CN112415762B - 一种基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置，包括激光光源、偏振器一、针孔滤波器、透镜一和半波片一，半波片一的出射光路上设有将该激光光路垂直反射的反射镜，反射光路上依次放有50:50非偏振分束器、光束位移器、透镜二、透镜三、反射式空间光调制器；经空间光调制器反射的光经光束位移器合束，再经50:50非偏振分束器反射，反射光路上依次设置四分之一波片、透镜四、偏振器二和CCD相机。与现有技术相比，本发明仅使用一个空间光调制器(SLM)可实现低成本阵列矢量光束的产生，结构简单、紧凑、稳定，此外，该光学系统的光轴易于调整，使得阵列矢量光束的产生更加方便。

Description

一种基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置及方法

技术领域

本发明涉及光场调控的技术领域，特别是一种基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置及方法。

背景技术

近些年，由于激光技术的发展和各种偏振器件的发明，使得人们对光场偏振调控的研究得到广泛关注。不同于传统的偏振研究，即线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光等光束横截面上各点偏振态相同的标量光，偏振呈非均匀分布的矢量光束备受瞩目，其中研究最广泛的是柱矢量光(Cylindrical Vector Beams,CVB)。CVB的轴对称偏振分布和高度局域化的聚焦特性使其在成像、材料加工、光学捕获、微光刻、传感等领域发挥着独特的作用。矢量光束的产生可分为腔内和腔外两类方法。腔内法是通过特殊设计一系列元件从激光器中输出矢量光，如在谐振腔内放入偏振选择衍射元件，布儒斯特棱镜，双折射晶体，或不连续相位板等对激光腔进行调制。腔外法是通过特殊元件直接改变入射光偏振态，如用亚波长衍射光栅，扇形波片组合元件，LC元件，偏振选择元件，干涉系统等改变入射光的偏振态。上述方法都具有强的技术实用性，但仅能产生单一的矢量光束。

随着并行光学操作、高效率光学加工、高速显微成像等领域的发展，单一矢量光束的产生已无法满足这些光学系统的平行性需求，在某些应用中需要同时产生多个矢量光束。例如，在激光加工中，采用径向偏振光和角向偏振光可分别进行激光切割和冲压，而该光束的阵列可显著提高加工效率。在光镊中，阵列矢量光可实现微/纳米粒子的快速分选。此外，阵列矢量光还可用于自由空间CVB-多路复用通信。由此，人们报道了同时产生阵列矢量光的技术，但该系统需要两个空间光调制器(SLM)，这增加了系统的成本和复杂性。另外，人们还提出了一种双臂干涉系统，结合一个透射式SLM产生了阵列矢量光，但由于双臂干涉系统的使用，使得系统的稳定性较低。因此，如何在腔外设计低成本、稳定、简单的光学系统实现阵列矢量光束的产生及其灵活调控已成为急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种结构简单、成本低、偏振态连续性好、稳定性好、可灵活调控的基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置及方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置，包括激光光源、依次设置于激光光源的出射光路上的用于产生垂直方向的线偏振光的偏振器一、针孔滤波器、透镜一和半波片一，所述半波片一的出射光路上设有将该激光光路垂直反射的反射镜，反射镜的反射光路上依次设有50:50非偏振分束器、光束位移器、透镜二、透镜三、反射式空间光调制器，经反射镜反射后的激光透射过50:50非偏振分束器的激光再经光束位移器将光分为水平和垂直偏振光，水平和垂直偏振光经过透镜二、透镜三扩大了两束光的直径和中心距离后照射到反射式空间光调制器的屏幕加载的两个达曼涡旋光栅上，两个达曼涡旋光栅具有相同光栅常数，透射过透镜三的垂直偏振光的光路上设有将垂直偏振光变为水平偏振光的半波片二；从反射式空间光调制器反射的光依次经过半波片二、透镜三、透镜二、光束位移器后再经50:50非偏振分束器反射，在50:50非偏振分束器的反射光路上依次设置四分之一波片、透镜四、偏振器二和CCD相机。

进一步地，所述CCD相机和反射式空间光调制器连接到计算机。

进一步地，所述半波片二的快轴呈45°放置。

另外，本发明还提供了一种基于空间光调制器的阵列矢量光产生方法，使用上述基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置，具体步骤如下：

S1、激光光源发射出的激光透过偏振器一产生垂直方向的线偏振光，光束通过针孔滤波器、透镜一后，入射到半波片一来调整光的偏振方向；

S2、反射镜将透射过半波片一的光束垂直反射，透射过50:50非偏振分束器的光束再经光束位移器将光分为水平和垂直偏振光，水平和垂直偏振光经过透镜二和透镜三扩大了两束光的直径和中心距离后照射到反射式空间光调制器的屏幕加载的两个达曼涡旋光栅上，两个达曼涡旋光栅具有相同光栅常数，半波片二将透射过透镜三的垂直偏振光变换为水平偏振光；

S3、半波片二将从反射式空间光调制器反射的其中一束水平偏振光变换回垂直偏振光，经过透镜三和透镜二后再经光束位移器将水平和垂直偏振光合成正交线偏振光，合成后的正交线偏振光被50:50非偏振分束器反射后利用四分之一波片将正交线偏振光变换成正交圆偏振光，最终得到不同偏振态的矢量光束阵列；

S4、用透镜四对产生的不同偏振态的矢量光束阵列进行会聚，用偏振器二检验光偏振态，并用CCD相机记录。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明仅使用一个空间光调制器SLM可实现低成本阵列矢量光束的产生，结构简单、紧凑，此外，该光学系统的光轴易于调整，使得阵列矢量光束的产生更加方便。

2、单臂的共光路干涉系统设计可稳定产生阵列矢量光。

3、通过设计加载于空间光调制器的全息图可灵活的实现不同阵列矢量光的产生。

附图说明

图1为本发明的基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置的结构示意图。

图2为本发明应用实例产生的一维阵列矢量光远场能量分布图。

图3为本发明应用实例产生的二维阵列矢量光远场能量分布图。

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白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。

矢量光束可以看成是左旋和右旋圆偏振涡旋光的叠加，即表示为：

|ψ>＝ψ_R|R_l>+ψ_L|L_m>, (1)

其中，ψ_R和ψ_L为复振幅，包含振幅和初相位。|R_l>,|L_m>代表正交圆偏振涡旋光，l和m分别代表其拓扑荷，表示为：

如果能量是归一化的，ψ_R和ψ_L表示为

其中β∈[0,π/2]决定两束光的振幅比，φ_R,L是各自的初始相位。

为了获得阵列矢量光束，空间光调制器SLM的屏幕被分成两部分，每一部分都加载一个达曼涡旋光栅，利用干涉系统将两个光栅的相同衍射级次的光波合成一束光，从而在不同的衍射级次上产生不同偏振态的矢量光，即阵列矢量光。

如图1所示，一种基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置，包括波长为532nm的激光光源Laser、依次设置于激光光源Laser的出射光路上的用于产生垂直方向的线偏振光的偏振器一P₁、针孔滤波器Spatial filter、透镜一L₁和半波片一H₁，所述半波片一H₁的出射光路上设有将该激光光路垂直反射的反射镜Mirror，反射镜Mirror的反射光路上依次设有50:50非偏振分束器NPBS、光束位移器BD、透镜二L₂、透镜三L₃、反射式空间光调制器SLM，经反射镜Mirror反射后的激光透射过50:50非偏振分束器NPBS的激光再经光束位移器BD将光分为水平和垂直偏振光，水平和垂直偏振光经过透镜二L₂、透镜三L₃扩大了两束光的直径和中心距离后照射到反射式空间光调制器SLM的屏幕加载的两个达曼涡旋光栅上，两个达曼涡旋光栅具有相同光栅常数，因为只有在这种情况下，来自相同衍射级的两束正交线偏振光才能再次通过BD合束。透射过透镜三的垂直偏振光路上设有将垂直偏振光变为水平偏振光的半波片二H₂，半波片二H₂的快轴呈45°放置；从反射式空间光调制器SLM反射的光依次经过半波片二H₂、透镜三L₃、透镜二L₂、光束位移器BD后再经50:50非偏振分束器NPBS反射，在50:50非偏振分束器NPBS的反射光路上依次设置四分之一波片QW、透镜四L₄、偏振器二P₂和CCD相机。当然，CCD相机和反射式空间光调制器SLM需连接到计算机。

在该系统中，光束位移器BD既是分束器又是合成器，经光束位移器BD分束的两束光一起通过透镜三L₃、透镜二L₂，并同时由单个相位型反射式空间光调制器SLM调制。

使用上述基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置可以产生阵列矢量光，具体步骤如下：

S1、激光光源Laser发射出的激光透过偏振器一P₁产生垂直方向的线偏振光，光束通过Spatial filter、透镜一L₁后，入射到半波片一H₁来调整光的偏振方向；

S2、反射镜Mirror将透射过半波片一H₁的光束垂直反射，透射过50:50非偏振分束器NPBS的光束再经光束位移器BD将光分为水平和垂直偏振光，水平和垂直偏振光经过透镜二L₂和透镜三L₃扩大了两束光的直径和中心距离后照射到反射式空间光调制器SLM的屏幕加载的两个达曼涡旋光栅上，两个达曼涡旋光栅具有相同光栅常数，半波片二H₂将透射过透镜三L₃的垂直偏振光变换为水平偏振光；

S3、半波片二H₂将从反射式空间光调制器SLM反射的其中一束水平偏振光变换回垂直偏振光，经过透镜三L₃和透镜二L₂后经光束位移器BD将水平和垂直偏振光合成正交线偏振光，合成后的正交线偏振光被50:50非偏振分束器NPBS反射后利用四分之一波片QW将正交线偏振光变换成正交圆偏振光，最终得到不同偏振态的矢量光束阵列；

S4、用透镜四L₄对产生的不同偏振态的矢量光束阵列进行会聚，用偏振器二P₂检验光偏振态，并用CCD相机记录。

以单一矢量光产生为例，利用琼斯矩阵公式说明上述方案。在干涉系统中，当一束线偏振光经过BD时，会产生两束正交的线偏振光，通过旋转H₁可改变两束光的强度比。令光经H₁后线偏振光的电矢量与x轴夹角为θ₁，则BD后的光场可以用琼斯矢量表示为：

SLM的屏幕被分成两部分，其中两种不同的相位图可以加载，使两束正交的线偏振光照射在SLM上，可以获得如方程式(2)和(3)所述的相位因子分别为

和

以及初始相位分别为φ_R和φ_L。其相位函数可以用琼斯矩阵表示为：

然后通过BD将两束光叠加在一起，通过QW转换成两束正交的圆偏振光束。QW的快轴与x轴形成-45°角，琼斯矩阵表达式为：

光经QW后的输出光场为P_out，表示为：

由以上的分析可知，通过设计SLM上加载的全息图，正交圆偏振光可以携带公式(1)和公式(8)中所描述的任意拓扑电荷l和m的涡旋相位，以及初始相位φ_R和φ_L，因此可以产生任意偏振态的矢量光束。比较公式(1)和公式(8)，我们得到结果：β＝θ₁，表明通过旋转H₁，就可以改变两束光的振幅比例。可以看出，如果在SLM上加载两个达曼涡旋光栅，该方案可扩展到阵列矢量光束的产生。

应用实例

进一步，为了验证上述实施例的技术的可行性，通过以下实验来验证。分别在±1的衍射级次同时生成偏振态不同的两个矢量光束。首先设计了两个一维达曼涡旋光栅。为了简单起见，两个达曼涡旋光栅的初始相位均设为0，这样两个光栅的所有衍射级均具有0的初始相位。其中一个光栅如图2(a)所示，该达曼涡旋光栅0、π相位的过渡点在一个周期的0.5位置，且携带拓扑荷p_1x＝+2的涡旋相位。利用图1所示的实验装置，将光栅加载到SLM的右侧，CCD获得远场衍射图。值得注意的是，接收到的衍射光束通过QW已转换成右旋圆偏振光I_R。该光栅得到的衍射结果如图2(b)所示，其±1级的两个光斑强度相同。为了简单起见，使用倾斜透镜来确定它们的拓扑荷。从图2(c)可以得出±1级光的拓扑荷分别为

。图2(d)为与上面光栅具有相同参数的另一个达曼涡旋光栅，但叠加的涡旋相位拓扑荷为p_2x＝-3，该光栅加载在SLM的左侧。所以远场衍射光具有左圆偏振态I_L。该光栅的衍射结果如图2(e)所示，其中±1级光强度相同，拓扑荷为±3(见图2(f))。图2(g)中的第一行是不加偏光器P₂的实验结果，±1级矢量光分别为|ψ_-2,+3>、|ψ_+2,-3>。图2(g)的第2到第5行分别给出产生的阵列光分别经偏振器P₂的透振方向与x轴夹角为0°，45°,90°和135°时所记录的光强分布。可以观察到通过P₂后的强度图中光瓣的数目为p＝l-m；因此在这种情况下看到5个光瓣。与此同时，当P₂旋转角度为α时，这些光瓣以α/p的角度旋转。作为对比，理论强度分布结果如图2(h)所示，可见实验结果与理论结果相当吻合。

接下来要展示的是二维阵列矢量光的产生。首先设计了两个二维达曼涡旋光栅。同上，两个达曼涡旋光栅的初始相位均设为0，β＝45°。图3(a)为设计的第一个达曼涡旋光栅，x和y方向叠加的涡旋相位拓扑荷分别为p_1x＝-2和p_1y＝-3,该达曼涡旋光栅0、π相位的过渡点在一个周期的0.5位置。该光栅被加载到SLM的右侧，因此该衍射光具有右旋圆偏振态I_R。其远场衍射能量分布见图3(b),这里需要注意的是由于衍射光波经过NPBS反射，所以四个衍射光具有的拓扑荷为+1、+5、-5、-1(见图3(c))。第二个达曼涡旋光栅见图3(d),其参数与第一个达曼涡旋光栅一致，但x和y方向叠加的涡旋相位拓扑荷为p_2x＝+1和p_2y＝+2。该光栅加载在SLM的左侧，所以远场衍射光具有左圆偏振态I_L。其远场能量分布见图3(e)，具有的拓扑荷分别为-1、-3、+3、+1(见图3(f))。当两个达曼涡旋光栅同时加载到SLM上，就产生了二维阵列矢量光，分别为|ψ_+1,-1>、|ψ_+5,-3>、|ψ_-5,+3>、|ψ_-1,+1>。图3(g)的第2到第5行分别给出产生的二维阵列光经偏振器P₂的透振方向与x轴夹角分别为0°，45°,90°和135°时所记录的光强分布。作为对比，理论的强度分布结果如图3(h)所示，可见实验结果与理论结果相当吻合。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置，包括激光光源、依次设置于激光光源的出射光路上的用于产生垂直方向的线偏振光的偏振器一、针孔滤波器、透镜一和半波片一，其特征在于：所述半波片一的出射光路上设有将该出射 光路垂直反射的反射镜，反射镜的反射光路上依次设有50:50非偏振分束器、光束位移器、透镜二、透镜三、反射式空间光调制器，经反射镜反射后的激光透射过50:50非偏振分束器后，经光束位移器将光分为水平和垂直偏振光，水平和垂直偏振光经过透镜二、透镜三扩大了两束光的直径和中心距离后照射到反射式空间光调制器的屏幕加载的两个达曼涡旋光栅上，两个达曼涡旋光栅具有相同光栅常数，透射过透镜三的垂直偏振光路上设有将垂直偏振光变为水平偏振光的半波片二；从反射式空间光调制器反射的光依次经过半波片二、透镜三、透镜二、光束位移器后再经50:50非偏振分束器反射，在50:50非偏振分束器的反射光路上依次设置四分之一波片、透镜四、偏振器二和CCD相机。

2.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置，其特征在于：所述CCD相机和反射式空间光调制器连接到计算机。

3.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置，其特征在于：所述半波片二的快轴呈45°放置。

4.一种基于空间光调制器的阵列矢量光产生方法，其特征在于，使用如权利要求1-3任一所述的基于空间光调制器的阵列矢量光产生装置，具体步骤如下：

S1、激光光源Laser发射出的激光透过偏振器一产生垂直方向的线偏振光，光束通过针孔滤波器、透镜一后，入射到半波片一来调整光的偏振方向；

S2、反射镜将透射过半波片一的光束垂直反射，透射过50:50非偏振分束器的光束再经光束位移器将光分为水平和垂直偏振光，水平和垂直偏振光经过透镜二和透镜三扩大了两束光的直径和中心距离后照射到反射式空间光调制器的屏幕加载的两个达曼涡旋光栅上，两个达曼涡旋光栅具有相同光栅常数，半波片二将透射过透镜三的垂直偏振光变换为水平偏振光；

S3、半波片二将从反射式空间光调制器反射的其中一束水平偏振光变换为垂直偏振光，经过透镜三和透镜二后经光束位移器将水平和垂直偏振光合成正交线偏振光，合成后的正交线偏振光被50:50非偏振分束器反射后利用四分之一波片将正交线偏振光变换成正交圆偏振光，最终得到不同偏振态的矢量光束阵列；

S4、用透镜四对产生的不同偏振态的矢量光束阵列进行会聚，用偏振器二检验光偏振态，并用CCD相机记录。

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