CN113467073B - 一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置及方法，包括沿光线传播方向依次设置且轴线均共线的共轭螺旋相位偏振化起偏器、偏振选择性手性反转器和非偏振螺旋相位片，三者间隙或贴合设置；偏振选择性手性反转器包括沿光线传播方向依次连接的第一液晶延迟片、各向异性晶体和第二液晶延迟片；第一液晶延迟片和第二液晶延迟片的快轴为均匀排布，且分别与x轴呈

夹角和

夹角，X轴与光线传播方向垂直且位于水平面上，各向异性晶体沿光线传播方向的长度d为

h为各向异性晶体垂直于光线传播方向的高度。实现了频率微偏功能的微小频率偏移装置。

Description

一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置及方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置及方法。

背景技术

激光具有优良的单色性和相干性，是光学检测、光学加工等领域的常用光源。频率是激光抽象为物理模型时的基本参数，在激光相关的理论计算中不可或缺。精确的频率往往可以大大提高各种应用场景和理论下的计算精确度，因此频率的精确调节和测量一直是光学领域的亟待完善的关键问题。

激光频率的调节方式大体分为腔内和腔外两大类。腔内调节即通过各种方式调整谐振腔的参数，使得不需要的波长损耗增加从而限制其输出，改变中心波长。常见的方法比如在腔内加入棱镜或者石英标准具、为腔镜引入闪耀角都可以达到调谐目的。但是一些激光器在出厂时并不便于向用户开放这类调节，因此在大多数应用领域中腔内调节方式不便展开。而且调节共振腔的长度不可避免的会连带改变激光的其它参数，甚至将激光频谱展宽，也不利于实际应用。另外一些调节方式，如石英晶振频率调节技术，通过复杂的反馈步骤才能精准气化表面电极膜层，将输出频率调整到预定数值。

相比之下，腔外调节技术具有更广泛的应用场景。常用的腔外调节方式有声光调制和电光调制两种。声光调制器的工作原理是通过超声波在介质中引入周期变化的折射率，当超声波通过介质时，介质中各点会出现周期性的弹性应变，此时介质中各点的折射率也会产生相应的疏密周期性变化，从而形成相位型光栅。工作模式下，将激光由合适的方向入射，可以得到最大衍射效率的频率随超声波变化的一级衍射光。声光调制过程会引入衍射角，继而改变光束的传播方向，衍射角随超声波频率变化，在应用中引入了传播方向的不稳定性。单台声光调制器的调节范围在10kHz以上，工作模式的系统损耗在20％左右，主要取决于光栅的衍射效率。电光调制器根据实现方法的不同分为M-Z干涉型、定向耦合型、F-P型等。其原理均为运用周期性电压改变介质折射率，进而以光程的周期性变化为光束附加周期震荡成分，实现频率调制。此类器件转化效率最高为85％，提供0.1-100MHz的共振频率。完整的电光调制器需配备专用的电压控制器来引入高频的电驱周期。

随着激光技术的发展，尤其是窄线宽激光器的技术突破，实际应用中需要一种频率调节范围小，频率稳定性高的调节方式，即频率微偏器。在高精度应用场合中，声光调制和电光调制的可调谐频率和出射功率很难满足需求，调节方式附带的展宽副作用也逐渐成为评估调谐方式的主要参数之一。频谱展宽作用明显、可调谐量过大、出射功率太小的调谐方式，在诸多微调场景下表现不佳。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置及方法，实现了频率微偏功能的微小频率偏移装置。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，包括沿光线传播方向依次设置且轴线均共线的共轭螺旋相位偏振化起偏器、偏振选择性手性反转器和非偏振螺旋相位片，三者间隙或贴合设置；

偏振选择性手性反转器包括沿光线传播方向依次连接的第一液晶延迟片、各向异性晶体和第二液晶延迟片；第一液晶延迟片和第二液晶延迟片的快轴为均匀排布，且分别与x轴呈

夹角和

夹角，X轴与光线传播方向垂直且位于水平面上，各向异性晶体沿光线传播方向的长度d为

h为各向异性晶体垂直于光线传播方向的高度。

优选的，共轭螺旋相位偏振化起偏器采用各向异性晶体材料、液晶聚合物或超材料制成。

优选的，共轭螺旋相位偏振化起偏器的快轴排布为

θ为晶轴相对于横向平面x轴的夹角，

为横向平面极坐标表示中的角向坐标，l为光的轨道角动量拓扑荷，快轴与慢轴之间满足半波延迟关系。

优选的，非偏振螺旋相位片为角向厚度呈梯度变化的波片。

进一步，非偏振螺旋相位片的厚度为

其中n为介质折射率，n₀为空气折射率，L₀为常数，λ为设定波长，

为横向平面极坐标表示中的角向坐标，l为光的轨道角动量拓扑荷。

一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，包括沿光线传播方向依次设置且轴线均共线的共轭螺旋相位偏振化起偏器、偏振选择性手性反转器和非偏振螺旋相位片，三者间隙或贴合设置；

偏振选择性手性反转器包括沿光线传播方向依次连接的第一液晶延迟片、各向同性晶体和第二液晶延迟片；第一液晶延迟片和第二液晶延迟片外侧均设置有各向同性介质材料，第一液晶延迟片和第二液晶延迟片的为二分之一延迟量分布。

优选的，各向同性晶体沿光线传播方向的长度d为d＝2f_y，其中

f_y为偏振选择透镜在介质中的焦距，ρ为曲率半径，n为介质折射率，n₀为空气折射率；在偏振选择透镜中，各向同性介质材料的厚度为

L₀为常数；液晶聚合物层的快轴排布

θ为晶轴相对于横向平面x轴的夹角，λ为设定波长。

一种上述所述装置的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移方法，包括以下步骤；

步骤一，向共轭螺旋相位偏振化起偏器入射水平偏振态基模高斯光，入射模式表示为|H,0>，其中

|R>代表右旋圆偏振，|L>代表左旋圆偏振；

步骤二，水平偏振态基模高斯光在共轭螺旋相位偏振化起偏器中的过程为|R,0>→|L,-l>,|L,0＞→|R,l>，l为光的轨道角动量拓扑荷；

步骤三，通过偏振选择性手性反转器为矢量光场加入偏振选择性旋转，即作用于圆偏振成分|R,l>或者|L,-l>,并且将该圆偏振成分的角向拓扑荷反转(l→-l或-l→l)，反转后的两个成分变为|R,l>|L,l>，或者为|R,-l>，|L,-l>。以前者为例，同时对|L,l>进行频率移动，移动量为|L,-l>→exp(2ilΩ)|L,l>，其中Ω表示偏振选择性手性反转器旋转的角速度；

步骤四，非偏振螺旋相位片无视偏振选择，为光场附加逆向螺旋相位，将反转后的圆偏振成分的螺旋波前转变为平面波前，即|R,l>→|R,0>或|L,l>→|L,0>。

优选的，将反转后的圆偏振成分的螺旋波前转变为平面波前后，检测偏移装置出射光的水平偏振成分，获取激光微小频率的水平偏移量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述通过偏振选择性手性反转器在光线传播过程中进行角向拓扑荷反转和频率移动，实现频率微偏功能，偏振选择性手性反转器借助柱矢量光束的特点，对矢量光成分进行操作，充分利用其双轨道角动量共路的特性避免引入不同路径，使仪器不含干涉仪，具有极强的稳定性，偏振选择性手性反转器借助旋转多普勒的原理，能够通过调节偏振选择性手性反转器的转速度改变光的频率，使得频率改变量足够小，其调节范围弥补了现有常用(腔外)调节装置如声光调制器和电光调制器的空白，原理上不会展宽激光的频率，便于与先进的窄线宽技术结合；偏移装置的三个主要组成部件之间在机械装置允许的情况下可以紧凑放置，使仪器的整体体积较小，另一方面本仪器对光束进行操作的过程中并不改变光束传播方向，便于加入原应用光路，泛用性极强。本发明所述装置无波长限制，能够和不同的材料技术结合具备适用于全波长的潜力。并且可输出光拍频信号，可作为光触发器，可作为对应于光频移量的外部触发。

本发明所述方法，通过偏振选择性手性反转器将入射光的圆偏振成分的角向拓扑荷反转，并进行频率移动，实现频率微偏功能，通过调节偏振选择性手性反转器的转速度改变光的频率，使得频率改变量足够小，其调节范围弥补了现有常用(腔外)调节装置如声光调制器和电光调制器的空白。

进一步，对出射光束的水平偏振成分进行检测，能够得到激光微小频率具体的水平偏移量，并且能够作为外部触发信号。

附图说明

图1为本发明的通用结构示意图；

图2为本发明的l＝2时共轭螺旋相位偏振化起偏器包含的液晶快轴分布图；

图3为本发明的l＝2时起偏器件为右旋圆偏振成分附加的螺旋相位，以及还原螺旋相位片附加的螺旋相位图；

图4为本发明的l＝2时起偏器件为左旋圆偏振成分附加的螺旋相位图；

图5为本发明的偏振选择性手性反转器的各向异性晶体图；

图6为本发明的还原相位的非偏振螺旋相位片的结构图；

图7为本发明的各成分等相位面

的变化步骤图；

图8为本发明的l＝1时共轭螺旋相位偏振化起偏器包含的液晶快轴分布图；

图9为本发明的l＝3时共轭螺旋相位偏振化起偏器包含的液晶快轴分布图；

图10为本发明的l＝4时共轭螺旋相位偏振化起偏器包含的液晶快轴分布图；

图11为本发明的l＝1时，若共轭螺旋相位偏振化起偏器所包含四分之一液晶波长延迟单元的快轴分布图；

图12为本发明的l＝2时，若共轭螺旋相位偏振化起偏器所包含四分之一液晶波长延迟单元的快轴分布图；

图13为本发明的偏振选择性手性反转器的柱聚焦古伊相位转换器图；

图14为本发明的各向异性晶体层的快轴排布示意图；

图15为本发明的适用于厄米-高斯模式时的结构示意图。

其中：1-共轭螺旋相位偏振化起偏器；2-偏振选择性手性反转器；3-非偏振螺旋相位片；4-第一液晶延迟片；5-各向异性晶体；6-第二液晶延迟片；7-各向同性介质材料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述光学仪器的工作流程分为产生柱矢量涡旋光、偏振选择性旋转、还原为基模高斯光三个过程。在偏振框架下利用柱矢量涡旋光的不同偏振成分执行。实现方式如图1所示，包括共轭螺旋相位偏振化起偏器1、偏振选择性手性反转器2和非偏振螺旋相位片3。共线的共轭螺旋相位偏振化起偏器1、偏振选择性手性反转器2和非偏振螺旋相位片3均为圆柱体，共线的共轭螺旋相位偏振化起偏器1、偏振选择性手性反转器2和非偏振螺旋相位片3沿光线传播方向依次设置且轴线均共线，三者间隙设置。

以入射水平偏振态基模高斯光为例进行说明，入射模式表示为|H,0>,其中

|R>代表右旋圆偏振，|L>代表左旋圆偏振。

共轭螺旋相位偏振化起偏器1的作用描述为：|R,0>→|L,-l>,|L,0＞→|R,l>,可由各向异性晶体材料、液晶聚合物、超材料等技术制作。以液晶聚合物为例，提供二分之一波长延迟单元，其横向(垂直光线传播方向)快轴排布限定为

(涡旋半波片)，θ为晶轴相对于横向平面x轴的夹角，X轴与光线传播方向垂直且位于水平面上，

为横向平面极坐标表示

中的角向坐标，限定条件与r无关，l为光的轨道角动量拓扑荷。图2展示了l＝2时快轴的空间排布。图3为具备该快轴排布的液晶器件对入射右旋圆偏振成分附加的螺旋相位，图4为对入射左旋原偏振成分附加的螺旋相位。

通过偏振选择性手性反转器2为矢量光场加入偏振选择性旋转，即作用于圆偏振成分|R,l>或者|L,-l>，并且将该圆偏振成分的角向拓扑荷反转(l→-l或-l→l)，分别变为|R,l>或|L,l>，以作用于左旋圆偏振成分为例，对|L,l>进行频率移动，此过程可表示为|L,-l>→exp(2ilΩ)|L,l>，其中Ω表示偏振选择性手性反转器2旋转的角速度。同时另一成分不作操作，即|R,l>→|R,l>。

偏振选择性手性反转器2的进一步描述，以作用于左旋圆偏振成分为例的一种设计结构如图5所示。偏振选择性手性反转器2包括沿光线传播方向依次连接的第一液晶延迟片4、各向异性晶体5和第二液晶延迟片6，第一液晶延迟片4和第二液晶延迟片6，均具有附加四分之一波长延迟作用，其快轴均为均匀排布，第一液晶延迟片4与横截面x轴呈

夹角。各向异性晶体5选取合适的截面使寻常波沿原方向传播，非常波以角度α射向底面。在工作模式下，入射光束中心与材料横截面中心重合，入射光束距离底面的高度h与各向异性材料在z轴的长度d满足条件

h为各向异性晶体5沿光线传播方向的半径。第二液晶延迟片6快轴与x轴呈

夹角。第一液晶延迟片4、各向异性晶体5和第二液晶延迟片6之间可通过光胶合等技术粘接，在旋转过程中保持相对位置固定。

通过各向同性材料螺旋相位片将具有螺旋相位的光场还原为基模高斯光。

非偏振螺旋相位片3的特征是无视偏振选择，为光场附加逆向螺旋相位，将反转后的圆偏振成分的螺旋波前转变为平面波前。接上例描述，其作用描述为：|R,l>→|R,0>或|L,l>→|L,0>。可用各向同性材料(如玻璃)加工为角向厚度呈梯度变化的波片，其厚度特征为

其中n为介质折射率，n₀为空气折射率，L₀为常数以保证厚度数值为正，λ为设定波长。图6展示了l＝2时所需还原螺旋相位片的的示意图，光束传播方向设定为由下向上，其附加的螺旋相位与图3相同，同时作用于左旋和右旋圆偏振成分。

将反转后的圆偏振成分的螺旋波前转变为平面波前后，检测偏移装置出射光的水平偏振成分，获取激光微小频率的水平偏移量。

通过切换入射场的偏振切换基本的工作模式。

当入射右旋圆偏振基模高斯光时，进入频率偏移模式。通过控制转速Ω，引入数值为2lΩ的频率微偏。在附加螺旋时采用高阶l，调节范围可以成倍增加，可在仪器出厂前定制共轭螺旋相位偏振化起偏器1完成。

当入射线偏振基模高斯光，并在非偏振螺旋相位片3之后加入检偏器检测水平或竖直偏振时，进入即时检测模式。用光电探测器探测出射的基模高斯光，接入示波器，可直接读出频率偏移数值。

对于仪器内部激光的具体变化规律的补充说明。如图7所示，入射激光模式为水平偏振基模高斯光，追踪其(入射)右旋圆偏振成分、左旋圆偏振成分和二者复合的等相位面变化。入射时二者均为平坦波前，经过共轭螺旋相位偏振化起偏器1的作用，二者被按照偏振附加上手性不同的螺旋相位，其中右旋圆偏振被附加上右手螺旋相位，同时偏振翻转为左旋圆偏振，此部分被旋转的偏振选择性手性反转器2翻转为左手螺旋相位，并加入转速相关的(圆)频率移动lΩ；左旋圆偏振则被附加上左手螺旋相位并翻转为右旋圆偏振，此部分不受偏振选择性手性反转器2作用，所以频率保持不变。随后非偏振螺旋相位片3为二者附加右手螺旋相位，将左手螺旋还原为平坦波前。讨论过程适用于任意螺旋拓扑荷l。

本发明频移量的控制方法包括改变偏振选择性手性反转器2的转速Ω和改变设计螺旋拓扑荷l两种形式。其中转速Ω可以通过机械控制部件连续控制；螺旋拓扑荷部分则需要改变仪器的组装，替换安装的共轭螺旋相位偏振化起偏器和还原螺旋相位片。此处额外提供提供l＝1,3,4时液晶聚合物的快轴分布，如图8，9，10所示。理论上拓扑荷l的取值范围是(-∞,∞)。

若液晶聚合物提供四分之一延迟单元，其快轴分布对于l＝1,2的情形分别如图11和图12所示。此时入射基模高斯光的偏振相应调整为右旋圆偏振。

本发明不限制具体的材料技术，很多先进的材料技术如微纳表面超材料设计的起偏器也适用于本发明所述附加螺旋的功能。

提供偏振选择性手性反转器2的另外一种实现方式。如图13所示，包括沿光线传播方向依次连接的第一液晶延迟片4、各向同性晶体8和第二液晶延迟片6；第一液晶延迟片4和第二液晶延迟片6外侧均设置有各向同性介质材料7，第一液晶延迟片4和第二液晶延迟片6的为二分之一延迟量分布，由一对对称放置(以切平面上y轴为转轴旋转180°)的偏振选择性y方向柱聚焦透镜加一段长度为d的各向同性晶体8用胶合而成。d＝2f_y，其中

f_y为偏振选择透镜在介质中的焦距，ρ为曲率半径。在偏振选择透镜中，各向同性介质材料7的厚度

液晶聚合物层的快轴排布

图14为快轴排布示意图。

激光微小频率偏移装置的三个关键部件的参数均可转化为无量纲参数，结合先进的材料技术如微纳表面加工技术，具备开发片上集成化仪器的潜力。

本发明经改造后可适用于非基模高斯光入射的情形。

当入射模式为拉盖尔-高斯模式时，可去掉共轭螺旋相位偏振化起偏器1，仅保留旋转部分和还原部分。

当入射模式为厄米-高斯模式时，可去掉共轭螺旋相位偏振化起偏器1并加入模式转换器将其转化为拉盖尔-高斯模式，并通过旋转和还原两步实现频率移动，工作情形如图15所示。

若需要保留入射的高阶高斯模式，可去掉还原部分的非偏振螺旋相位片3。

本发明由线性光学器件组成，因此可以利用线性叠加原理作用于叠加态，并且可以同时引入多个频移量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，包括沿光线传播方向依次设置且轴线均共线的共轭螺旋相位偏振化起偏器(1)、偏振选择性手性反转器(2)和非偏振螺旋相位片(3)，三者间隙或贴合设置；

偏振选择性手性反转器(2)包括沿光线传播方向依次连接的第一液晶延迟片(4)、各向异性晶体(5)和第二液晶延迟片(6)；第一液晶延迟片(4)和第二液晶延迟片(6)的快轴为均匀排布，且分别与x轴呈

夹角和

夹角，X轴与光线传播方向垂直且位于水平面上，各向异性晶体(5)沿光线传播方向的长度d为

h为各向异性晶体(5)垂直于光线传播方向的高度，各向异性晶体(5)选取截面使寻常波沿原方向传播，非常波以角度α射向底面。

2.根据权利要求1所述的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，共轭螺旋相位偏振化起偏器(1)采用各向异性晶体材料、液晶聚合物或超材料制成。

3.根据权利要求1所述的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，共轭螺旋相位偏振化起偏器(1)的快轴排布为

θ为晶轴相对于横向平面x轴的夹角，

为横向平面极坐标表示中的角向坐标，l为光的轨道角动量拓扑荷，快轴与慢轴之间满足半波延迟关系。

4.根据权利要求1所述的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，非偏振螺旋相位片(3)为角向厚度呈梯度变化的波片。

5.根据权利要求4所述的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，非偏振螺旋相位片(3)的厚度为

其中n为介质折射率，n₀为空气折射率，L₀为常数，λ为设定波长，

为横向平面极坐标表示中的角向坐标，l为光的轨道角动量拓扑荷。

6.一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，包括沿光线传播方向依次设置且轴线均共线的共轭螺旋相位偏振化起偏器(1)、偏振选择性手性反转器(2)和非偏振螺旋相位片(3)，三者间隙或贴合设置；

偏振选择性手性反转器(2)包括沿光线传播方向依次连接的第一液晶延迟片(4)、各向同性晶体(8)和第二液晶延迟片(6)；第一液晶延迟片(4)和第二液晶延迟片(6)外侧均设置有各向同性介质材料(7)，第一液晶延迟片(4)和第二液晶延迟片(6)为二分之一延迟量分布，第一液晶延迟片(4)和各向同性介质材料(7)组成一个偏振选择性y方向柱聚焦透镜，第二液晶延迟片(6)和各向同性介质材料(7)组成一个偏振选择性y方向柱聚焦透镜，两个偏振选择性y方向柱聚焦透镜对称放置，其中一个偏振选择性y方向柱聚焦透镜以切平面上y轴为转轴旋转180°，两个偏振选择性y方向柱聚焦透镜之间采用一段长度为d的各向同性晶体(8)用胶合而成。

7.根据权利要求6所述的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，各向同性晶体(8)沿光线传播方向的长度d为d＝2f_y，其中

f_y为偏振选择性y方向柱聚焦透镜在介质中的焦距，ρ为曲率半径，n为介质折射率，n₀为空气折射率；在偏振选择性y方向柱聚焦透镜中，各向同性介质材料(7)的厚度为

L₀为常数。

8.一种基于权利要求1或6所述装置的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤一，向共轭螺旋相位偏振化起偏器(1)入射水平偏振态基模高斯光，入射模式表示为|H,0>，其中

|R>代表右旋圆偏振，|L>代表左旋圆偏振；

步骤二，水平偏振态基模高斯光在共轭螺旋相位偏振化起偏器(1)中的过程为|R,0>→|L,-l>,|L,0>→|R,l>，l为光的轨道角动量拓扑荷；

步骤三，通过偏振选择性手性反转器(2)为矢量光场加入偏振选择性旋转，即作用于圆偏振成分|R,l>或者|L,-l>,并且将该圆偏振成分的角向拓扑荷反转(l→-l或-l→l)，反转后的两个成分变为|R,l〉，|L,l〉，或者为|R,-l〉，|L,-l〉；同时对|L,l>进行频率移动，移动量为|L,-l>→exp(2ilΩ)|L,l>，其中Ω表示偏振选择性手性反转器(2)旋转的角速度；

步骤四，非偏振螺旋相位片(3)无视偏振选择，为光场附加逆向螺旋相位，将反转后的圆偏振成分的螺旋波前转变为平面波前，即|R,l>→|R,0>同时|L,l〉→|L,0>。

9.根据权利要求8所述的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移方法，其特征在于，将反转后的圆偏振成分的螺旋波前转变为平面波前后，检测偏移装置出射光的水平偏振成分，获取激光微小频率的水平偏移量。

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