CN111679441A - 基于光学外差干涉法的动态柱矢量光场产生装置及其方法 - Google Patents

基于光学外差干涉法的动态柱矢量光场产生装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光学外差干涉法的动态柱矢量光场产生装置及其方法。本发明通过光学外差干涉法实现了线偏振高斯光的偏振方向高速连续旋转，进一步将偏振方向高速旋转的线偏振高斯光转化为高速转换的动态柱矢量偏振光；对柱矢量光场的动态调控速度能够提高6个数量级；整个装置没有机械运动组件，产生的动态柱矢量光场稳定可靠；产生的高速动态柱矢量光场可用于光通信、光传感、激光加工、光学捕获和光学超分辨等领域，将大大节约应用中调控光场消耗的时间；具有连续调控偏振且稳定性高，调控范围大且响应速度快的优点；本发明产生高速切换的动态的柱矢量光场；通过改变驱动声光调制器的射频信号频率从而改变柱矢量光场的变化频率。

Description

基于光学外差干涉法的动态柱矢量光场产生装置及其方法
技术领域
本发明涉及矢量光场的时域调控技术，具体涉及一种基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控装置及其控制方法。
背景技术
柱矢量光束是麦克斯韦方程的矢量光束解，其偏振态、振幅以及相位的空间分布具有柱对称性。径向偏振光和方位角偏振光是柱矢量偏振光的两种特例，其中径向偏振光紧聚焦可以在焦面产生强纵向电场，而方位角偏振光紧聚焦会在焦面产生空心光斑。由于柱矢量光束的这种特殊的偏振分布和聚焦特性，已经在多个领域得到广泛应用，例如光学捕获、超分辨显微成像、激光微纳加工、光传感、量子通信、焦场整形和非线性光学等领域。
在目前已知的柱矢量光束动态调控方法主要有基于空间光调制器的方法和利用双半波片组的方法。基于空间光调制器的方法能够通过加载不同的相位分布，产生动态变化的任意光场。这种方法的缺点是动态调控速度受到液晶响应速度的限制，调控速度只有几十赫兹，另一个缺点是空间光调制器的产生的动态矢量光场是离散的，无法连续调控偏振。利用双半波片组可以实现径向偏振光与方位角偏振光的连续动态转化，这种装置本身不能产生柱矢量偏振光，但可以调控柱矢量偏振光，令柱矢量偏振光在径向偏振光和方位角偏振光直接连续的转化。因此使用这种方法需要预先准备额外的柱矢量偏振光的光源。双波片调控柱矢量偏振光原理是：任意的非均匀分布的偏振光，通过两个半波片后，偏振旋转角度被两个半波片的快轴夹角决定，旋转角度与输入偏振光的方向无关。因此固定一个半波片，连续旋转另一个半波片就可以实现柱矢量偏振光在径向偏振光和方位角偏振光之间连续转换。缺点是需要对波片进行连续机械旋转，旋转速度同样很慢，一般几十赫兹，同时稳定性也受机械转台的影响。
发明内容
为了克服现有柱矢量光场产生和动态调控技术的不足，本发明提出了一种基于光学外差干涉法的动态柱矢量光场产生装置及其控制方法，从而解决现有矢量光束动态调控技术的调控速度慢的问题。
本发明的一个目的在于提出一种基于光学外差干涉法的动态柱矢量光场产生装置。
本发明的基于光学外差干涉法的动态柱矢量光场产生装置采用一个拓扑荷为1的涡旋半波片或者采用一个拓扑荷为1的涡旋相位板和一个拓扑荷为-1的涡旋相位板。
采用一个拓扑荷为1的涡旋半波片，本发明的基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控装置包括：激光光源、扩束准直装置、半波片、第一偏振分光棱镜、第一和第二声光移频器、第二偏振分光棱镜、四分之一波片和拓扑荷为1的涡旋半波片；其中，激光光源产生高相干的线偏振高斯光束，频率为f0；线偏振高斯光束经过扩束准直装置进行扩束与准直，转变为光斑大小与第一和第二声光移频器的孔径相匹配的线偏振高斯光束；扩束与准直后的线偏振高斯光束经半波片和第一偏振分光棱镜分束成水平偏振的线偏振高斯光束和垂直偏振的线偏振高斯光束，即两束偏振正交的线偏振高斯光束，通过调节半波片的旋转角度调节水平偏振的线偏振高斯光束与垂直偏振的线偏振高斯光束的能量配比；利用光学外差干涉法，水平偏振的和垂直偏振的线偏振高斯光束分别经过第一和第二声光移频器，通过分别调节第一和第二声光移频器的角度，使得两束线偏振高斯光束分别获得频移，从而获得频率分别为f0+f1和f0+f2的两束线偏振高斯光束，形成两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束；两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束经过第二偏振分光棱镜合束；合束后的光束经过方位角为45°的四分之一波片，转变成偏振方向按照|f1-f2|的频率连续旋转的线偏振光，等效于具有频率差f1-f2的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光叠加；偏振方向按照|f1-f2|的频率连续旋转的线偏振光，经过拓扑荷为1的涡旋半波片后，等效于将具有频率差f1-f2的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别变为拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光，具有频率差f1-f2的拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光叠加，得到动态柱矢量偏振光，当拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差为0时，得到径向偏振光，当二者相位差为π时，得到方位角偏振光；并且，利用光学外差干涉法后，拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差β为时间t的函数，β＝2πΔft，Δf＝f1-f2，从而利用光学外差干涉法合成的柱矢量偏振光是在径向偏振光和方位角偏振光之间连续动态转化的动态柱矢量偏振光。
激光光源的波长在声光移频器的工作波长范围内，从而保证衍射效率。
扩束准直装置采用两个焦距不同的平凸透镜。
采用一个拓扑荷为1的涡旋相位板和一个拓扑荷为-1的涡旋相位板，本发明的基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控装置包括：激光光源、扩束准直装置、半波片、偏振分光棱镜、第一和第二声光移频器、消偏振分光棱镜、第一和第二四分之一波片、拓扑荷为1的涡旋相位板和拓扑荷为-1的涡旋相位板；其中，激光光源产生高相干的线偏振高斯光束，频率为f0；线偏振高斯光束经过扩束准直装置进行扩束与准直，转变为光斑大小与第一和第二声光移频器的孔径相匹配的线偏振高斯光束；扩束与准直后的线偏振高斯光束经半波片和偏振分光棱镜分束成水平偏振的线偏振高斯光束和垂直偏振的线偏振高斯光束，即两束偏振正交的线偏振高斯光束，通过调节半波片的旋转角度调节水平偏振的线偏振高斯光束与垂直偏振的线偏振高斯光束的能量配比；利用光学外差干涉法，水平偏振的和垂直偏振的线偏振高斯光束分别经过第一和第二声光移频器，通过分别调节第一和第二声光移频器的角度，使得两束线偏振高斯光束分别获得频移，从而获得频率分别为f0+f1和f0+f2的两束线偏振高斯光束，形成两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束；第一四分之一波片的快轴与水平方向呈﹢45°夹角放置，第二四分之一波片的快轴与水平方向呈-45°夹角放置；两束偏振正交的线偏振高斯光束分别经过第一和第二四分之一波片，转化成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别经过拓扑荷为1的涡旋相位板和拓扑荷为-1的涡旋相位板，变为拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光和拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光，具有频率差f1-f2；经消偏振分光棱镜合束，具有频率差f1-f2的拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光和拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光叠加，得到动态柱矢量偏振光，当拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差为0时，得到径向偏振光，当二者相位差为π时，得到方位角偏振光；并且，拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差β为时间t的函数，β＝2πΔft，Δf＝f1-f2，从而利用光学外差干涉法合成的柱矢量偏振光是在径向偏振光和方位角偏振光之间连续动态转化的动态柱矢量偏振光。
消偏振分光棱镜是一种不改变光束偏振态并且分光比始终保持1:1的光学分光或合束元件。
偏振分光棱镜的作用是将光束的垂直偏振分量和水平偏振分量分离；半波片的作用是改变入射线偏振光的偏振方向，也就改变了垂直偏振分量和水平偏振分量的比值，两个结合可以调节分出的两束光的功率比，保证最后合束时两路光束振幅相同。
涡旋相位板是一种光学厚度与旋转方位角成正比的纯相位衍射光学元件，入射平面波通过涡旋相位板的出射光束具有涡旋相位波前，是一种相位调控的光学元件。拓扑荷为1的涡旋相位板是沿相位板顺时针旋转一周，相位延迟量增加+2π的相位器件，拓扑荷为-1的涡旋相位板是沿着相位板顺时针旋转一周，相位延迟量增加-2π的相位器件。
涡旋半波片是一种特殊的半波片。它具有一致的相位延迟量，但快轴方向围绕圆心连续变化。涡旋波片可以将标准的高斯光束转换成拉盖尔-高斯光束，根据不同入射光偏振态，实现不同偏振态输出，是一种偏振调控器件。
声光移频器包括声光晶体和射频驱动电路，射频驱动电路输出射频信号至声光晶体，在声光晶体內产生与射频信号一样频率的声波行波，光束通过声光晶体后，被声波产生的光栅衍射，衍射光获得移频，移频量是声波频率，即移频量为给声光晶体的射频信号频率。声光移频器的作用是将光束增加(+1级衍射)或减少(-1级衍射)一定的频率，增加或减少的频率就是驱动声光移频器的射频信号的频率。频率为f0的激光经过两个不同驱动频率的声光移频器后，频率分别变成f0+f1和f0+f2，两束光的差频为f1-f2。
本发明的另一个目的在于提出一种基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控方法。
本发明的基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控方法，采用一个拓扑荷为1的涡旋半波片，包括以下步骤：
1)激光光源产生高相干的线偏振高斯光束，频率为f0；
2)线偏振高斯光束经过扩束准直装置进行扩束与准直，转变为光斑大小与第一和第二声光移频器的孔径相匹配的线偏振高斯光束；
3)扩束与准直后的线偏振高斯光束经半波片和第一偏振分光棱镜分束成水平偏振的线偏振高斯光束和垂直偏振的线偏振高斯光束，即两束偏振正交的线偏振高斯光束，通过调节半波片的旋转角度调节水平偏振的线偏振高斯光束与垂直偏振的线偏振高斯光束的能量配比；
4)利用光学外差干涉法，水平偏振的和垂直偏振的线偏振高斯光束分别经过第一和第二声光移频器，通过分别调节第一和第二声光移频器的角度，使得两束线偏振高斯光束分别获得频移，从而获得频率分别为f0+f1和f0+f2的两束线偏振高斯光束，形成两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束；
5)两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束经过第二偏振分光棱镜合束；
6)合束后的光束经过方位角为45°的四分之一波片，转变成偏振方向按照|f1-f2|的频率连续旋转的线偏振光，等效于具有频率差f1-f2的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光叠加；
7)偏振方向按照|f1-f2|的频率连续旋转的线偏振光，经过拓扑荷为1的涡旋半波片后，等效于将具有频率差f1-f2的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别变为拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光，具有频率差Δf的拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光叠加，得到动态柱矢量偏振光，当拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差为0时，得到径向偏振光，当二者相位差为π时，得到方位角偏振光；并且，利用光学外差干涉法后，拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差β为时间t的函数，β＝2πΔft，Δf＝f1-f2，从而利用光学外差干涉法合成的柱矢量偏振光是在径向偏振光
Figure BDA0002522035340000051
和方位角偏振光
Figure BDA0002522035340000052
之间连续动态转化的动态柱矢量偏振光
Figure BDA0002522035340000053
Figure BDA0002522035340000054
通过频率差Δf进行动态调节合成的柱矢量光束的变化频率，从而通过改变驱动第一或第二声光移频器中的声光晶体的射频信号直接调控合成的柱矢量光束的变化频率，调节范围大速度快，
Figure BDA0002522035340000055
为方位角，i为虚数单位。
本发明的基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控方法，采用一个拓扑荷为1的涡旋相位板和一个拓扑荷为-1的涡旋相位板，包括以下步骤：
1)激光光源产生高相干的线偏振高斯光束，频率为f0；
2)线偏振高斯光束经过扩束准直装置进行扩束与准直，转变为光斑大小与第一和第二声光移频器的孔径相匹配的线偏振高斯光束；
3)扩束与准直后的线偏振高斯光束经半波片和偏振分光棱镜分束成水平偏振的线偏振高斯光束和垂直偏振的线偏振高斯光束，即两束偏振正交的线偏振高斯光束，通过调节半波片的旋转角度调节水平偏振的线偏振高斯光束与垂直偏振的线偏振高斯光束的能量配比；
4)利用光学外差干涉法，水平偏振的和垂直偏振的线偏振高斯光束分别经过第一和第二声光移频器，通过分别调节第一和第二声光移频器的角度，使得两束线偏振高斯光束分别获得频移，从而获得频率分别为f0+f1和f0+f2的两束线偏振高斯光束，形成两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束；
5)第一四分之一波片的快轴与水平方向呈﹢45°夹角放置，第二四分之一波片的快轴与水平方向呈-45°夹角放置；两束偏振正交的线偏振高斯光束分别经过第一和第二四分之一波片，转化成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
6)左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别经过拓扑荷为1的涡旋相位板和拓扑荷为-1的涡旋相位板，变为拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光和拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光，具有频率差f1-f2；
7)经消偏振分光棱镜合束，具有频率差f1-f2的拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光和拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光叠加，得到动态柱矢量偏振光，当拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差为0时，得到径向偏振光，当二者相位差为π时，得到方位角偏振光；并且，拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差β为时间t的函数，β＝2πΔft，Δf＝f1-f2，从而利用光学外差干涉法合成的柱矢量偏振光，是在径向偏振光
Figure BDA0002522035340000061
和方位角偏振光
Figure BDA0002522035340000062
之间连续动态转化的动态柱矢量偏振光
Figure BDA0002522035340000063
Figure BDA0002522035340000064
通过频率差Δf进行动态调节合成的柱矢量光束的变化频率，从而通过改变驱动第一或第二声光移频器中的声光晶体的射频信号直接调控合成的柱矢量光束的变化频率，调节范围大速度快，
Figure BDA0002522035340000065
为方位角，i为虚数单位。
本发明的优点：
本发明通过光学外差干涉法实现了线偏振高斯光的偏振方向高速连续旋转，进一步将偏振方向高速旋转的线偏振高斯光转化为高速转换的动态柱矢量偏振光；相比于机械旋转双波片组法和空间光调制器法，对柱矢量光场的动态调控速度能够提高6个数量级；整个装置没有机械运动组件，产生的动态柱矢量光场稳定可靠；产生的高速动态柱矢量光场可用于光通信、光传感、激光加工、光学捕获和光学超分辨等领域，将大大节约应用中调控光场消耗的时间；相对于空间光调制器的方法具有连续调控偏振的优点；相对于有机械运动部件的双半波片组的方法，稳定性有所提高。本发明产生高速切换的动态的柱矢量光场，速度可以根据外差频率的不同，从零到几百兆赫兹调整，具有调控范围大，响应速度快的优点；可以很方便通过改变驱动声光调制器的射频信号频率从而改变柱矢量光场的变化频率。
附图说明
图1为本发明的基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控装置的实施例一的光路图；
图2为本发明的基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控装置的实施例二的光路图；
图3为涡旋半波片表面的快轴分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
利用琼斯矩阵将柱矢量偏振光进行分解，发现任意的一阶柱矢量偏振光可以用带轨道角动量的圆偏振光表示。
Figure BDA0002522035340000071
式中
Figure BDA0002522035340000074
是方位角，α是表示在方位角0°的时候，柱矢量偏振光的偏振方向与x轴的夹角。因此可以看出任意的一阶柱矢量偏振光表示为携带拓扑荷为1的左旋圆偏振光与拓扑荷为-1的右旋圆偏振光的叠加，两束光携带拓扑荷为1的左旋圆偏振光与拓扑荷为-1的右旋圆偏振光的之间的相位差β＝2α。而一阶柱矢量偏振光中经典的径向偏振光和方位角偏振光分别代表α＝0和α＝π/2的特殊案例，因此可以写为如下形式：
Figure BDA0002522035340000072
式(0.2)表明了将一束具有正涡旋相位的右旋圆偏振光与一束同相位且具有负涡旋相位的左旋圆偏振光叠加可以得到一束径向偏振光。公式也表明了在两束光中引入相位差π就可以得到方位角偏振光。从公式也可以看出，这种矢量叠加的方法是可逆的，因此可以通过将径向偏振光与方位角偏振光按照±π/2的相位差叠加获取带有轨道角动量的圆偏光。
利用公式(0.2)可以将公式(0.1)中任意的柱矢量偏振光改写为径向和方位角偏振光的叠加形式：
Figure BDA0002522035340000073
因此任意柱矢量偏振光，也可以理解为径向偏振光与方位角偏振光成分的叠加。
本发明引入光学外差干涉法，令两束光的频率差为Δf，则式(0.4)中两束光的相位差为时间的函数β＝2α＝2πΔft，那么任意时刻t的光场可以描述为：
Figure BDA0002522035340000081
式(0.5)表明利用本发明的光学外差干涉法合成的柱矢量偏振光是在径向和方位角偏振光之间连续转化的动态光场。现有的光学外差干涉法使用偏振态相同，但具有差频的两束线偏振光干涉产生拍频，引起光强时域上的周期性变化，与现有光学外差干涉法不同，本发明使用偏振态相反并且具有相反螺旋相位波前的两束具有差频的圆偏振光干涉，引起光场偏振态在时域上的周期性旋转，通过两束光频率差Δf进行动态调节合成的柱矢量光束的变化频率。能够通过改变驱动声光晶体的射频信号直接调控Δf，因此柱矢量光场的变化频率的调节范围大，响应速度快。
实施例一
如图1所示，本实施例采用一个拓扑荷为1的涡旋半波片，基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控装置包括：激光光源1、由两个焦距不同的第一平凸透镜2和第二平凸透镜3构成的扩束准直装置、半波片4、第一偏振分光棱镜51、第一声光移频器61、第二声光移频器62、第二偏振分光棱镜52、四分之一波片7和拓扑荷为1的涡旋半波片8；其中，激光光源1产生高相干的线偏振高斯光束，频率为f0；线偏振高斯光束经过扩束准直装置进行扩束与准直，转变为光斑大小与声光移频器的孔径相匹配的线偏振高斯光束；扩束与准直后的线偏振高斯光束经半波片4和第一偏振分光棱镜51分束成水平偏振的线偏振高斯光束和垂直偏振的线偏振高斯光束，即两束偏振正交的线偏振高斯光束，通过调节半波片4的旋转角度调节水平偏振的线偏振高斯光束与垂直偏振的线偏振高斯光束的能量配比；利用光学外差干涉法，水平偏振的和垂直偏振的线偏振高斯光束分别经过第一声光移频器61和第二声光移频器62，通过分别调节第一声光移频器61和第二声光移频器62的角度，使得两束线偏振高斯光束分别获得频移，从而获得频率分别为f0+f1和f0+f2的两束线偏振高斯光束，形成两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束，M为反射镜；两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束经过第二偏振分光棱镜52合束；合束后的光束经过方位角为45°的四分之一波片7，转变成偏振方向按照|f1-f2|的频率连续旋转的线偏振光，等效于具有频率差f1-f2的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光叠加；偏振方向按照|f1-f2|的频率连续旋转的线偏振光，经过拓扑荷为1的涡旋半波片8后，等效于将具有频率差f1-f2的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别变为拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光，具有频率差Δf的拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光叠加，得到动态柱矢量偏振光，当拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差为0时，得到径向偏振光，当二者相位差为π时，得到方位角偏振光；并且，利用光学外差干涉法后，拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差β为时间t的函数，β＝2πΔft，Δf＝f1-f2，从而利用光学外差干涉法合成的柱矢量偏振光径向偏振光和方位角偏振光之间连续动态转化的动态柱矢量偏振光。
实施例二
如图2所示，本实施例采用一个拓扑荷为1的涡旋相位板和一个拓扑荷为-1的涡旋相位板，基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控装置包括：激光光源1、由两个焦距不同的第一平凸透镜2和第二平凸透镜3构成的扩束准直装置、半波片4、偏振分光棱镜5、第一声光移频器61、第二声光移频器62、消偏振分光棱镜9、第一四分之一波片71、第二四分之一波片72、拓扑荷为1的涡旋相位板81和拓扑荷为-1的涡旋相位板82；其中，激光光源1产生高相干的线偏振高斯光束，频率为f0；线偏振高斯光束经过扩束准直装置进行扩束与准直，转变为光斑大小与声光移频器的孔径相匹配的线偏振高斯光束；扩束与准直后的线偏振高斯光束经半波片4和偏振分光棱镜5分束成水平偏振的线偏振高斯光束和垂直偏振的线偏振高斯光束，即两束偏振正交的线偏振高斯光束，通过调节半波片4的旋转角度调节水平偏振的线偏振高斯光束与垂直偏振的线偏振高斯光束的能量配比；利用光学外差干涉法，水平偏振的和垂直偏振的线偏振高斯光束分别经过第一声光移频器61和第二声光移频器62，通过分别调节第一声光移频器61和第二声光移频器62的角度，使得两束线偏振高斯光束分别获得频移，从而获得频率分别为f0+f1和f0+f2的两束线偏振高斯光束，形成两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束；第一四分之一波片71的快轴与水平方向呈﹢45°夹角放置，第二四分之一波片72的快轴与水平方向呈-45°夹角放置；两束偏振正交的线偏振高斯光束分别经过第一四分之一波片71和第二四分之一波片72，转化成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别经过拓扑荷为1的涡旋相位板81和拓扑荷为-1的涡旋相位板82，变为拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光和拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光，具有频率差f1-f2，M为反射镜；经消偏振分光棱镜9合束，具有频率差f1-f2的拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光和拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光叠加，得到动态柱矢量偏振光，当拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差为0时，得到径向偏振光，当二者相位差为π时，得到方位角偏振光；并且，拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差β为时间t的函数，β＝2πΔft，Δf＝f1-f2，从而利用光学外差干涉法合成的柱矢量偏振光径向偏振光和方位角偏振光之间连续动态转化的动态柱矢量偏振光。
如图3所示，涡旋半波片的快轴为轴对称的空间分布，这种轴对称的空间分布会在透过的圆偏振光引入快轴角度两倍的空间相位，能够把输入的右旋或左旋圆偏振光变为自旋相反的圆偏振光，并成为携带拓扑荷+1或-1的涡旋光。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种基于光学外差干涉法的动态柱矢量光场产生装置，其特征在于，采用一个拓扑荷为1的涡旋半波片，所述基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控装置包括：激光光源、扩束准直装置、半波片、第一偏振分光棱镜、第一和第二声光移频器、第二偏振分光棱镜、四分之一波片和拓扑荷为1的涡旋半波片；其中，激光光源产生高相干的线偏振高斯光束，频率为f0；线偏振高斯光束经过扩束准直装置进行扩束与准直，转变为光斑大小与第一和第二声光移频器的孔径相匹配的线偏振高斯光束；扩束与准直后的线偏振高斯光束经半波片和第一偏振分光棱镜分束成水平偏振的线偏振高斯光束和垂直偏振的线偏振高斯光束，即两束偏振正交的线偏振高斯光束，通过调节半波片的旋转角度调节水平偏振的线偏振高斯光束与垂直偏振的线偏振高斯光束的能量配比；利用光学外差干涉法，水平偏振的和垂直偏振的线偏振高斯光束分别经过第一和第二声光移频器，通过分别调节第一和第二声光移频器的角度，使得两束线偏振高斯光束分别获得频移，从而获得频率分别为f0+f1和f0+f2的两束线偏振高斯光束，形成两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束；两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束经过第二偏振分光棱镜合束；合束后的光束经过方位角为45°的四分之一波片，转变成偏振方向按照|f1-f2|的频率连续旋转的线偏振光，等效于具有频率差f1-f2的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光叠加；偏振方向按照|f1-f2|的频率连续旋转的线偏振光，经过拓扑荷为1的涡旋半波片后，等效于将具有频率差f1-f2的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别变为拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光，具有频率差f1-f2的拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光叠加，得到动态柱矢量偏振光，当拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差为0时，得到径向偏振光，当二者相位差为π时，得到方位角偏振光；并且，利用光学外差干涉法后，拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差β为时间t的函数，β＝2πΔft，Δf＝f1-f2，从而利用光学外差干涉法合成的柱矢量偏振光是在径向偏振光和方位角偏振光之间连续动态转化的动态柱矢量偏振光。
2.一种基于光学外差干涉法的动态柱矢量光场产生装置，其特征在于，采用一个拓扑荷为1的涡旋相位板和一个拓扑荷为-1的涡旋相位板，所述基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控装置包括：激光光源产生高相干的线偏振高斯光束，频率为f0；线偏振高斯光束经过扩束准直装置进行扩束与准直，转变为光斑大小与第一和第二声光移频器的孔径相匹配的线偏振高斯光束；扩束与准直后的线偏振高斯光束经半波片和偏振分光棱镜分束成水平偏振的线偏振高斯光束和垂直偏振的线偏振高斯光束，即两束偏振正交的线偏振高斯光束，通过调节半波片的旋转角度调节水平偏振的线偏振高斯光束与垂直偏振的线偏振高斯光束的能量配比；利用光学外差干涉法，水平偏振的和垂直偏振的线偏振高斯光束分别经过第一和第二声光移频器，通过分别调节第一和第二声光移频器的角度，使得两束线偏振高斯光束分别获得频移，从而获得频率分别为f0+f1和f0+f2的两束线偏振高斯光束，形成两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束；第一四分之一波片的快轴与水平方向呈+45°夹角放置，第二四分之一波片的快轴与水平方向呈-45°夹角放置；两束偏振正交的线偏振高斯光束分别经过第一和第二四分之一波片，转化成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别经过拓扑荷为1的涡旋相位板和拓扑荷为-1的涡旋相位板，变为拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光和拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光，具有频率差f1-f2；经消偏振分光棱镜合束，具有频率差f1-f2的拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光和拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光叠加，得到动态柱矢量偏振光，当拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差为0时，得到径向偏振光，当二者相位差为π时，得到方位角偏振光；并且，拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差β为时间t的函数，β＝2πΔft，Δf＝f1-f2，从而利用光学外差干涉法合成的柱矢量偏振光是在径向偏振光和方位角偏振光之间连续动态转化的动态柱矢量偏振光。
3.如权利要求1或2所述的基于光学外差干涉法的动态柱矢量光场产生装置，其特征在于，所述激光光源的波长在第一和第二声光移频器的工作波长范围内。
4.如权利要求1或2所述的基于光学外差干涉法的动态柱矢量光场产生装置，其特征在于，所述扩束准直装置采用两个焦距不同的平凸透镜。
5.一种基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控方法，其特征在于，采用一个拓扑荷为1的涡旋半波片，所述柱矢量光场产生调控方法包括以下步骤：
1)激光光源产生高相干的线偏振高斯光束，频率为f0；
2)线偏振高斯光束经过扩束准直装置进行扩束与准直，转变为光斑大小与第一和第二声光移频器的孔径相匹配的线偏振高斯光束；
3)扩束与准直后的线偏振高斯光束经半波片和第一偏振分光棱镜分束成水平偏振的线偏振高斯光束和垂直偏振的线偏振高斯光束，即两束偏振正交的线偏振高斯光束，通过调节半波片的旋转角度调节水平偏振的线偏振高斯光束与垂直偏振的线偏振高斯光束的能量配比；
4)利用光学外差干涉法，水平偏振的和垂直偏振的线偏振高斯光束分别经过第一和第二声光移频器，通过分别调节第一和第二声光移频器的角度，使得两束线偏振高斯光束分别获得频移，从而获得频率分别为f0+f1和f0+f2的两束线偏振高斯光束，形成两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束；
5)两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束经过第二偏振分光棱镜合束；
6)合束后的光束经过方位角为45°的四分之一波片，转变成偏振方向按照|f1-f2|的频率连续旋转的线偏振光，等效于具有频率差f1-f2的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光叠加；
7)偏振方向按照|f1-f2|的频率连续旋转的线偏振光，经过拓扑荷为1的涡旋半波片后，等效于将具有频率差f1-f2的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别变为拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光，具有频率差Δf的拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光叠加，得到动态柱矢量偏振光，当拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差为0时，得到径向偏振光，当二者相位差为π时，得到方位角偏振光；并且，利用光学外差干涉法后，拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差β为时间t的函数，β＝2πΔft，Δf＝f1-f2，从而利用光学外差干涉法合成的柱矢量偏振光是在径向偏振光
Figure FDA0002522035330000031
和方位角偏振光
Figure FDA0002522035330000032
之间连续动态转化的动态柱矢量偏振光
Figure FDA0002522035330000033
Figure FDA0002522035330000034
通过频率差Δf进行动态调节合成的柱矢量光束的变化频率，从而通过改变驱动第一或第二声光移频器中的声光晶体的射频信号直接调控合成的柱矢量光束的变化频率，调节范围大速度快，
Figure FDA0002522035330000035
为方位角。
6.一种基于光学外差干涉法的柱矢量光场产生调控方法，其特征在于，采用一个拓扑荷为1的涡旋相位板和一个拓扑荷为-1的涡旋相位板，所述柱矢量光场产生调控方法包括以下步骤：
1)激光光源产生高相干的线偏振高斯光束，频率为f0；
2)线偏振高斯光束经过扩束准直装置进行扩束与准直，转变为光斑大小与第一和第二声光移频器的孔径相匹配的线偏振高斯光束；
3)扩束与准直后的线偏振高斯光束经半波片和偏振分光棱镜分束成水平偏振的线偏振高斯光束和垂直偏振的线偏振高斯光束，即两束偏振正交的线偏振高斯光束，通过调节半波片的旋转角度调节水平偏振的线偏振高斯光束与垂直偏振的线偏振高斯光束的能量配比；
4)利用光学外差干涉法，水平偏振的和垂直偏振的线偏振高斯光束分别经过第一和第二声光移频器，通过分别调节第一和第二声光移频器的角度，使得两束线偏振高斯光束分别获得频移，从而获得频率分别为f0+f1和f0+f2的两束线偏振高斯光束，形成两束频率差为f1-f2的偏振正交的线偏振高斯光束；
5)第一四分之一波片的快轴与水平方向呈+45°夹角放置，第二四分之一波片的快轴与水平方向呈-45°夹角放置；两束偏振正交的线偏振高斯光束分别经过第一和第二四分之一波片，转化成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
6)左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别经过拓扑荷为1的涡旋相位板和拓扑荷为-1的涡旋相位板，变为拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光和拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光，具有频率差f1-f2；
7)经消偏振分光棱镜合束，具有频率差f1-f2的拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光和拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光叠加，得到动态柱矢量偏振光，当拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差为0时，得到径向偏振光，当二者相位差为π时，得到方位角偏振光；并且，拓扑荷为-1的右旋圆偏涡旋光和拓扑荷为1的左旋圆偏涡旋光的相位差β为时间t的函数，β＝2πΔft，Δf＝f1-f2，从而利用光学外差干涉法合成的柱矢量偏振光，是在径向偏振光
Figure FDA0002522035330000041
和方位角偏振光
Figure FDA0002522035330000042
之间连续动态转化的动态柱矢量偏振光
Figure FDA0002522035330000043
Figure FDA0002522035330000044
通过频率差Δf进行动态调节合成的柱矢量光束的变化频率，从而通过改变驱动第一或第二声光移频器中的声光晶体的射频信号直接调控合成的柱矢量光束的变化频率，调节范围大速度快，
Figure FDA0002522035330000045
为方位角。
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