CN111239884A - 一种晶体阵列式全庞加莱光束产生器及光束产生方法 - Google Patents

一种晶体阵列式全庞加莱光束产生器及光束产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种晶体阵列式全庞加莱光束产生器及光束产生方法，该产生器由多块尺寸相同的扇形晶体以圆心角相对应拼接构成圆盘光学器件，各扇形晶体的折射率主轴方向按照拼接顺序沿圆盘角向变化，每一扇形晶体的厚度沿径向变化，本发明具有结构简单，透射耗损率低，对强度分布影响小等优点，适合推广使用。

Description

一种晶体阵列式全庞加莱光束产生器及光束产生方法
技术领域
本发明属于激光偏振调制领域，具体地说涉及一种晶体阵列式全庞加莱光束产生器及光束产生方法。
背景技术
庞加莱球是光束偏振态的一种表示方法，其球面的每一点代表一种偏振态。庞加莱光束是指光束横截面具有复杂的偏振态分布，且其分布覆盖整个庞加莱球面，即遍历了所有可能偏振态。
目前能够产生庞加莱光束的器件主要有空间光调制器和亚波长光栅。由于空间光调制器需要对光束强度进行调制，光栅有多级次的衍射，所以这两种产生方式的最大缺点是透射损耗大。如果能将透射损耗降低，则庞加莱光束的产生有更广泛的用途。
因此，现有技术有待于进一步改进和发展。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种晶体阵列式全庞加莱光束产生器及光束产生方法，该方法透射耗损率低，结构简单。
本发明提供如下技术方案：
一种晶体阵列式全庞加莱光束产生器，由多块尺寸相同的扇形晶体以圆心角相对应拼接构成圆盘光学器件，各扇形晶体的折射率主轴方向按照拼接顺序沿圆盘角向变化，每一扇形晶体的厚度沿径向变化。
优选的，多块扇形晶体以圆盘中心为对称中心呈中心对称排列，形成双折射晶体阵列。
优选的，扇形晶体厚度d沿径向为r的函数：d＝ar2+br+c，其中，a,b,c为实数，且a,b不能同时为0。
优选的，以圆盘中心为原点建立极坐标，设扇形晶体中心极角为θ，圆盘快轴与极轴的夹角为α，α与θ的关系为：α＝qθ+α0，其中，q的取值为半整数，α0∈(-π/2,π/2]。
优选的，该圆盘光学器件的琼斯矩阵为：Jc＝Jr(-α)Jw(d)Jr(α)
其中，
Figure BDA0002418239430000021
为坐标旋转矩阵，
Figure BDA0002418239430000022
为扇形晶体的琼斯矩阵，其中，系数γ＝π(n1+n2)/λ，η＝πΔn/λ，其中，λ为入射光波长，Δn＝n1-n2，n1,n2分别为晶体快轴和慢轴的折射率。
优选的，设χ,
Figure BDA0002418239430000023
分别为入射光庞加莱球面的极角和方位角，χ′,
Figure BDA0002418239430000025
分别为出射光庞加莱球面的极角和方位角，且χ′,
Figure BDA0002418239430000024
与晶体厚度d和快轴方向α相关，其关系为：
Figure BDA0002418239430000031
Figure BDA0002418239430000032
一种晶体阵列式全庞加莱光束产生器产生全庞加莱光束的方法，入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0时，晶体阵列式全庞加莱光束产生器的输出光束为全庞加莱光束。
有益效果：
本发明提供了一种晶体阵列式全庞加莱光束产生器及光束产生方法，该发明能减少透射损耗率，对强度分布影响小，适合推广使用。
附图说明
图1是本发明具体实施例中晶体阵列式全庞加莱产生器件的结构示意图；
图2是本发明具体实施例中晶体阵列式全庞加莱产生器件扇形晶体结构示意图；
图3是本发明具体实施例中晶体阵列式全庞加莱产生器件的正视图；
图4是本发明具体实施例1所示条件下经过晶体前光束强度；
图5是本发明具体实施例1所示条件下经过晶体后光束强度；
图6是本发明具体实施例1所示条件下输出光束偏振态在庞加莱球上的分布；
图7是本发明具体实施例2所示条件下经过晶体后光束强度；
图8是本发明具体实施例3所示条件下经过晶体后光束强度；
图9是本发明具体实施例4所示条件下经过晶体后光束强度；
图10是本发明具体实施例5所示条件下经过晶体后光束强度；
图11是本发明具体实施例6所示条件下经过晶体后光束强度；
图12是本发明具体实施例7所示条件下经过晶体后光束强度；
图13是本发明具体实施例8所示条件下经过晶体后光束强度；
图14是本发明具体实施例9所示条件下经过晶体后光束强度；
图15是本发明具体实施例10所示条件下经过晶体后光束强度；
图16是本发明具体实施例11所示条件下经过晶体后光束强度；
图17是本发明具体实施例12所示条件下经过晶体后光束强度；
图18是本发明具体实施例13所示条件下经过晶体后光束强度；
图19是本发明具体实施例14所示条件下经过晶体后光束强度；
图20是本发明具体实施例15所示条件下经过晶体后光束强度。
附图中：100双折射晶体，200右旋圆偏，300左旋圆偏。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
如图1-图3所示为本发明提供一种晶体阵列式全庞加莱光束产生器，由多块尺寸相同的扇形晶体以圆心角相对应拼接构成圆盘光学器件，各扇形晶体的折射率主轴方向按照拼接顺序沿圆盘角向变化，每一扇形晶体的厚度沿径向变化。
具体的，多块扇形晶体以圆盘中心为对称中心呈中心对称排列，形成双折射晶体阵列。
具体的，扇形晶体厚度d沿径向为r的函数：d＝ar2+br+c，其中，a,b,c为实数，且a,b不能同时为0。
具体的，以圆盘中心为原点建立极坐标，设扇形晶体中心极角为θ，圆盘快轴(图3所示粗线条为快轴)与极轴的夹角为α，α与θ的关系为：α＝qθ+α0
，其中，q的取值为半整数，α0∈(-π/2,π/2]。
具体的，该圆盘光学器件的琼斯矩阵为：Jc＝Jr(-α)Jw(d)Jr(α)
其中，
Figure BDA0002418239430000051
为坐标旋转矩阵，
Figure BDA0002418239430000052
为扇形晶体的琼斯矩阵，其中，系数γ＝π(n1+n2)/λ，η＝πΔn/λ，其中，λ为入射光波长，Δn＝n1-n2，n1,n2分别为晶体快轴和慢轴的折射率。
具体的，设χ,
Figure BDA0002418239430000061
分别为入射光庞加莱球面的极角和方位角，χ′,
Figure BDA0002418239430000062
分别为出射光庞加莱球面的极角和方位角，且χ′,
Figure BDA0002418239430000063
与晶体厚度d和快轴方向α相关，其关系为：
Figure BDA0002418239430000064
Figure BDA0002418239430000065
一种晶体阵列式全庞加莱光束产生器产生全庞加莱光束的方法，入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0时，晶体阵列式全庞加莱光束产生器的输出光束为全庞加莱光束。
以下为本发明具体实施例：
具体实施例1：
q＝1/2,α0＝π/4,a＝0,b＝0.002,c＝0，此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图4图5所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。图6为该输出光束偏振态在庞加莱球上的表示，可见其偏振态遍历庞加莱球面，为全庞加莱光束。
具体实施例2：
q＝1/2,α0＝π/4,a＝0,b＝0.002,c＝0.005此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图7所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
具体实施例3：
q＝1,α0＝0,a＝0,b＝0.002,c＝0此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图8所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
具体实施例4：
q＝1,α0＝π/4,a＝0,b＝0.002,c＝0此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图9所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
具体实施例5：
q＝1,α0＝π/2,a＝0,b＝0.002,c＝0此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图10所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
具体实施例6：
q＝1,α0＝3π/4,a＝0,b＝0.002,c＝0此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图11所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
具体实施例7：
q＝1,α0＝π,a＝0,b＝0.002,c＝0此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图12所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
具体实施例8：
q＝3/2,α0＝0,a＝0,b＝0.002,c＝0此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图13所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
具体实施例9：
q＝3/2,α0＝π/8,a＝0,b＝0.002,c＝0此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图14所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
具体实施例10：
q＝3/2,α0＝π/4,a＝0,b＝0.002,c＝0此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图15所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
具体实施例11：
q＝3/2,α0＝π/2,a＝0,b＝0.002,c＝0此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图16所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
具体实施例12：
q＝2,α0＝0,a＝0,b＝0.002,c＝0此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图17所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
具体实施例13：
q＝2,α0＝π/4,a＝0,b＝0.002,c＝0此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图18所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
具体实施例14：
q＝-2,α0＝π/4,a＝0,b＝0.002,c＝0此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图19所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
具体实施例15：
q＝-2,α0＝π/4,a＝0.2,b＝0,c＝0此时器件的结构如图1-图3所示，设入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0，则经过双折射晶体100前后的光强分布和偏振态分布如图20所示。可见，该过程中光强分布不变，偏振态变成沿径向和角向的周期性分布，即右旋圆偏200与左旋圆偏300呈周期性分布。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种晶体阵列式全庞加莱光束产生器，其特征在于，由多块尺寸相同的扇形晶体以圆心角相对应拼接构成圆盘光学器件，各扇形晶体的折射率主轴方向按照拼接顺序沿圆盘角向变化，每一扇形晶体的厚度沿径向变化。
2.根据权利要求2所述的晶体阵列式全庞加莱光束产生器，其特征在于，多块扇形晶体以圆盘中心为对称中心呈中心对称排列，形成双折射晶体阵列。
3.根据权利要求1所述的晶体阵列式全庞加莱光束产生器，其特征在于，扇形晶体厚度d沿径向为r的函数：d＝ar2+br+c，其中，a,b,c为实数，且a,b不能同时为0。
4.根据权利要求1所述的晶体阵列式全庞加莱光束产生器，其特征在于，以圆盘中心为原点建立极坐标，设扇形晶体中心极角为θ，圆盘快轴与极轴的夹角为α，α与θ的关系为：α＝qθ+α0，其中，q的取值为半整数，α0∈(-π/2,π/2]。
5.根据权利要求4所述的晶体阵列式全庞加莱光束产生器，其特征在于，该圆盘光学器件的琼斯矩阵为：Jc＝Jr(-α)Jw(d)Jr(α)
其中，
Figure FDA0002418239420000011
为坐标旋转矩阵，
Figure FDA0002418239420000012
为扇形晶体的琼斯矩阵，其中，系数γ＝π(n1+n2)/λ，η＝πΔn/λ，其中，λ为入射光波长，Δn＝n1-n2，n1,n2分别为晶体快轴和慢轴的折射率。
6.根据权利要求5所述的晶体阵列式全庞加莱光束产生器，其特征在于，设χ,
Figure FDA0002418239420000021
分别为入射光庞加莱球面的极角和方位角，χ′,
Figure FDA0002418239420000022
分别为出射光庞加莱球面的极角和方位角，且χ′,
Figure FDA0002418239420000023
与晶体厚度d和快轴方向α相关，其关系为：
Figure FDA0002418239420000024
Figure FDA0002418239420000025
7.一种利用如权利要求1-6任一项所述的晶体阵列式全庞加莱光束产生器产生全庞加莱光束的方法，其特征在于，入射光偏振态为右旋圆偏振，即χ＝0时，晶体阵列式全庞加莱光束产生器的输出光束为全庞加莱光束。
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