CN113625459A - 一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置和方法。所述新型矢量光场装置包括生成系统及检测系统。生成系统包括激光器、半波片、偏振分光棱镜、涡旋半波片、反射镜以及1/4波片。检测系统包括1/4波片、检偏器及CCD相机。本发明在实验上生成了具有不同周期水平基矢和竖直基矢的矢量光场，因此其偏振态在空间上具有非均匀变化的特征。通过在偏振分光棱镜(8)后加入1/4波片，可以进一步生成新型杂化矢量光场。本发明光路简单，易于实现。通过改变涡旋半波片的阶数可以实现对矢量光场的偏振态调控。所生成的新型偏振态非均匀变化矢量光场可以作为一种新型的空间结构光场应用在粒子操控、高分辨成像和光学微加工等领域。

Description

一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置和方法

技术领域

本发明属于光场调控领域，涉及一种新型矢量光场的生成技术。

背景技术

矢量光场是指同一时刻同一波振面上不同位置具有不同偏振态分布的光场，因此其也被称为非均匀偏振光场或空变偏振光场等。这一概念是相对于标量光场提出的，通常研究的诸如线偏振、椭圆偏振和圆偏振光场都属于标量光场，这类光场有着空间均匀的偏振态分布。但对于矢量光场而言，其偏振态分布是空间变化的，这种特性导致矢量光场具有新颖的传输和聚焦特性，在众多学科领域有着重要的学术意义和应用价值。

现有的矢量光场生成技术主要有以下几种：(1)主动生成技术，通过设计光学谐振腔，使激光振荡后产生矢量光场[Di Lin,Kegui Xia,Jianlang Li,Ruxin Li,Ken-ichiUeda,Guoqiang Li,and Xiaojun Li,"Efficient,high-power,and radially polarizedfiber laser,"Opt.Lett.35,2290-2292(2010)]。(2)采用光学元件直接产生矢量光场(如涡旋半波片)[Junli Qi,Weihua Wang,Bo Shi,Hui Zhang,Yanan Shen,Haifei Deng,Wenjing Pu,Xin Liu,Huihui Shan,Xiaomin Ma,Lianqiang Zhang,Wei Lu,Meicheng Fu,and Xiujian Li,"Concise and efficient direct-view generation of arbitrarycylindrical vector beams by a vortex half-wave plate,"Photon.Res.9,803-813(2021)]。(3)利用4f系统，通过光束的叠加干涉生成矢量光场[Xi-Lin Wang,JianpingDing,Wei-Jiang Ni,Cheng-Shan Guo,and Hui-Tian Wang,"Generation of arbitraryvector beams with a spatial light modulator and a common path interferometricarrangement,"Opt.Lett.32,3549-3551(2007)]。

然而，现有的矢量光场生成方法往往用于生成在空间中具有两个同步变化正交分量的矢量光场。举例来说，对于局域线偏振矢量光场，其光场表达式通常可以写作：

由于基矢

和

所对应的周期参数m相等，因此生成的矢量光场偏振结构必然是在两正交分量上同步变化的。目前尚未报道可以用来生成

和

两基矢变化频率不同的矢量光场的方法，该种矢量光场的表达式可以写为

因为m₁与m₂的数值不同，所以可以产生具有新型偏振特性的矢量光场。由于矢量光场在激光加工、光学捕获以及超分辨成像等方面具有广阔的应用，所以生成新型的偏振态非均匀变化矢量光场对研究光与物质相互作用以及在光场调控领域都有着十分重要的意义。

发明内容

技术问题：为解决上述问题，本发明提出了一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置和方法。通过在光路中加入偏振分光棱镜，分别对光的

和

分量进行调控。同时，通过使用不同阶数的涡旋半波片使得上下两路光束具有不同的周期参数m₁和m₂，最后通过偏振分光棱镜合光。上半部分光路控制新型矢量光场的y分量，而下半部分光路可以控制新型矢量光场的x分量。通过这种调控方法，可以生成具有不同偏振结构的新型偏振态非均匀变化矢量光场，为研究光与物质相互作用提供一种新的结构光源。

技术方案：本发明的一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置包括激光器，半波片，第一偏振分光棱镜，第一涡旋半波片，第一反射镜，第二反射镜，第二涡旋半波片，第二偏振分光棱镜，1/4波片，检偏器，CCD相机；由激光器输出线偏振光束，通过半波片改变偏振方向，再通过第一偏振分光棱镜将线偏振光分束，控制第一偏振分光棱镜后上下两光路之间的光强比为1：1，上光路的上半束P偏振通过第一涡旋半波片和第一反射镜产生任意偏振拓扑荷的矢量光场送到第二偏振分光棱镜，下光路的下半束S偏振通过第二反射镜和第二涡旋半波片产生任意偏振拓扑荷的矢量光场送到第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜对光束进行合束，将合束后光束通过1/4波片、检偏器检测生成的新型偏振态非均匀变化矢量光场的光强和偏振态分布。

其中：

所述激光器输出光束光强横向分布为高斯或近高斯型入射场，且为线偏振光束。

所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜对线偏振光进行分束，且透射光为P偏振，反射光为S偏振。

所述半波片对应于1064nm激光波长，且波片快轴方向可调。

所述的第一涡旋半波片、第二涡旋半波片与1064nm激光波长相匹配，且能够将线偏振光束转换为常见的偏振态在空间均匀变化的矢量光场。

所述的第一涡旋半波片、第二涡旋半波片的阶数可以相等或不相等。

所述的第一偏振分光棱镜至第一反射镜与第二反射镜至第二偏振分光棱镜之间的光程相等，对应的，上下两路光束在合光时有着相同的相位。

所述CCD相机为激光光束质量分析仪，能够对激光光束的光强进行检测。

本发明所述装置的生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的方法如下：

步骤1：搭建光路，控制上下两部分光路的光程相等；

步骤2：打开激光器，输出高斯型线偏振激光束；

步骤3：转动半波片至某一角度，使上下两路激光束光强相同，若上下两路激光光强不同，则会对后续矢量光场的合成产生影响；

步骤4：通过使用不同阶数的第一涡旋半波片、第二涡旋半波片，在上半部分光路中产生新型偏振态非均匀变化矢量光场的竖直基矢

在下半部分光路产生新型偏振态非均匀变化矢量光场的水平基矢

步骤5：通过微调第一反射镜，第二反射镜以及第二偏振分光棱镜，将上下两部分光路生成的竖直和水平基矢空间叠加，生成新型偏振态非均匀变化矢量光场；

步骤6：使用1/4波片、检偏器、CCD相机对生成的矢量光场偏振分布情况进行测量和分析。

所述的步骤5和步骤6，用于生成新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场时，将步骤5、步骤6之间插入步骤P，对矢量光场的偏振态进行分析，即：

步骤5：通过微调第一反射镜，第二反射镜以及第二偏振分光棱镜，将上下两部分光路生成的竖直和水平基矢空间叠加，生成新型偏振态非均匀变化矢量光场；

步骤P：在第二偏振分光棱镜后加入1/4波片产生新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场，调节1/4波片的快轴方向，进一步对新型杂化矢量光场的偏振态进行调控；

步骤6：使用1/4波片、检偏器、CCD相机对生成的矢量光场偏振分布情况进行测量和分析。

有益效果：本发明提出了一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置和方法。通过在光路中加入偏振分光棱镜，分别对光的

和

分量进行调控。同时，通过使用不同阶数的涡旋半波片使得上下两路光束具有不同的涡旋阶数m₁和m₂，从而生成新型矢量光场。在此基础之上，还可以通过在偏振分光棱镜后加入1/4波片，利用1/4波片的相位延迟特性，实现新型杂化矢量光场的生成。本发明提出的方法原理简单，装置简便，矢量光场生成质量高。通过这种调控装置和方法，我们可以产生具有不同偏振结构的新型偏振态非均匀变化矢量光场，生成一种新的结构光源。

附图说明

图1为本发明提供的一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置结构示意图。

图2为模拟的新型偏振态非均匀变化矢量光场光强和偏振态分布，其对应的m₁为1，m₂为0.5。(a)为上半部分光路m₂＝0.5经过偏振分光棱镜后的模拟光强分布图；(b)为下半部分光路m₁＝1经过偏振分光棱镜后的模拟光强分布图。(c)为生成的新型偏振态非均匀变化矢量光场模拟光强及偏振态分布图，其对应的m₁＝1，m₂＝0.5。

图3为实验生成的新型偏振态非均匀变化矢量光场的光强和偏振态分布，其对应的m₁为1，m₂为0.5。(a)为实验中上半部分光路m₂＝0.5经过偏振分光棱镜后的光强分布图；(b)为实验中下半部分光路m₁＝1经过偏振分光棱镜后的光强分布图。(c)为实验中生成的新型偏振态非均匀变化矢量光场光强及偏振态分布图，其对应的m₁＝1，m₂＝0.5。

图4为模拟的新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场光强和偏振态分布，其对应的m₁为2，m₂为1，1/4波片快轴方向与水平方向平行。(a)为上半部分光路m₂＝1经过偏振分光棱镜后的模拟光强分布图；(b)为下半部分光路m₁＝2经过偏振分光棱镜后的模拟光强分布图。(c)为生成的新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场模拟光强及偏振态分布图，其对应的m₁＝2，m₂＝1。

图5为实验生成的新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场光强和偏振态分布，其对应的m₁为2，m₂为1，1/4波片快轴方向与水平方向平行。(a)为实验生成的上半部分光路m₂＝1经过偏振分光棱镜后的光强分布图；(b)为实验生成的下半部分光路m₁＝2经过偏振分光棱镜后的光强分布图。(c)为实验生成的新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场光强及偏振态分布图，其对应的m₁＝2，m₂＝1。

附图标记说明：激光器1，半波片2，第一偏振分光棱镜3，第一涡旋半波片4，第一反射镜5，第二反射镜6，第二涡旋半波片7，第二偏振分光棱镜8，1/4波片9，检偏器10，CCD相机11。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明是一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置包括激光器，半波片，第一偏振分光棱镜，第一涡旋半波片，第一反射镜，第二反射镜，第二涡旋半波片，第二偏振分光棱镜，1/4波片，检偏器，CCD相机；由激光器输出线偏振光束，通过半波片改变偏振方向，再通过第一偏振分光棱镜将线偏振光分束，控制第一偏振分光棱镜后上下两光路之间的光强比为1：1，上光路的上半束P偏振通过第一涡旋半波片和第一反射镜产生任意偏振拓扑荷的矢量光场送到第二偏振分光棱镜，下光路的下半束S偏振通过第二反射镜和第二涡旋半波片产生任意偏振拓扑荷的矢量光场送到第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜对光束进行合束，将合束后光束通过1/4波片、检偏器检测生成的新型偏振态非均匀变化矢量光场的光强和偏振态分布。

其中：

所述激光器输出光束光强横向分布为高斯或近高斯型入射场，且为线偏振光束。

所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜对线偏振光进行分束，且透射光为P偏振，反射光为S偏振。

所述半波片对应于1064nm激光波长，且波片快轴方向可调。

所述的第一涡旋半波片、第二涡旋半波片与1064nm激光波长相匹配，且能够将线偏振光束转换为常见的偏振态在空间均匀变化的矢量光场。

所述的第一涡旋半波片、第二涡旋半波片的阶数相等或不相等。

所述的第一偏振分光棱镜至第一反射镜与第二反射镜至第二偏振分光棱镜之间的光程相等，对应的，上下两路光束在合光时有着相同的相位。

所述CCD相机为激光光束质量分析仪，能够对激光光束的光强进行检测。

实施例1：生成新型偏振态非均匀变化矢量光场

根据前文提到的操作步骤和方法，如果想要得到表达式为

的新型偏振态非均匀变化矢量光场，需要在下半部分光路使用阶数为m₁的涡旋半波片，在上半部分光路使用阶数为m₂的半波片。因为偏振分光棱镜的透射光为

分量，反射光为

分量。

现使用琼斯矩阵理论对新型偏振态非均匀变化矢量光场合成过程进行分析。

步骤1，打开激光器1输出线偏振激光：

步骤2，转动半波片，半波片的快轴方向与出射激光偏振方向夹角为22.5°，使Ex与Ey分量相等：

步骤3，在半波片后加入偏振分光棱镜，可以在上半部分光路和下半部分光路分别得到水平偏振的基矢和竖直偏振的基矢：

步骤4，在上半部分光路加入阶数为m₂的涡旋半波片，在下半部分光路加入阶数为m₁的涡旋半波片，

是空间中垂直于光束传播方向平面内的方位角：

步骤5，偏振分光棱镜8可以将两个基矢分量合成为新型偏振态非均匀变化矢量光场：

至此，根据本发明提供的装置和方法，可以生成一种新型偏振态非均匀变化矢量光场。通过1/4波片9、检偏器10和CCD相机11可以记录和分析生成的新型矢量光场的偏振态分布。

实施例2：生成新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场

若需要生成新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场，则需在偏振分光棱镜8后加入一个1/4波片。新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场与实施例1中提及的新型偏振态非均匀变化矢量光场的不同之处在于它不是局域线偏振矢量光场，而是一种在光束截面上具有线偏振、圆偏振和椭圆偏振共存的矢量光场。可以通过转动1/4波片的快轴方向，实现生成不同偏振结构的新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场。

至此，根据本发明提供的装置和方法，可以生成一种新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场。通过1/4波片9、检偏器10和CCD相机11可以记录和分析生成的新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场的偏振分布。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置，其特征在于：该装置包括激光器(1)，半波片(2)，第一偏振分光棱镜(3)，第一涡旋半波片(4)，第一反射镜(5)，第二反射镜(6)，第二涡旋半波片(7)，第二偏振分光棱镜(8)，1/4波片(9)，检偏器(10)，CCD相机(11)；由激光器(1)输出线偏振光束，通过半波片(2)改变偏振方向，再通过第一偏振分光棱镜(3)将线偏振光分束，控制第一偏振分光棱镜(3)后上下两光路之间的光强比为1：1，上光路的上半束P偏振通过第一涡旋半波片(4)和第一反射镜(5)产生任意偏振拓扑荷的矢量光场送到第二偏振分光棱镜(8)，下光路的下半束S偏振通过第二反射镜(6)和第二涡旋半波片(7)产生任意偏振拓扑荷的矢量光场送到第二偏振分光棱镜(8)；第二偏振分光棱镜(8)对光束进行合束，将合束后光束通过1/4波片(9)、检偏器(10)检测生成的新型偏振态非均匀变化矢量光场的光强和偏振态分布。

2.根据权利要求1所述的一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置，其特征在于：所述激光器(1)输出光束光强横向分布为高斯或近高斯型入射场，且为线偏振光束。

3.根据权利要求1所述的一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置，其特征在于：所述第一偏振分光棱镜(3)、第二偏振分光棱镜(8)对线偏振光进行分束，且透射光为P偏振，反射光为S偏振。

4.根据权利要求1所述的一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置，其特征在于：所述半波片(2)对应于1064nm激光波长，且波片快轴方向可调。

5.根据权利要求1所述的一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置，其特征在于：所述的第一涡旋半波片(4)、第二涡旋半波片(7)与1064nm激光波长相匹配，且能够将线偏振光束转换为常见的偏振态在空间均匀变化的矢量光场。

6.根据权利要求5所述的一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置，其特征在于：所述的第一涡旋半波片(4)、第二涡旋半波片(7)的阶数相等或不相等。

7.根据权利要求1所述的一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置，其特征在于：所述的第一偏振分光棱镜(3)至第一反射镜(5)与第二反射镜(6)至第二偏振分光棱镜(8)之间的光程相等，对应的，上下两路光束在合光时有着相同的相位。

8.根据权利要求1所述的一种生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的装置，其特征在于：所述CCD相机为激光光束质量分析仪，能够对激光光束的光强进行检测。

9.一种如权利要求1所述装置的生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的方法，其特征在于所述方法如下：

步骤1：搭建光路，控制上下两部分光路的光程相等；

步骤2：打开激光器(1)，输出高斯型线偏振激光束；

步骤3：转动半波片(2)至某一角度，使上下两路激光束光强相同，若上下两路激光光强不同，则会对后续矢量光场的合成产生影响；

步骤4：通过使用不同阶数的第一涡旋半波片(4)、第二涡旋半波片(7)，在上半部分光路中产生新型偏振态非均匀变化矢量光场的竖直基矢

在下半部分光路产生新型偏振态非均匀变化矢量光场的水平基矢

步骤5：通过微调第一反射镜(5)，第二反射镜(6)以及第二偏振分光棱镜(8)，将上下两部分光路生成的竖直和水平基矢空间叠加，生成新型偏振态非均匀变化矢量光场；

步骤6：使用1/4波片(9)、检偏器(10)、CCD相机(11)对生成的矢量光场偏振分布情况进行测量和分析。

10.根据权利要求9所述的生成新型偏振态非均匀变化矢量光场的方法，其特征在于所述的步骤5和步骤6，用于生成新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场时，将步骤5、步骤6之间插入步骤P，对矢量光场的偏振态进行分析，即：

步骤5：通过微调第一反射镜(5)，第二反射镜(6)以及第二偏振分光棱镜(8)，将上下两部分光路生成的竖直和水平基矢空间叠加，生成新型偏振态非均匀变化矢量光场；步骤P：在第二偏振分光棱镜(8)后加入1/4波片(9)产生新型偏振态非均匀变化杂化矢量光场，调节1/4波片(9)的快轴方向，进一步对新型杂化矢量光场的偏振态进行调控；

步骤6：使用1/4波片(9)、检偏器(10)、CCD相机(11)对生成的矢量光场偏振分布情况进行测量和分析。

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