CN112558203A - 一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置及方法，所述装置包括：径向和角向混合柱矢量光束的产生模块、径向和角向柱矢量光束空间分离器件模块和远场检测模块；本发明通过在传统动力学相位超表面的基础上进一步赋予每个超原子空间位置相关的旋转角度来实现对于径向和角向柱矢量光束的独立相位操控，径向和角向柱矢量光束空间分离器件被设计通过在径向和角向偏振方向上集成共轭的梯度光栅相位，相较于传统光学器件，本发明所提出的方法使得对于非均匀偏振光束的任意相位操控成为可能，这使得其在结构光通信、全光互联等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及的是一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置及方法。

背景技术

通常来说，光的偏振是指光矢量的振动方向相对于传播方向的非轴对称，而具有偏振性质的光就称为偏振光。根据偏振态在光束横截面的空间分布，偏振光可以分为均匀偏振光和非均匀偏振光，而矢量光就是一种非均匀偏振光。矢量光束中最为特殊的是一种偏振态在光束横截面内呈柱对称分布的光束即柱矢量光束，有时也被称为矢量束或矢量模，其最常见的偏振方向为径向偏振和角向偏振。由于其独特的光学性质，柱矢量光束已经在许多领域得到了应用，如光束整形、光学捕获、光信息处理、超分辨技术、光学计量和激光材料加工等。特别是在光通信领域中，柱矢量光束作为光纤的固有模式，具有良好的抗湍流能力，已被证明可以在自由空间和光纤中进行模分复用，这可以极大地提高通信容量和频率利用率，这为即将到来的产能危机提供了极好的解决方案。但偏振分布不均匀使得新的多路复用技术对相应的信息处理设备提出了更高的要求。尤其是多路传输中的单矢量模通道的信息处理，如通道分离和变换，一直没有被解决，这其中的关键是如何实现径向和角向柱矢量光的任意独立相位控制。

迄今为止，已经有各种光学元件被应用在柱矢量光束的相位控制方面，如透镜、螺旋相位板和空间光调制器。其中，透镜和螺旋相位板的相位调制依赖于光路积累，器件体积庞大，调制功能单一就成了其很明显的缺点。空间光调制器以其可以重构的特性增加了操作的多样性，但由于它的偏振敏感特性，通常需要将柱矢量光束分解成两个正交的线偏振轨道角动量模，因此常常伴随着复杂的光链路。最近，超表面显示了出色的相位和偏振操控能力，这是一种在亚波长尺度下构建其几何结构和排列方向的材料。已经有很多研究报道，利用超表面来操纵柱矢量光束，并将其应用于全光信息处理。在以往的工作中，具有自旋-轨道相互作用的PB相位超表面，已经被证明可以进行柱矢量光束的信息处理。然而，PB相位超表面的左右旋转分量的共轭相位调制只能够控制柱矢量光束的偏振。后来提出的混合相位超表面，通过在旋转金属原子的同时调整其几何尺寸，实现了左右旋转分量的非共轭位相调制，从而使得操纵柱矢量光束的位相成为可能。遗憾的是，这种方法虽然实现了位相控制，但也改变了入射光束的偏振分布。利用偏振不敏感的超表面来实现光学透镜、分束器等，似乎可以在不改变柱矢量光束偏振分布的情况下，在一定程度上实现对柱矢量光束的任意位相控制。然而，偏振不敏感使得径向和角向柱矢量光束的相位调制总是相同的。因此，超表面要实现径向和角向柱矢量光束的独立相位控制仍然是相当具有挑战性的。

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，提供一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制的装置及方法，旨在实现径向和角向混合柱矢量光束独立相位操控。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其中，所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置包括：

径向和角向混合柱矢量光束的产生模块、径向和角向柱矢量光束空间分离器件模块和远场检测模块；

所述径向和角向混合柱矢量光束的产生模块包括：

用于产生高斯光束的第一光源和第二光源；

用于改变高斯光束的偏振方向的第一偏振片和第二偏振片；

用于通过起偏产生线偏光的第一起偏器和第二起偏器；

用于产生径向柱矢量光束的第一偏振变换元件和用于产生角向柱矢量光束第二偏振变换元件；

用于改变光路的反射镜；

用于将径向柱矢量光束和角向柱矢量光束合并为一束的合束镜；

所述径向和角向柱矢量光束空间分离器件模块包括：

用于将径向和角向混合柱矢量光束进行聚焦的透镜；

用于将径向和角向混合柱矢量光束进行空间分离的等离子体激元超构表面；

所述远场检测模块包括：

用于检测不同空间位置的径向柱矢量光束和角向柱矢量光束的光强检测装置。

所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其中，所述第一光源、所述第一偏振片、所述第一起偏器、所述第一偏振变换元件、所述合束镜、所述透镜和所述等离子体激元超构表面依次设置在同一光轴上；

所述第二光源、所述第二偏振片、所述第二起偏器、所述第二偏振变换元件和所述反射镜依次设置在同一光轴上；

所述合束镜设置在所述反射镜上方；

所述光强检测装置设置在所述等离子体激元超构表面下方。

所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其中，所述第一光源和所述第二光源为波长1550nm的激光器。

所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其中，所述第一偏振片和所述第二偏振片为半波片。

所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其中，所述第一起偏器为X方向偏振的格兰棱镜，所述第二起偏器为Y方向偏振的格兰棱镜。

所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其中，所述第一偏振变换元件和所述第二偏振变换元件为Q-plate。

所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其中，所述反射镜为平面反射镜。

所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其中，所述光强检测装置为1550nm的CCD相机。

所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其中，所述等离子体激元超构表面用于将径向和角向混合柱矢量光束进行衍射。

为了实现上述目的，本发明还提供一种基于所述的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制方法，其中，所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制方法包括以下步骤：

所述第一光源产生的1550nm激光经过所述第一偏振片和所述第一起偏器产生X轴方向偏振的线偏振光，再经过所述第一偏振变换元件转换为径向柱矢量光束；

所述第二光源产生的1550nm激光所述第二偏振片和所述第二起偏器产生Y轴方向偏振的线偏振光，再经过所述第二偏振变换元件转换为角向柱矢量光束；

所述角向柱矢量光束经过所述反射镜反射到所述合束镜，所述合束镜将所述径向柱矢量光束和所述角向柱矢量光束进行合束，得到径向和角向混合柱矢量光束；

所述径向和角向混合柱矢量光束经过所述透镜聚焦后发射至所述等离子体激元超构表面，所述等离子体激元超构表面将所述径向和角向混合柱矢量光束进行空间分离；

所述光强检测装置检测所述等离子体激元超构表面发射的所述径向柱矢量光束和所述角向柱矢量光束，实现所述径向柱矢量光束和所述角向柱矢量光束的独立相位操控。

有益效果：本发明先通过所述第一光源产生的1550nm激光经过所述第一偏振片和所述第一起偏器产生X轴方向偏振的线偏振光，再经过所述第一偏振变换元件转换为径向柱矢量光束；所述第二光源产生的1550nm激光所述第二偏振片和所述第二起偏器产生Y轴方向偏振的线偏振光，再经过所述第二偏振变换元件转换为角向柱矢量光束；所述角向柱矢量光束经过所述反射镜反射到所述合束镜，所述合束镜将所述径向柱矢量光束和所述角向柱矢量光束进行合束，得到径向和角向混合柱矢量光束；所述径向和角向混合柱矢量光束经过所述透镜聚焦后发射至所述等离子体激元超构表面，所述等离子体激元超构表面将所述径向和角向混合柱矢量光束进行空间分离；所述光强检测装置检测所述等离子体激元超构表面发射的所述径向柱矢量光束和所述角向柱矢量光束，实现所述径向柱矢量光束和所述角向柱矢量光束的独立相位操控。本发明通过赋予每个超原子空间位置相关的旋转角度来实现对于径向和角向柱矢量光束的独立相位操控，打破了传统光学器件的偏振不敏感性，器件具有体积小，使用方便。

附图说明

图1是本发明径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置的较佳实施例的结构示意图。

图2是本发明径向和角向柱矢量光束的独立位相控制方法的较佳实施例的流程图。

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是本发明径向和角向柱矢量光束的独立位相控制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径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置包括：径向和角向混合柱矢量光束的产生模块、径向和角向柱矢量光束空间分离器件模块和远场检测模块。

具体地，所述径向和角向混合柱矢量光束的产生模块包括：用于产生高斯光束的第一光源1和第二光源5；用于改变高斯光束的偏振方向的第一偏振片2和第二偏振片6；用于通过起偏产生线偏光的第一起偏器3和第二起偏器7；用于产生径向柱矢量光束的第一偏振变换元件4和用于产生角向柱矢量光束第二偏振变换元件8；用于改变光路的反射镜9；用于将径向柱矢量光束和角向柱矢量光束合并为一束的合束镜10。

具体地，所述径向和角向柱矢量光束空间分离器件模块包括：用于将径向和角向混合柱矢量光束进行聚焦的透镜11；用于将径向和角向混合柱矢量光束进行空间分离的等离子体激元超构表面12。

具体地，所述远场检测模块包括：用于检测不同空间位置的径向柱矢量光束和角向柱矢量光束的光强检测装置13。

其中，所述第一光源1、所述第一偏振片2、所述第一起偏器3、所述第一偏振变换元件4、所述合束镜10、所述透镜11和所述等离子体激元超构表面13依次设置在同一光轴上；所述第二光源5、所述第二偏振片6、所述第二起偏器7、所述第二偏振变换元件8和所述反射镜9依次设置在同一光轴上；所述合束镜10设置在所述反射镜9上方；所述光强检测装置13设置在所述等离子体激元超构表面12下方。

其中，所述第一光源1和所述第二光源5为波长1550nm的激光器(用于发射激光的装置)，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。

其中，所述第一偏振片2和所述第二偏振片6为半波片，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。

其中，所述第一起偏器3为X方向偏振的格兰棱镜，所述第二起偏器7为Y方向偏振的格兰棱镜，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。

其中，所述第一偏振变换元件4和所述第二偏振变换元件8为Q-plate(Q板，也叫可变涡旋波片，Q-plate中的Q指的是空间旋转速率)。

其中，所述反射镜9为平面反射镜

其中，所述等离子体激元超构表面12被设计为通过在径向和角向偏振方向集成共轭的梯度光栅相位，以实现径向和角向柱矢量光束的空间分离。

其中，所述光强检测装置14为1550nm的CCD相机，环境适应能力极强，性能稳定可靠。

上述装置不仅局限于这些器件，可用相应功能的器件替代。

进一步地，基于上述实施例提供的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，本发明还提供一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制方法，请参阅图2，图2是本发明径向和角向柱矢量光束的独立位相控制方法的较佳实施例的流程图。

依照本发明中的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置的光路结构，具体实现过程如下：

步骤S100，所述第一光源1产生的1550nm激光经过所述第一偏振片2和所述第一起偏器3产生X轴方向偏振的线偏振光，再经过所述第一偏振变换元件4转换为径向柱矢量光束；

步骤S200，所述第二光源5产生的1550nm激光所述第二偏振片6和所述第二起偏器7产生Y轴方向偏振的线偏振光，再经过所述第二偏振变换元件8转换为角向柱矢量光束；

步骤S300，所述角向柱矢量光束经过所述反射镜9反射到所述合束镜10，所述合束镜10将所述径向柱矢量光束和所述角向柱矢量光束进行合束，得到径向和角向混合柱矢量光束；

步骤S400，所述径向和角向混合柱矢量光束经过所述透镜11聚焦后发射至所述等离子体激元超构表面12，分别在所述等离子体激元超构表面12上进行衍射，所述等离子体激元超构表面12将所述径向和角向混合柱矢量光束进行空间分离；

步骤S500，所述光强检测装置13检测所述等离子体激元超构表面12发射的所述径向柱矢量光束和所述角向柱矢量光束，实现所述径向柱矢量光束和所述角向柱矢量光束的独立相位操控。

具体地，所述等离子体激元超构表面12对径向和角向混合柱矢量光束独立相位操控的原理，具体为：利用传统动力学相位的优势，通过调整其单元结构的几何尺寸，来实现对入射偏振光的相位操纵，同时，由于矢量光的偏振不均匀性，对每个具体空间位置上的超原子引入一个旋转角θ，以此实现径向和角向的独立相位操控。对于同轴传输的径向和角向柱矢量光束，其在位置(x_i，y_i)的局域线偏振可以分别表示为：

E_u＝[cosθ_i sinθ_i]^T；

E_v＝[-sinθ_i cosθ_i]^T；

其中，T表示对矩阵取转置，E_u和E_v分别表示径向柱矢量光束和角向柱矢量光束在其光场局部位置(x_i，y_i)的偏振琼斯矩阵，且<E_u|E_v>＝0，表示它们互相正交，θ_i＝arctan(y_i/x_i)，表示柱矢量光束的局部偏振方向与x轴方向的夹角，i表示所在局部位置。

为了更好的说明，将(x，y)和(u，v)分别定义为实验室坐标和超表面单元结构坐标，因此超表面单元结构的琼斯矩阵可以表示为：

其中，r表示结构的反射率，

和

分别表示超表面单元结构对u轴和v轴的线偏振反射光的响应。

当E_u和E_v同时入射到超表面时，反射光可以表示为：

通过以上公式可以看出，对E_u和E_v引入不同的

和

即可实现对E_u和E_v独立的相位操控。

在所述径向和角向混合柱矢量光束的产生模块中，由第一光源1(1550nm的激光器)和第二光源5(1550nm的激光器)产生高斯光，分别经过所述第一偏振片2(半波片)和所述第二偏振片6(半波片)以及所述第一起偏器3(格兰棱镜)和所述第二起偏器7(格兰棱镜)，分别产生X方向和Y方向偏振的线偏振光，两束线偏振光再分别经过所述第一偏振变换元件4(Q板)和所述第二偏振变换元件(Q板)，分别产生径向和角向的柱矢量光束，角向柱矢量光束经过反射镜9(平面反射镜)后，两束光经合束器，最终为混合的径向和角向的柱矢量光束。

在所述径向和角向混合柱矢量光束空间分离模块，根据所述等离子体激元超构表面12对径向和角向混合柱矢量光束独立相位操控的原理，所述等离子体激元超构表面12被设计为通过在径向和角向偏振方向集成共轭的梯度光栅相位，分别为：

其中，λ表示入射光的波长，α表示在x轴方向的衍射角。

从而实现径向和角向混合柱矢量光束空间上的分离，同时在所述远场检测模块(光强检测装置13)进行检测。

本发明的有点如下：

(1)、本发明依赖于入射光的偏振分布，实现了径向和角向柱矢量光束的独立相位操控，打破了传统光学器件的偏振不敏感性，并且为有限的相位操控提供了一种实现方法。

(2)、本发明设计的器件具有体积小，使用方便的特点，有望应用在实现高速矢量光通信的全光信息处理。

综上所述，本发明提出了一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置及方法，所述装置包括：径向和角向混合柱矢量光束的产生模块、径向和角向柱矢量光束空间分离器件模块和远场检测模块；所述径向和角向混合柱矢量光束的产生模块包括：用于产生高斯光束的第一光源和第二光源；用于改变高斯光束的偏振方向的第一偏振片和第二偏振片；用于通过起偏产生线偏光的第一起偏器和第二起偏器；用于产生径向柱矢量光束的第一偏振变换元件和用于产生角向柱矢量光束第二偏振变换元件；用于改变光路的反射镜；用于将径向柱矢量光束和角向柱矢量光束合并为一束的合束镜；所述径向和角向柱矢量光束空间分离器件模块包括：用于将径向和角向混合柱矢量光束进行聚焦的透镜；用于将径向和角向混合柱矢量光束进行空间分离的等离子体激元超构表面；所述远场检测模块包括：用于检测不同空间位置的径向柱矢量光束和角向柱矢量光束的光强检测装置。本发明通过赋予每个超原子空间位置相关的旋转角度来实现对于径向和角向柱矢量光束的独立相位操控，打破了传统光学器件的偏振不敏感性，器件具有体积小，使用方便。

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)

1.一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其特征在于，所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置包括：

径向和角向混合柱矢量光束的产生模块、径向和角向柱矢量光束空间分离器件模块和远场检测模块；

所述径向和角向混合柱矢量光束的产生模块包括：

用于产生高斯光束的第一光源和第二光源；

用于改变高斯光束的偏振方向的第一偏振片和第二偏振片；

用于通过起偏产生线偏光的第一起偏器和第二起偏器；

用于产生径向柱矢量光束的第一偏振变换元件和用于产生角向柱矢量光束第二偏振变换元件；

用于改变光路的反射镜；

用于将径向柱矢量光束和角向柱矢量光束合并为一束的合束镜；

所述径向和角向柱矢量光束空间分离器件模块包括：

用于将径向和角向混合柱矢量光束进行聚焦的透镜；

用于将径向和角向混合柱矢量光束进行空间分离的等离子体激元超构表面；

所述远场检测模块包括：

用于检测不同空间位置的径向柱矢量光束和角向柱矢量光束的光强检测装置。

2.根据权利要求1所述的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其特征在于，所述第一光源、所述第一偏振片、所述第一起偏器、所述第一偏振变换元件、所述合束镜、所述透镜和所述等离子体激元超构表面依次设置在同一光轴上；

所述第二光源、所述第二偏振片、所述第二起偏器、所述第二偏振变换元件和所述反射镜依次设置在同一光轴上；

所述合束镜设置在所述反射镜上方；

所述光强检测装置设置在所述等离子体激元超构表面下方。

3.根据权利要求1所述的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其特征在于，所述第一光源和所述第二光源为波长1550nm的激光器。

4.根据权利要求1所述的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其特征在于，所述第一偏振片和所述第二偏振片为半波片。

5.根据权利要求1所述的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其特征在于，所述第一起偏器为X方向偏振的格兰棱镜，所述第二起偏器为Y方向偏振的格兰棱镜。

6.根据权利要求1所述的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其特征在于，所述第一偏振变换元件和所述第二偏振变换元件为Q-plate。

7.根据权利要求1所述的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其特征在于，所述反射镜为平面反射镜。

8.根据权利要求1所述的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其特征在于，所述光强检测装置为1550nm的CCD相机。

9.根据权利要求1所述的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其特征在于，所述等离子体激元超构表面用于将径向和角向混合柱矢量光束进行衍射。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制方法，其特征在于，所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制方法包括以下步骤：

所述第一光源产生的1550nm激光经过所述第一偏振片和所述第一起偏器产生X轴方向偏振的线偏振光，再经过所述第一偏振变换元件转换为径向柱矢量光束；

所述第二光源产生的1550nm激光所述第二偏振片和所述第二起偏器产生Y轴方向偏振的线偏振光，再经过所述第二偏振变换元件转换为角向柱矢量光束；

所述角向柱矢量光束经过所述反射镜反射到所述合束镜，所述合束镜将所述径向柱矢量光束和所述角向柱矢量光束进行合束，得到径向和角向混合柱矢量光束；

所述径向和角向混合柱矢量光束经过所述透镜聚焦后发射至所述等离子体激元超构表面，所述等离子体激元超构表面将所述径向和角向混合柱矢量光束进行空间分离；

所述光强检测装置检测所述等离子体激元超构表面发射的所述径向柱矢量光束和所述角向柱矢量光束，实现所述径向柱矢量光束和所述角向柱矢量光束的独立相位操控。

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