CN113050273B - 基于涡旋半波片产生任意柱矢量偏振光的直视型方法及装置 - Google Patents
基于涡旋半波片产生任意柱矢量偏振光的直视型方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于涡旋半波片产生任意柱矢量偏振光的直视型方法及装置，激光器出射的光束经水平起偏器后成为水平线偏振光，再经扩束镜后实现光束放大，通过可旋转的第一λ/2波片调节线偏振光的偏振方向，再经过涡旋半波片后产生柱矢量偏振光束，通过旋转第一λ/2波片可实现多类型柱矢量光束，此时光束可通过可旋转的第二λ/2波片增加柱矢量光束类型，此外，在装置中置入第一λ/4波片和第二λ/4波片与第二涡旋波片的组合还可分别产生涡旋光束和柱矢量涡旋光束，另外，通过涡旋半波片的组合，可生成新型涡旋半波片，进而产生更多柱矢量光束。本发明通过旋转和置入波片便可产生任意柱矢量光束，结构简单不存在光线的反射和偏折，能量利用和转化率高。
Description
技术领域
本发明涉及空间偏振光束整形技术领域，具体涉及一种基于涡旋半波片产生任意柱矢量偏振光的直视型方法及装置，该方法将线偏振光束转化为任意柱矢量偏振光束，如：径向偏振光、角向偏振光、反涡旋径向偏振模光(anti-vortex radial polarization(ARP)mode beam，简称反径向偏振光)、反涡旋角向偏振模光(anti-vortex azimuthalpolarization(AAP)mode beam，简称反角向偏振光)、高阶柱矢量偏振光束、涡旋光束和柱矢量涡旋光束等。
背景技术
柱矢量偏振(cylindrical vector，CV)光束因具有圆柱对称的光强分布和可变偏振特性，甚至围绕光轴具有涡旋相位，引起了人们广泛的关注。径向偏振光和角向偏振光作为CV光束的典型代表，在紧聚焦、光束整形、粒子加速和俘获、激光材料加工、光学计量学、超分辨技术等领域有着重要的应用。最近的研究也证明了柱矢量光束在光通信、量子信息处理、自旋和轨道角动量效应以及光纤和集成光学等方面的潜在应用。涡旋光束是具有螺线形相位分布的光束，其表达式中带有相位因子exp(ilθ)，光束中的每个光子携带
的轨道角动量，其中l称为拓扑核数，具有中空的特点，由于其特殊的空间相位分布，已在光学微操纵、生物医学、信息传输等领域发挥重要作用。
柱矢量偏振光和涡旋光束具有独特的光学特性，应用潜力巨大。因产生柱矢量偏振光和涡旋光束较难，目前国内大多采用理论分析方法研究，尽管也有开展的实验研究，但产生光束的实验系统比较复杂，且成本较高，导致光学特性研究不足，应用受限。
柱矢量偏振光的产生方法主要可分为两类：即腔内法(主动式)和外部转化法(腔外法，被动式)。腔内法是指在激光器内直接产生CV光束，需要对激光器的结构做相应调整，涉及到增益介质，以径向偏振光为例，核心思想是控制振荡器中径向偏振光和其它偏振光的损耗，使得其它偏振态损耗较大，无法实现振荡，从而只有径向偏振光输出。目前腔内法产生CV光束大体包括：利用晶体轴双折射、晶体二向色性、晶体布鲁斯特角特性、腔结构设计和几何相位控制等产生CV光束。尽管这些方法可以产生高质量、高能量转换效率的矢量光束，但由于空间有限，且改造现有激光器的技术十分复杂，缺乏灵活性。
外部转化法是指在激光器外，通过一定的位相器件或者利用分解再合成的方法，将空间均匀的偏振光转化为CV光束，由于无需要对激光器进行改造，因而具有很大的设计灵活性。常用的外部转化设备包括分段螺旋可变延迟器、螺旋相位板、亚波长光栅和超表面器件等。然而，这些转换方法存在转换效率低、设计成本高等问题。此外，还有利用干涉装置产生CV光束，如Sagnac干涉仪、Mach–Zehnder干涉仪等。但是干涉测量方法往往需要高稳定性和高精度的控制，增加了系统难度。目前，大多采用空间光调制器(SLM)来实现CV光束，包括双SLM方法和单SLM分屏方法。然而，双SLM方法不具有成本效益，而分屏方法具有SLM面积利用率低的缺点，另外，SLM方法由于衍射效应，转换效率较低，且由于是液晶材料，无法承受高能量激光束。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于涡旋半波片产生任意柱矢量偏振光的直视型方法及装置，通过简单的旋转和置换波片实现多类型光束，包括柱矢量光束、涡旋光束和柱矢量涡旋光束等。涡旋半波片是一种特殊的半波片，整体具有一致的相位延迟量π，但其快轴方向围绕圆心不断变化。它像半波片一样具有很高的透射率，所以能量利用率很高，可以制作到2英寸，可以通过光束扩展和再压缩来实现高能量光束的转换。本发明的结构是无光路反射和偏转的直视型系统，具有结构简单、易操作控制、能量利用率和转化效率高、实用性好，可获得多种高纯度光束的特点。
本发明技术解决方案：一种基于涡旋半波片产生任意柱矢量偏振光的直视型方法及装置，包括以下步骤：
步骤S1：设置入射光束采用激光光源，谱宽小于±3nm，也可采用线偏振光源；
步骤S2：设置水平起偏器，可为偏振片、偏振棱镜或格兰泰勒棱镜，使光束光轴过水平起偏器中心且与法线平行，其偏振透射方向为水平方向，对某一波段光束具有高消光比；
步骤S3：设置扩束镜，扩束镜由两个或两个以上焦距不同的透镜组成光束放大器，要求光束放大，且放大倍数可调，并与后置的波片尺寸大小及需求有关；
步骤S4：设置和调节第一λ/2波片，使光束的光轴过第一λ/2波片中心且与法线平行，第一λ/2波片能够更换且主轴沿光轴旋转可调；
步骤S5：设置第一涡旋半波片，第一涡旋半波片的快轴方向θ沿方位角ψ变化，即
其中m为阶数(m>0代表逆时针变化，m<0代表顺时针变化)，σ为方位角ψ＝0时的第一涡旋半波片的快轴方向，旋转第一涡旋半波片使得σ＝0，光束光轴过其中心且与基底法线平行；
步骤S6：置入第二λ/2波片，设置在S5第一涡旋半波片之后，使光束的光轴过第二λ/2波片中心且与法线平行，第二λ/2波片能够更换且主轴沿光轴旋转可调；
步骤S7：置入第一λ/4波片，设置在S4第一半波片之后，使光束的光轴过第一λ/4波片中心且与法线平行，第一λ/4波片能够更换且主轴沿光轴旋转可调；
步骤S8：置入第二λ/4波片和第二涡旋半波片，设置在S5第一涡旋半波片之后，使光束的光轴过第二λ/4波片中心且与法线平行，第二λ/4波片能够更换且主轴沿光轴旋转可调；第二涡旋半波片的快轴方向θ沿方位角ψ变化，即
其中m为阶数(m>0代表逆时针变化，m<0代表顺时针变化)，σ为方位角ψ＝0时的涡旋半波片的快轴方向，旋转第二涡旋半波片使得σ＝0，光束光轴过其中心且与基底法线平行；
步骤S9：根据需要可通过光束放缩器对光束进行放大或缩小。
其中，所述步骤S4和S5中，第一λ/2波片能够更换和旋转，且与光源的中心波长λ相一致，也可采用消色差波片，以提高适用范围，通过旋转第一λ/2波片可调节入射光的偏振方向，与第一涡旋半波片组合可产生多种类型，第一涡旋半波片也可更换；以一阶第一涡旋半波片(m＝1)为例，当第一λ/2波片的快轴旋转在0°或90°方向时，可产生径向偏振光，当第一λ/2波片的快轴旋转在45°或-45°方向时，可产生角向偏振光，当将一阶第一涡旋半波片更换为高阶第一涡旋半波片时，可产生高阶柱矢量光束。
其中，所述步骤S6中，第二λ/2波片可根据产生光束的需要加入到系统中，所以在系统图中用虚线框住，第二λ/2波片可旋转，且与光源的中心波长λ相一致，也可采用消色差波片，以提高适用范围，通过旋转第二λ/2波片可增加柱矢量光束的种类；如当步骤S3和S4产生径向偏振光时，将第二λ/2波片的快轴旋转在0°方向时，可产生反径向偏振光，将第二λ/2波片的快轴旋转在45°方向时，可产生反角向偏振光。
其中，所述步骤S7中，第一λ/4波片可根据产生光束的需要加入到系统中，所以在系统图中用虚线框住，第一λ/4波片可旋转，且与光源的中心波长λ相一致，也可采用消色差波片，以提高适用范围，通过旋转第一λ/4波片的主轴，将线偏振光转化为圆偏振光，与第一涡旋半波片结合可产生圆偏振涡旋光束。
其中，所述步骤S8中，第二λ/4波片和第二涡旋半波片可根据产生光束的需要加入到系统中，所以在系统图中用虚线框住，第二λ/4波片可旋转，且与光源的中心波长λ相一致，也可采用消色差波片，以提高适用范围；在步骤S7的基础上，通过旋转第一λ/4波片的主轴，将产生的圆偏振涡旋光束转化为线偏振光涡旋光束，再与第二涡旋半波片结合可产生柱矢量涡旋光束，其中，偏振阶数P由新加入的第二涡旋半波片的阶数m2决定，涡旋相位拓扑核数l由步骤S7的第一涡旋半波片的阶数m1决定。
其中，所述步骤S5和S8中，第一、第二涡旋半波片可由两个及以上的涡旋半波片组合产生新的涡旋半波片，以在现有涡旋半波片的基础上增加涡旋半波片的类型，进而实现更多类型柱矢量光束，比如现有2阶、3阶和7阶涡旋半波片时，两者或三者组合后还可以生成±1阶、-2阶、-3阶、±4阶、±5阶、6阶、-7阶、8阶、9阶和10阶涡旋半波片。
本发明的原理是利用涡旋半波片可将线偏振光进行旋转进而产生任意柱矢量偏振光。涡旋半波片是一种特殊的半波片，可由具有双折射特性的液晶或液晶聚合物制作而成。它具有一致的相位延迟量，但快轴方向围绕圆心连续变化。快轴分布可由下面公式描述：
其中，ψ为涡旋波片的方位角，ψ∈[0,2π]；θ为涡旋波片上某方位的快轴方向；m是阶次，σ是方位角ψ＝0处的快轴方向。图2中展示了σ＝0，m＝1，2，3，4的几种涡旋半波片快轴的分布情况。
快轴方向为θ的涡旋半波片的琼斯矩阵Jm,σ可表示为：
以m＝1，σ＝0的涡旋半波片为例，通过旋转半波片改变线偏振光方向，进而产生多种一阶柱矢量光束。当水平线偏振光入射时，其琼斯矢量为E//＝[10]T，通过涡旋半波片后的光束琼斯矢量为：
此时产生的光束即为径向偏振光。当竖直线偏振光入射时，其琼斯矢量为E⊥＝[01]T，通过涡旋半波片后的光束琼斯矢量为：
此时产生的光束为角向偏振光，即在径向偏振光的基础上每个偏振方向顺时针旋转了90°，若在径向偏振光的基础上每个偏振方向逆时针旋转90°，也为角向偏振光，与前者的区别只是整体上相差π相位。
对于一般情况，设入射的线偏振光的偏振方向为α角度，其琼斯矢量为Eα＝[cosαsinα]T，通过m阶σ＝0涡旋半波片后的光束琼斯矢量为：
此时产生的光束是在m阶径向偏振光的基础上，每个偏振方向顺时针旋转了α角度，也可表述为逆时针旋转了-α角度。
的下标代表逆时针旋转的角度，上标指的是m阶柱矢量偏振光。因此当线偏振光分别以α＝0°、-90°、-45°和45°偏振方向入射到一阶σ＝0涡旋半波片后，将产生径向偏振光、角向偏振光、π/4偏振光和-π/4偏振光。
此外，当产生的径向偏振光和角向偏振光再分别经过快轴在0°半波片后，其产生的光束琼斯矢量可表述为：
其中，J0和Jπ/4分别为快轴在0°和45°半波片的琼斯矩阵。产生的光束分别为反径向偏振光(ARP)和反角向偏振光(AAP)，即在ψ方位角的偏振方向为-ψ和-ψ+π/2。
图3展示了上述生成的6种一阶柱矢量光束的光强和偏振分布情况。当将一阶涡旋半波片置换为高阶涡旋半波片时，便可产生高阶柱矢量偏振光。
当把λ/4波片置于λ/2波片和涡旋半波片之间时，旋转λ/4波片主轴使出射光为右旋或左旋圆偏振光，其相应的琼斯矢量为
和
通过涡旋波片后的光束琼斯矢量分别为：
从表达式可以看出，生成的光束分别为顺时针左旋圆偏振涡旋(clockwise left-handed circularly-polarized vortex，CLCV)光束和逆时针右旋圆偏振涡旋(anti-clockwise right-handed circularly-polarized vortex，ARCV)光束。
此时，在此光束后再置入λ/4波片，旋转λ/4波片使快轴在45°或-45°方向，可将产生的圆偏振涡旋光束转换为线偏振涡旋光束，以ARCV光束为例，经过λ/4波片后生产的光束的琼斯矢量为：
其中，
和
分别为快轴在45°和-45°λ/4波片的琼斯矢量，生成的光束分别为逆时针竖直线偏振涡旋(anti-clockwise vertically linearly-polarized vortex，AVLV)光束和逆时针水平线偏振涡旋(anti-clockwise horizontally linearly-polarized vortex，AHLV)光束。
再将产生的线偏振涡旋光束通过第二块涡旋半波片，则可产生柱矢量涡旋光束，相应的琼斯矢量可表述为：
其中，θ2为第二涡旋波片上某方位的快轴方向，m1为第一涡旋波片的阶次，m2为第二涡旋波片的阶次，ψ为涡旋波片的方位角，σ1为方位角ψ＝0处的第一涡旋波片快轴方向，σ2为方位角ψ＝0处的第二涡旋波片快轴方向，
为第二涡旋波片的琼斯矩阵，
为m2阶角向偏振m1阶涡旋相位光束的琼斯矢量，
为m2阶径向偏振m1阶涡旋相位光束的琼斯矢量。从表达式可以看出，生成的光束分别为角向偏振涡旋光束(m2阶角向偏振m1阶涡旋相位)和径向偏振涡旋光束(m2阶径向偏振m1阶涡旋相位)。
综上所述，通过简单旋转和置换波片，包括λ/2波片、λ/4波片和涡旋半波片，便可产生任意柱矢量偏振光，包括高阶柱矢量光束、涡旋光束和柱矢量涡旋光束等。
此外，当涡旋半波片的种类有限时，可通过两块及以上的涡旋半波片组成出新的涡旋半波片，分别以两块和三块的组合为例进行描述，由公式(2)可知，单个涡旋半波片的琼斯矩阵可描述为：
其中，α＝2θ＝mψ+2σ，则两块涡旋半波片的组合琼斯矩阵可表示为：
其中，
和
分别为第一块涡旋半波片和第二块涡旋半波片的琼斯矩阵，光束通过的顺序是先第一块，然后第二块，之后的以此类推；α1＝2θ1＝m1ψ+2σ1，α2＝2θ2＝m2ψ+2σ2，分别为第一块涡旋波片和第二块涡旋半波片上某方位的2倍快轴方向。从表达式可以看出，此琼斯矩阵为一旋转矩阵，线偏振光通过此器件后偏振方向可逆时针旋转(m2-m1)ψ+2(σ2-σ1)角度。该级联器件可通过一主轴在水平(或竖直)方向的半波片，即0°半波片，也即m＝0,σ＝0的涡旋半波片后可转化为涡旋半波片，其转换过程的琼斯矩阵可表示为：
其中，J0为快轴在水平(0°)方向的半波片的琼斯矩阵，也即m＝0,σ＝0的涡旋半波片的琼斯矩阵。以σ＝0的1阶和3阶涡旋半波片组合为例，当先后通过0°半波片、1阶和3阶涡旋波片，其组合的结果相当于m＝2,σ＝0的涡旋半波片，当先后通过0°半波片、3阶和1阶涡旋半波片，其组合的结果相当于m＝-2,σ＝0的涡旋半波片，负号表示涡旋半波片的快轴按顺时针方向连续变化。特别地，当0°半波片置于1阶和3阶涡旋半波片之间时，该组合结果相当于m＝4,σ＝0的涡旋半波片。
三块涡旋半波片的组合琼斯矩阵可表示为：
其中，J3为第三块涡旋半波片的琼斯矩阵，α3＝2θ3＝m3ψ+2σ3为第三块涡旋波片上某方位的2倍快轴方向。从表达式可以看出，此组合琼斯矩阵为(m3-m2+m1)阶涡旋半波片，以σ＝0的2阶、3阶和7阶涡旋半波片为例，他们两者或三者组合后(根据需要置入0°半波片)，还可以生成±1阶(1＝3-2+0、-1＝2-3+0)、-2阶(0-2+0)、-3阶(0-3+0)、±4阶(4＝7-3+0、-4＝3-7+0)、±5阶(5＝3-0+2或5＝7-2+0、-5＝2-7+0)、6阶(7-3+2)、-7阶(0-7+0)、8阶(7-2+3)、9阶(7-0+2)和10阶(7-0+3)涡旋半波片。同理，五块涡旋半波片组合可形成(m5-m4+m3-m2+m1)阶涡旋半波片，以此类推，可组合成更多种类的涡旋半波片。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)涡旋半波片具有高透过率和连续变化的主轴，所以产生的柱矢量光束，无衍射效应能量损伤，其能量利用率和转化效率都特别高。
(2)该系统采用直视型，无光路的反射和偏折，结构简单，易操作控制，稳定性高，便于实现商业化。
(3)通过简单旋转和置换波片，包括λ/2波片、λ/4波片和涡旋半波片，便可产生任意柱矢量偏振光，包括高阶柱矢量光束、涡旋光束和柱矢量涡旋光束等。
(4)通过有限种类的涡旋半波片的组合，可以生成新的涡旋半波片，如2阶、3阶和7阶涡旋半波片，两者或三者组合后(根据需要置入0°半波片)还可以生成±1阶、-2阶、-3阶、±4阶、±5阶、6阶、-7阶、8阶、9阶和10阶涡旋半波片。
附图说明
图1为本发明一种基于涡旋半波片产生任意柱矢量偏振光的直视型方法利用的装置示意图，图中，1为激光器，2为水平起偏器，3为扩束镜，4为第一λ/2波片，5为第一λ/4波片，6为第一涡旋半波片，7为第二λ/2波片，8为第二λ/4波片，9为第二涡旋半波片，10为光束放缩器，11为柱矢量偏振光；
图2为σ＝0，m＝1,2,3,4的涡旋半波片快轴分布图；
图3为几种一阶柱矢量光束的光强和偏振分布图；
图4为本发明实验产生的一阶柱矢量偏振光束；
图5为本发明实验产生的一些柱矢量偏振涡旋光束。
具体实施方式
结合附图给出本发明的具体实施方式，详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，光束产生系统包括激光器1、水平起偏器2，扩束镜3、第一λ/2波片4、第一λ/4波片5、第一涡旋半波片6、第二λ/2波片7、第二λ/4波片8、第二涡旋半波片9以及光束放缩器10。图1虚线框中的元器件先不置入系统中，根据产生光束的需要再选择置入与取出。激光器1产生的激光经水平起偏器2后确保成为水平线偏振光，再经扩束镜3后实现光束放大，然后通过第一λ/2波片4调节线偏振光的偏振方向，经第一涡旋半波片6后获得柱矢量偏振光，通过第一旋转λ/2波片4可获得多种类型柱矢量光束，此时将第二λ/2波片7置入并旋转，可获得更多类型柱矢量光束；然后取出第二λ/2波片7并将第一λ/4波片5置入，通过旋转第一λ/4波片5将线偏振光转化为圆偏振光，再通过第一涡旋半波片6将获得圆偏振涡旋光束；此时再置入第二λ/4波片8和第二涡旋半波片9，通过旋转第二λ/4波片8将圆偏振光转化为线偏振光，通过第二涡旋半波片9后获得柱矢量涡旋光束，最后经光束放缩器10后产生适合需求的柱矢量偏振光束11。
如图1所示，为本发明一种基于涡旋半波片产生任意柱矢量偏振光的直视型方法及装置具体实现如下：
步骤101设置激光器1和水平起偏器2。激光器1发出的激光可为线偏振光或非偏振光，为了提高光强的利用率，最好选择线偏振光，可通过半波片调整偏振方向，通过水平起偏器2后确保输出光为水平线偏振光，水平起偏器2可选择偏振片、分光棱镜或者格兰泰勒棱镜等，根据输入激光的强度进行选择，其透射方向为水平方向，实验中选择线偏振的氦氖激光器作为光源，格兰泰勒棱镜作为水平起偏器2，两者之间加入了半波片来调整出射光强度；
步骤102设置扩束镜3。扩束镜3是由两个或两个以上焦距不同的透镜组成光束放大器，实现光束放大，放大倍数可调，且与后置的波片尺寸大小及需求有关；
步骤103设置第一λ/2波片4。光束垂直通过第一λ/2波片4中心，第一λ/2波片4主轴沿光轴旋转可调，可读取主轴方位和旋转角度，当光源波长变化时，波片随之更换，或者选用消色差波片，以提高使用范围；
步骤104设置第一涡旋半波片6，置于第一λ/2波片4之后，整块涡旋半波片具有相同的相位延迟量π，但其快轴方向θ沿方位角ψ变化，即
其中m为阶数(m>0代表逆时针变化，m<0代表顺时针变化)，σ为方位角ψ＝0时的第一涡旋半波片6的快轴方向，旋转第一涡旋半波片6使得σ＝0，即在X轴正方向位置时第一涡旋半波片6的快轴方向延X轴正方向，光束光轴过其中心且与基底法线平行；
步骤105旋转第一λ/2波片4。通过旋转第一λ/2波片4的主轴可产生多种类型的柱矢量光束，比如将第一λ/2波片4的快轴分别转到0°、-45°、-22.5°和22.5°时，透过第一涡旋半波片6后将获得径向偏振光、角向偏振光、π/4偏振光和-π/4偏振光；
步骤106设置第二λ/2波片7。此波片为待选择元件，根据产生光束的需要选择是否置入，旋转第二λ/2波片7，可增加柱矢量光束的类型。比如需要时将第二λ/2波片7置于第一涡旋半波片6之后，当应用步骤105产生径向偏振光后，将第二λ/2波片7的快轴分别转到0°和45°时，将产生反径向偏振光和反角向偏振光；
步骤107设置第一λ/4波片5。此波片为待选择元件，根据产生光束的需要选择是否置入，旋转第一λ/4波片5可产生多种光束。需要时将第一λ/4波片5置于第一λ/2波片4和第一涡旋半波片6之间，将第一λ/2波片4的快轴转到0°，旋转第一λ/4波片5使其快轴分别在45°和-45°，通过第一涡旋半波片6后将分别产生顺时针左旋圆偏振涡旋(CLCV)光束和逆时针右旋圆偏振涡旋(ARCV)光束；
步骤108设置第二λ/4波片8和第二涡旋半波片9。此波片为待选择元件，根据产生光束的需要选择是否置入，旋转第二λ/4波片8可产生多种光束，第二涡旋半波片9置于第二λ/4波片8之后，整块涡旋半波片具有相同的相位延迟量π，但其快轴方向θ沿方位角ψ变化，即
其中m为阶数(m>0代表逆时针变化，m<0代表顺时针变化)，σ为方位角ψ＝0时的第一涡旋半波片6的快轴方向，旋转第二涡旋半波片9使得σ＝0，即在X轴正方向位置时第二涡旋半波片9的快轴方向延X轴正方向，光束光轴过其中心且与基底法线平行。比如当应用步骤107产生逆时针右旋圆偏振涡旋光束后，旋转第二λ/4波片8使其快轴分别在45°和-45°，将分别产生逆时针竖直线偏振涡旋(AVLV)光束和逆时针水平线偏振涡旋(AHLV)光束，再通过第二涡旋半波片9后将分别产生角向偏振涡旋光束和径向偏振涡旋光束；
步骤109更换第一涡旋半波片6和第二涡旋半波片9。根据产生光束的需要，可更换第一涡旋半波片6和第二涡旋半波片9，当涡旋半波片的种类有限时，可通过两个及以上的涡旋半波片组合出新的涡旋半波片，组合时各涡旋半波片都旋转至σ＝0的位置。比如现有2阶、3阶和7阶涡旋半波片以及0°半波片，分别标号为a、b、c和o，当其中三者相互结合时，按顺序bao、cbo、cao(或aob)、abc、bac、aoc和boc结合时可分别生成σ＝0的1阶、4阶、5阶、6阶、8阶、9阶和10阶涡旋半波片，即通过组合由3种涡旋半波片实现了1-10阶涡旋半波片；
步骤110根据需要可通过光束放缩器10对光束进行放大或缩小，放缩倍数可调。
图2为σ＝0的几种涡旋半波片快轴分布示意图，图2(a)-2(d)分别对应阶数m＝1,2,3,4的涡旋半波片。
图3为几种一阶柱矢量光束的光强和偏振分布示意图，图3(a)-3(f)分别为径向偏振光、角向偏振光、π/4偏振光、-π/4偏振光、反径向偏振光和反角向偏振光。
图4为本发明实验产生的一阶柱矢量偏振光束，图4(a)-4(f)为实验产生的径向偏振光、角向偏振光、π/4偏振光、-π/4偏振光、反径向偏振光和反角向偏振光的光强分布，图4(a1)-(f1)为各光束经水平线偏振片后的光场分布，图4(a2)-(f2)为各光束经45°线偏振片后的光场分布，图4(a3)-(f3)为各光束经-45°(135°)偏振片后的光场分布，箭头方向为偏振片透光方向。实验结果与理论分析结果相一致，证明了本发明方法的正确性和有效性。
图5为本发明实验产生的一些柱矢量偏振涡旋光束，图5(a)-(d)为实验产生的1阶径向3阶涡旋光、3阶径向1阶涡旋光、1阶角向3阶涡旋光和3阶角向1阶涡旋光的光强分布，其中涡旋相位是逆时针变化的，图5(a1)-(d1)为各光束经水平线偏振片后的光场分布，图5(a2)-(d2)为各光束经45°线偏振片后的光场分布，图5(a3)-(d3)为各光束经-45°(135°)偏振片后的光场分布，箭头方向为偏振片透光方向。实验结果与理论分析结果相一致，证明了本发明方法的正确性和有效性。
总之，本发明基于涡旋半波片产生了任意柱矢量偏振光，通过简单旋转和置换波片，包括λ/2波片、λ/4波片和涡旋半波片，便可产生任意柱矢量偏振光，包括高阶柱矢量光束、涡旋光束和柱矢量涡旋光束等，且能量利用率和转化效率都特别高，系统采用直视型，无光路的反射和偏折，结构简单，易操作控制，稳定性高，便于实现商业化。另外，通过有限种类的涡旋半波片的组合，可以生成新的涡旋半波片，进而可产生更多种类的柱矢量光束。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
以上所述实施例，仅为本发明具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改、替换和改进等(例如，激光器发射的激光强度可根据需要进行调节，水平起偏器只需保证线偏振输出，其偏振方向可以调整，但其后的波片也要相应的做调整，涡旋半波片0方位角处的σ也可根据情况做变化等)，这些修改、替换和改进都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种基于涡旋半波片产生任意柱矢量偏振光的直视型方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1：设置水平起偏器(2)，可为偏振片、偏振棱镜或格兰泰勒棱镜，要求光束光轴过水平起偏器(2)中心且与法线平行，其透射偏振方向为水平方向，对某一波段光束具有高消光比；
步骤S2：设置扩束镜(3)，扩束镜(3)由两个或两个以上焦距不同的透镜组成光束放大器，要求光束放大，且放大倍数可调，并与后置的波片尺寸大小及需求有关；
步骤S3：设置和调节第一λ/2波片(4)，要求光束的光轴过第一λ/2波片(4)中心且与法线平行，第一λ/2波片(4)能够更换且主轴沿光轴旋转可调；
步骤S4：设置第一涡旋半波片(6)，要求第一涡旋半波片(6)的快轴方向θ沿方位角ψ变化，即θ＝m2ψ+σ，其中m为阶数，m>0代表逆时针变化，m<0代表顺时针变化，σ为方位角ψ＝0时的第一涡旋半波片(6)的快轴方向，旋转第一涡旋半波片(6)要求σ＝0，光束光轴过其中心且与基底法线平行；
步骤S5：设置和调节第二λ/2波片(7)，要求光束的光轴过第二λ/2波片(7)中心且与法线平行，第二λ/2波片(7)能够更换且主轴沿光轴旋转可调；
步骤S6：设置和调节第一λ/4波片(5)，要求光束光轴过第一λ/4波片(5)中心与法线平行，第一λ/4波片(5)能够更换且主轴沿光轴旋转可调；
步骤S7：设置和调节第二λ/4波片(8)和第二涡旋半波片(9)，要求光束光轴过第二λ/4波片(8)中心与法线平行，第二λ/4波片(8)能够更换且主轴沿光轴旋转可调，要求第二涡旋半波片(9)的快轴方向θ沿方位角ψ变化，即
其中m为阶数，m>0代表逆时针变化，m<0代表顺时针变化，σ为方位角ψ＝0时的第二涡旋半波片(9)的快轴方向，旋转第二涡旋半波片(9)要求σ＝0，光束光轴过其中心且与基底法线平行；
步骤S8：根据需要通过光束放缩器(10)对光束进行放大或缩小，且放缩倍数可调；
其中，所述步骤S3和步骤S4中，第一λ/2波片(4)能够更换和旋转，且与光源的中心波长λ相一致，也可采用消色差波片，以提高适用范围，通过旋转第一λ/2波片(4)可调节入射光的偏振方向，与第一涡旋半波片(6)组合可产生多种类型，第一涡旋半波片(6)也可更换；对于一阶涡旋半波片即m＝1，当第一λ/2波片(4)的快轴旋转在0°或90°方向时，可产生径向偏振光，当第一λ/2波片(4)的快轴旋转在45°或-45°方向时，可产生角向偏振光，当将一阶涡旋半波片更换为高阶涡旋半波片时，可产生高阶柱矢量光束；
所述步骤S5中，第二λ/2波片(7)可根据产生光束的需要加入到系统中，所以在系统图中用虚线框住，第二λ/2波片(7)可旋转，且与光源的中心波长λ相一致，也可采用消色差波片，以提高适用范围，通过旋转第二λ/2波片(7)可增加柱矢量光束的种类；如当步骤S3和步骤S4产生径向偏振光时，将第二λ/2波片(7)的快轴旋转在0°方向时，可产生反径向偏振光，将第二λ/2波片(7)的快轴旋转在45°方向时，可产生反角向偏振光；
所述步骤S6中，第一λ/4波片(5)可根据产生光束的需要加入到系统中，所以在系统图中用虚线框住，第一λ/4波片(5)可旋转，且与光源的中心波长λ相一致，也可采用消色差波片，以提高适用范围，通过旋转第一λ/4波片(5)的主轴，将线偏振光转化为圆偏振光，与第一涡旋半波片(6)结合可产生圆偏振涡旋光束；
所述步骤S7中，第二λ/4波片(8)和第二涡旋半波片(9)可根据产生光束的需要加入到系统中，所以在系统图中用虚线框住，第二λ/4波片(8)可旋转，且与光源的中心波长λ相一致，也可采用消色差波片，以提高适用范围；在步骤S6的基础上，通过旋转第二λ/4波片(8)的主轴，将产生的圆偏振涡旋光束转化为线偏振光涡旋光束，再与第二涡旋半波片(9)结合可产生柱矢量涡旋光束，其中，偏振阶数P由第二涡旋半波片(9)的阶数m2决定，涡旋相位拓扑核数l由第一涡旋半波片(6)的阶数m1决定；
所述步骤S4和步骤S7中，第一涡旋半波片(6)和第二涡旋半波片(9)可由两个及以上的涡旋半波片组合产生新的涡旋半波片，以在现有涡旋半波片的基础上增加涡旋半波片的种类，进而实现更多类型柱矢量光束，比如现有2阶、3阶和7阶涡旋半波片时，两者或三者组合后还可以生成±1阶、-2阶、-3阶、±4阶、±5阶、6阶、-7阶、8阶、9阶和10阶涡旋半波片。
2.一种基于涡旋半波片产生任意柱矢量偏振光的直视型装置，用于实现权利要求1所述的基于涡旋半波片产生任意柱矢量偏振光的直视型方法，其特征在于，包括激光器(1)、水平起偏器(2)，扩束镜(3)、第一λ/2波片(4)、第一λ/4波片(5)、第一涡旋半波片(6)、第二λ/2波片(7)、第二λ/4波片(8)、第二涡旋半波片(9)以及光束放缩器(10)，第一λ/4波片(5)、第二λ/2波片(7)、第二λ/4波片(8)、第二涡旋半波片(9)先不置入系统中，根据产生光束的需要再选择置入与取出，激光器(1)产生的激光经水平起偏器(2)后确保成为水平线偏振光，再经扩束镜(3)后实现光束放大，然后通过第一λ/2波片(4)调节线偏振光的偏振方向，经第一涡旋半波片(6)后获得柱矢量偏振光，通过旋转第一旋转λ/2波片(4)可获得多种类型柱矢量光束，此时将第二λ/2波片(7)置入并旋转，可获得更多类型柱矢量光束；然后取出第二λ/2波片(7)并将第一λ/4波片(5)置入，通过旋转第一λ/4波片(5)将线偏振光转化为圆偏振光，再通过第一涡旋半波片(6)将获得圆偏振涡旋光束；此时再置入第二λ/4波片(8)和第二涡旋半波片(9)，通过旋转第二λ/4波片(8)将圆偏振光转化为线偏振光，通过第二涡旋半波片(9)后获得柱矢量涡旋光束，最后经光束放缩器(10)后产生适合需求的柱矢量偏振光束(11)。
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