态矢量光。

如图3所示，表示加载至液晶空间光调制器上的多模态涡旋光相位图的构成，基于角谱衍射理论的多模态涡旋光相位图的生成方法，具体为：由角谱衍射理论可以知道，当使用一个含有N等份黑白相间的相位掩膜板去遮挡一个拓扑荷为l的涡旋光相位图时，由于角谱衍射的效应，会使得入射光束的能量被分散至具有等间距拓扑荷的多个涡旋光束上-kN+l,...,-N+l,l,l+N,...,l+kN,...，这些等间隔拓扑荷的涡旋光束共轴且功率分布可以被描述为：

其中，θ_c为相位掩膜版每一等份角度,l为涡旋光拓扑荷数,△l为拓扑荷差，N为黑白相间的掩膜版间隔数。

也就是说，由所述激光器1出射的高斯光束经过所述格兰棱镜2后，出射光束同时包含水平和竖直方向的线偏光，后经过加载了多模态涡旋光相位图的所述第一液晶空间光调制器3后，使得入射光束的水平线偏振方向首先受到调制，在出射光束中水平线偏振光为多模态涡旋光而竖直线偏振光仍然是高斯光束。由于液晶空间光调制器只对光束的水平线偏振有响应，所以为了进一步调制上述出射光束中的竖直线偏振分量，通过加入所述半波片4，并且所述半波片4由于快轴方向与水平方向的夹角为45度，所以会使得投射到其上的光束中水平偏振方向和竖直偏振方向对调位置，然后通过所述第二液晶空间光调制器5，使得原光束中竖直线偏振分量受到调制产生与水平偏振方向相同的多模态涡旋光。因此在所述第二液晶空间光调制器5后的出射光同时包含了水平和竖直的线偏振多模态涡旋光束，再经过一个所述四分之一波片6，使得入射光束的水平偏振和竖直偏振的多模态涡旋光被调制成为含有左、右旋偏振态的多模态涡旋光。最后由涡旋光与矢量光之间的转化关系，矢量光可以由左、右旋的涡旋光相干叠加产生，因此在所述四分之一波片6的出射端就可以得到多模态的矢量光束。

本发明提升了多模态矢量光的便捷性，系统简单，器件使用量少，光路准直较容易，相比于传统方法提高了便捷性；可以产生数目可控的共轴矢量模态，由角谱衍射理论可知，通过改变加载在液晶空间光调制器上的衍射全息图案，可以随意的控制产生矢量模态的数目。

综上所述，本发明提供了一种基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置及方法，所述装置包括：用于发射高斯光的激光器；设置在所述激光器后方，用于将所述高斯光生成水平方向线偏光和竖直方向线偏光的格兰棱镜；设置在所述格兰棱镜后方，用于加载多模态涡旋光相位图，并将所述水平方向线偏光调制成水平偏振方向多模态涡旋光的第一液晶空间光调制器；设置在所述第一液晶空间光调制器正下方，用于将所述第一液晶空间光调制器发出的光束中水平和竖直偏振进行对调的半波片；设置在所述半波片正下方，用于将互换偏振方向后的光束进行调制，控制竖直方向的高斯光束生成竖直偏振方向多模态涡旋光的第二液晶空间光调制器；设置在所述第二液晶空间光调制器后方，用于将所述成水平偏振方向多模态涡旋光和所述竖直偏振方向多模态涡旋光转化成左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束的四分之一波片。本发明运用角谱衍射理论，通过将全息相位图加载至空间光调制器，同时利用两个空间光调制器对入射光进行调制，最终生成稳定、高效的多模态矢量光束。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其特征在于，所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置包括：

用于发射高斯光的激光器；

设置在所述激光器后方，用于将所述高斯光生成水平方向线偏光和竖直方向线偏光的格兰棱镜；

设置在所述格兰棱镜后方，用于加载多模态涡旋光相位图，并将所述水平方向线偏光调制成水平偏振方向多模态涡旋光的第一液晶空间光调制器；

设置在所述第一液晶空间光调制器正下方，用于将所述第一液晶空间光调制器发出的光束中水平和竖直偏振进行对调的半波片；

设置在所述半波片正下方，用于将互换偏振方向后的光束进行调制，控制竖直方向的高斯光束生成竖直偏振方向多模态涡旋光的第二液晶空间光调制器；

设置在所述第二液晶空间光调制器后方，用于将所述水平偏振方向多模态涡旋光和所述竖直偏振方向多模态涡旋光转化成左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束的四分之一波片。

2.根据权利要求1所述的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其特征在于，所述激光器、格兰棱镜以及第一液晶空间光调制器设置在同一光轴上。

3.根据权利要求1所述的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其特征在于，所述第一液晶空间光调制器、半波片以及第二液晶空间光调制器设置在同一光轴上。

4.根据权利要求1所述的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其特征在于，所述第二液晶空间光调制器和所述四分之一波片设置在同一光轴上。

5.根据权利要求1所述的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其特征在于，所述激光器的波长为1550nm。

6.根据权利要求1所述的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其特征在于，所述格兰棱镜的光轴方向与水平方向的夹角为45度。

7.根据权利要求1所述的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其特征在于，所述半波片的快轴方向与水平方向夹角45度。

8.根据权利要求1所述的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置，其特征在于，所述四分之一波片的快轴方向与水平方向夹角45度。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生装置的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生方法，其特征在于，所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生方法包括以下步骤：

步骤A，所述激光器发射的高斯光经过所述格兰棱镜后，生成水平方向线偏光和竖直方向线偏光，再经过已加载多模态涡旋光相位图的所述第一液晶空间光调制器后，将所述水平方向线偏光调制成水平偏振方向多模态涡旋光；

步骤B，将经过所述第一液晶空间光调制器后的光束投射至所述半波片上，将光束中水平和竖直偏振进行对调；

步骤C，将互换偏振方向后的光束透射至所述第二液晶空间光调制器，控制竖直方向的高斯光束生成竖直偏振方向多模态涡旋光；

步骤D，将经过所述第二液晶空间光调制器的光束投射至所述四分之一波片上，将所述水平偏振方向多模态涡旋光和所述竖直偏振方向多模态涡旋光转化成左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束。

10.根据权利要求9所述的基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生方法，其特征在于，所述基于角谱衍射理论的多模态矢量光产生方法具体包括：

步骤A1，所述激光器发射的高斯光经偏振方向为45度的所述格兰棱镜后，生成水平方向线偏光和竖直方向线偏光，再经过已加载多模态涡旋光相位图的所述第一液晶空间光调制器后，将所述水平方向线偏光调制成水平偏振方向多模态涡旋光；

步骤B1，将经过所述第一液晶空间光调制器后的光束投射至快轴方向与水平方向夹角为45度的所述半波片上，使得光束所包含的水平和竖直线偏振互换；

步骤C1，将互换偏振方向后的光束透射至所述第二液晶空间光调制器，控制竖直方向的高斯光束生成竖直偏振方向多模态涡旋光；

步骤D1，将经过所述第二液晶空间光调制器的光束投射至快轴方向与水平方向夹角45度的所述四分之一波片上，将所述水平偏振方向多模态涡旋光和所述竖直偏振方向多模态涡旋光转化成左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束，得到多模态矢量光。