CN113835323B - 一种动态曝光调控系统及矢量光场生成装置 - Google Patents

一种动态曝光调控系统及矢量光场生成装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种动态曝光调控系统及矢量光场生成装置，所述动态曝光调控系统包括半波片、扇形狭缝、第一旋转机构及第二旋转机构；所述半波片设置在第一旋转机构上，所述扇形狭缝设置在第二旋转机构上；所述第一旋转机构及第二旋转机构用于调节半波片旋转角度与扇形狭缝方位角配向的相对速度之比，生成不同阶数的矢量光场。由半波片及扇形狭缝组成的动态曝光调控系统，通过第一旋转机构及第二旋转机构调节半波片旋转角度与扇形狭缝方位角配向的相对速度之比，生成不同阶数的矢量光场，不需要特殊设计的光学元件，且结构简单，操作方便，生成速度快，可以快速生成不同阶数的矢量光场。

Description

一种动态曝光调控系统及矢量光场生成装置
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种动态曝光调控系统及矢量光场生成装置。
背景技术
矢量光场的产生方法是国内外的研究热点之一。目前，已有大量的生成矢量光场的方法被提出。通常可将矢量光场的产生方法分为主动法和被动法两类。主动法，是通过设计激光器的谐振腔,直接输出矢量光束；被动法，是在激光器外光路中插入某种装置以改变激光器输出光束的偏振态，从而产生矢量光场。主动法能更高效地产生矢量光场,但缺乏灵活性。谐振腔经特殊设计后只能产生特定偏振态分布的矢量光场，而被动法能更方便地产生各种不同偏振态分布的矢量光场。被动法又可分为直接法和间接法：直接法是通过特殊设计的光学元件,比如亚波长光栅、相位光学元件、超表面、液晶等,将激光器输出的线偏振光束直接转化为矢量光束；间接法则主要是由多光束通过同轴叠加形成矢量光场,故又称为干涉法。现有的矢量光场的被动产生方法需要特殊设计的光学元件，需要将多光束经过同轴叠加，结构复杂，操作不方便以及速度慢。如发表在2010年《OPTICAL EXPRESS》上的文章 (Polarization converters based on axially symmetric twisted nematic liquidcrystal[J].Optics Express,2010,18(4):3601-3607.)介绍了一种基于轴对称光取向技术制备的轴对称扭曲向列相液晶(ASTNLC)器件，结构复杂、操作不方便，以及利用此方法生成时间需60min，且需要控制温度。
发明内容
为此，需要提供一种动态曝光调控系统及矢量光场生成装置，解决现有的矢量光场调节系统的结构复杂、操作不便以及调节速度慢的问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种所述动态曝光调控系统，包括半波片、扇形狭缝、第一旋转机构及第二旋转机构；
所述半波片设置在第一旋转机构上，所述扇形狭缝设置在第二旋转机构上；
所述第一旋转机构及第二旋转机构用于调节半波片旋转角度与扇形狭缝方位角配向的相对速度之比，生成不同阶数的矢量光场。
进一步优化，所述扇形狭缝由两个扇形狭缝组成，用于通过调节两个扇形狭缝的相对大小调节曝光面积和曝光量。
还提供了另一技术方案，一种矢量光场生成装置，包括上述所述矢量光场动态曝光调控系统。
还提供了另一技术方案，一种矢量光场生成装置，包括激光器、偏振分束系统、反射镜组、动态曝光调控系统及偏振记录材料；
所述激光器用于产生光源，并射入偏振分束系统；
所述偏振分束系统用于对射入的光源分为偏振方向正交的参考光及信号光；
所述反射镜组用于将偏振分束系统分出的参考光及信号光相互垂直射入偏振记录材料；
所述动态曝光调控系统为上述所述动态曝光调控系统，所述动态曝光调控系统设置在信号光的传播路径上，用于对信号光进行调控生成不同的矢量光场；
所述偏振记录材料用于对射入的参考光及信号光进行偏振记录形成偏光全息图。
进一步优化，还包括第一透镜，所述第一透镜设置在激光器及偏振分束系统之间，所述第一透镜用于对激光器的发散光束准直为平行光束，并扩束。
进一步优化，还包括4f光学系统，所述4f光学系统包括第二透镜及第三透镜，所述第二透镜及第三透镜设置在动态曝光调控系统与偏振记录材料之间；
所述4f光学系统用于将扇形狭缝位置的偏振信息和相位信息传递至偏振记录材料中。
进一步优化，所述信号光为任意线偏振态，所述参考光为p偏振。
进一步优化，所述激光器为波长λ＝532nm的He-Ne激光器。
进一步优化，所述偏振记录材料为块状PQ/PMMA光致聚合物材料。
进一步优化，还包括空间滤波器，所述空间滤波器设置在激光器及偏振分束系统之间。
区别于现有技术，上述技术方案，由半波片及扇形狭缝组成的动态曝光调控系统，通过第一旋转机构及第二旋转机构调节半波片旋转角度与扇形狭缝方位角配向的相对速度之比，生成不同阶数的矢量光场，不需要特殊设计的光学元件，且结构简单，操作方便，生成速度快，可以快速生成不同阶数的矢量光场。
附图说明
图1为具体实施方式所述动态曝光调控系统的一种结构示意图；
图2为具体实施方式所述扇形狭缝的一种结构示意图；
图3为具体实施方式所述半波片与扇形狭缝之间配速的一种示意图；
图4为具体实施方式所述一阶矢量光图像的一种示意图；
图5为具体实施方式所述二阶矢量光图像的一种示意图
图6为具体实施方式所述矢量光场生成装置的一种结构示意图。
附图标记说明：
1、激光器，2、空间滤波器，3、第一透镜，4、偏振分束系统，5、第一反射镜，6、第二反射镜，7、半波片，71、第一旋转机构，8、扇形狭缝，81、第二旋转机构，9、第二透镜，10、第三透镜，11、偏振记录材料。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，本实施例提供了一种所述动态曝光调控系统，包括半波片7、扇形狭缝8、第一旋转机构71及第二旋转机构81；
所述半波片7设置在第一旋转机构71上，所述扇形狭缝8设置在第二旋转机构81上；
所述第一旋转机构71及第二旋转机构81用于调节半波片7旋转角度与扇形狭缝8方位角配向的相对速度之比，生成不同阶数的矢量光场。
将半波片7安装在第一旋转机构71，将扇形狭缝8安装在第二旋转机构 81上，组成一个动态曝光调控系统，经过半波片7的偏振态θH是其旋转角度
Figure BDA0003231058900000047
的两倍，通过半波片7旋转角度与扇形狭缝8方位角配向的相对速度之比，生成不同阶数的矢量光场，其中，如图2所示，所述扇形狭缝8由两个扇形狭缝8组合而成，其作用于调节二者的相对大小从而调节曝光面积和曝光量。
如图3所示，矢量光束的偏振状态可以表示为
Figure BDA0003231058900000041
(/>
Figure BDA0003231058900000042
为极坐标系的极角，m为拓扑荷数，θ0是一个描述在/>
Figure BDA0003231058900000043
时的初始偏振状态的常数)。
当s偏振通过半波片7时，出射光的琼斯矩阵可表示为：
Figure BDA0003231058900000044
从而矢量光束的偏振态可表示为
Figure BDA0003231058900000045
(θH为经过半波片7后的偏振态)，故通过调控半波片7的初始偏振态θ0,以及半波片7和扇形狭缝8之间的相对速度之比就能够实现θ0不同的任意阶数矢量光。
例如，要产生偏振态为θ0＝0°的一阶矢量光场，则有m＝1，
Figure BDA0003231058900000046
将半波片初始角度调为0°，扇形狭缝的机械旋转速度调为半波片的两倍，在参考光与信号光干涉记录的过程中，设置扇形狭缝与半波片同时匀速旋转一圈；在偏振记录材料上记录偏光全息图后，对全息图进行再现。生成图4所示θ0＝0°的一阶矢量光场图像，检偏结果显示所产生的光场为一阶矢量光场。而要产生初始偏振态为θ0＝30°的二阶矢量光场，则有m＝2，θp＝θH+θ0，扇形狭缝的机械旋转速度调为和半波片一致，在参考光与信号光干涉记录的过程中，设置狭缝与半波片同时匀速旋转一圈；在偏振记录材料上记录偏光全息图后，对全息图进行再现。生成图5所示θ0＝30°的二阶矢量光场图像，检偏结果显示所产生的光场为二阶矢量光场。
在另一实施例中，一种矢量光场生成装置，包括上述实施例所述矢量光场动态曝光调控系统。
由半波片7及扇形狭缝8组成的动态曝光调控系统，通过第一旋转机构及第二旋转机构调节半波片7旋转角度与扇形狭缝8方位角配向的相对速度之比，生成不同阶数的矢量光场，不需要经过特殊设计的光学元件，且结构简单，操作方便，生成速度快，可以快速生成不同阶数的矢量光场。
请参与图6，在另一实施例中，一种矢量光场生成装置，包括激光器1、偏振分束系统4、反射镜组、动态曝光调控系统及偏振记录材料11；
所述激光器1用于产生光源，并射入偏振分束系统4；其中，所述激光器 1为波长λ＝532nm的He-Ne激光器1。在其他实施例中，也可以采用其他波长的激光器1。
所述偏振分束系统4用于对射入的光源分为偏振方向正交的参考光及信号光；其中偏振分束系统4采用偏振分光棱镜。
所述反射镜组用于将偏振分束系统分出的参考光及信号光相互垂直射入偏振记录材料11；其中，所述反射镜组包括第一反射镜5及第二反射镜6；所述第一反射镜5用于对参考光进行反射，使得参考光射入偏振记录材料11；所述第二反射镜6用于对信号光进行反射，使得信号光射入偏振记录材料11。分别通过第一反射镜5对参考光进行反射，通过第二反射镜6对信号光进行反射，使得参考光及信号光相互垂直射入偏振记录材料11。
所述动态曝光调控系统设置在信号光的传播路径上，用于对信号光进行调控生成不同的矢量光场；所述动态曝光调控系统包括半波片7、扇形狭缝8、第一旋转机构及第二旋转机构；所述半波片7设置在第一旋转机构上，所述扇形狭缝8设置在第二旋转机构上；所述第一旋转机构及第二旋转机构用于调节半波片7旋转角度与扇形狭缝8方位角配向的相对速度之比，生成不同阶数的矢量光场，将半波片7安装在第一转动机构，将扇形狭缝8安装在第二转动机构上，组成一个动态曝光调控系统，经过半波片7的偏振态θH是其旋转角度
Figure BDA0003231058900000061
的两倍，通过半波片7旋转角度与扇形狭缝8方位角配向的相对速度之比，生成不同阶数的矢量光场，其中，如图2所示，所述扇形狭缝8由两个扇形狭缝8组合而成，其作用于调节二者的相对大小从而调节曝光面积和曝光量。
所述偏振记录材料11用于对射入的参考光及信号光进行偏振记录形成偏光全息图。其中，偏振记录即偏振敏感材料，本实施例中，偏振记录材料11 采用块状PQ/PMMA材料，尺寸约为10mm*10mm*30mm，用于偏振记录。
通过激光器1发出线偏振光束，射入偏振分束系统4中分为偏振方向正交的两束线偏振光：参考光及信号光；通过反射镜组将参考光及信号光相互垂直射入偏振记录材料11内干涉记录偏光全息图，记录时，参考光为p偏振，信号光为任意线偏振光，全息图记录后，利用参考光对全息图进行再现。其中参考光直接入射到偏振记录材料11上，信号光通过矢量光场调节系统生成不同的矢量光场入射到偏振记录材料11上，动态曝光调控系统由半波片7及扇形狭缝8组成，通过第一旋转机构及第二旋转机构调节半波片7旋转角度与扇形狭缝8方位角配向的相对速度之比，生成不同阶数的矢量光场，相互垂直射入偏振记录材料11内干涉记录偏光全息图，然后探测偏振记录材料11 形成的偏光全息图的矢量光场强度分布。不需要经过特殊设计的光学元件，且采用实验装置结构简单，操作方便及生成速度快。通过本装置只需要几分钟即可生成矢量光场，以及与温度无关。
采用偏光全息中基于线偏振光的忠实再现的偏振记录特性，在偏光全息中，定义s偏振方向为平行于坐标系Y轴方向，p偏振方向在X-Z平面内，与光波传播方向垂直。其中，信号光为任意线偏振态αs+βp+，参考光为p偏振，干涉角度为90°：
偏光全息中基于线偏振光的忠实再现如下：
Figure BDA0003231058900000071
从上述表格可以看出，在干涉夹角为90°时，当记录、再现参考光的偏振态一致时，信号光的偏振状态可以忠实地再现出来。
在本实施例中，线偏振光束由激光器1发出，利用光束扩束系统进行扩束准直，其中光束扩束系统采用第一透镜3，通过第一透镜3对线偏振光束进行扩束准直，然后由光束分束系统分为两束相互正交的线偏振光，通过动态曝光调控系统分别调节扇形狭缝8和半波片7的转速，两束光以90°的夹角在偏振记录材料内干涉记录偏光全息图。记录时，参考光为p偏振，信号光为任意线偏振光，偏光全息图记录后，以p偏振作为再现光波对偏光全息图进行再现，最后由CMOS相机探测所形成矢量光场的强度分布。
如图3所示，矢量光束的偏振状态可以表示为
Figure BDA0003231058900000072
(/>
Figure BDA0003231058900000073
为极坐标系的极角，m为拓扑荷数，θ0是一个描述在/>
Figure BDA0003231058900000074
时的初始偏振状态的常数)。
当s偏振通过半波片7时，出射光的琼斯矩阵可表示为：
Figure BDA0003231058900000075
从而矢量光束的偏振态可表示为
Figure BDA0003231058900000076
(θH为经过半波片7后的偏振态)，故通过调控半波片7的初始偏振态θ0,以及半波片7和扇形狭缝8之间的相对速度之比就能够实现θ0不同的任意阶数矢量光。
其中，为了得到更理想的球面波，所述激光器1及偏振分束系统4之间设有空间滤波器2，所述空间滤波器2用于对激光器1发射的光源进行滤波，除去附着在激光器1上的灰尘或反射镜面引起的波面畸形，得到更理想的球面波。在本实施例中，还包括第一透镜3，所述第一透镜3设置在激光器1及偏振分束系统4之间，所述第一透镜3用于对激光器1的发散光束准直为平行光束，并扩束。通过在激光器1及偏振分束系统4之间设置第一透镜3，对光源的发散光束进行准直形成平行光束，并扩束，然后入射到偏振分束系统4 中。
在本实施例中，还包括4f光学系统，所述4f光学系统包括第二透镜9 及第三透镜10，所述第二透镜9及第三透镜10设置在动态曝光调控系统与偏振记录材料11之间；
所述4f光学系统用于将扇形狭缝8位置的偏振信息和相位信息传递至偏振记录材料11中。
通过第二透镜9及第三透镜10组合成一个4f光学系统，可以将扇形狭缝8位置的偏振和相位等信息完美传递到偏振记录材料11上，作为被记录的信号光。
如，要产生一阶矢量光场，则有m＝1，
Figure 1
将扇形狭缝的机械旋转速度调为半波片的两倍，在参考光与信号光干涉记录的过程中，设置扇形狭缝与半波片同时匀速旋转一圈；在偏振记录材料上记录偏光全息图后，对全息图进行再现。生成图4所示的一阶矢量光场图像，检偏结果显示所产生的光场为一阶矢量光场。而要产生二阶矢量光场，则有m＝2，θp＝θH+θ0，扇形狭缝的机械旋转速度调为和半波片一致，在参考光与信号光干涉记录的过程中，设置狭缝与半波片同时匀速旋转一圈；在偏振记录材料上记录偏光全息图后，对全息图进行再现。生成图5所示二阶矢量光场图像，检偏结果显示所产生的光场为二阶矢量光场。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种动态曝光调控系统，其特征在于，包括半波片、扇形狭缝、第一旋转机构及第二旋转机构；
所述半波片设置在第一旋转机构上，所述扇形狭缝设置在第二旋转机构上，所述半波片设置在所述扇形狭缝之前；
所述第一旋转机构及第二旋转机构用于调节半波片旋转角度与扇形狭缝方位角配向的相对速度之比，生成不同阶数的矢量光场。
2.根据权利要求1所述动态曝光调控系统，其特征在于，所述扇形狭缝由两个扇形狭缝组成，用于通过调节两个扇形狭缝的相对大小调节曝光面积和曝光量。
3.一种矢量光场生成装置，其特征在于，包括权利要求1-2任意一项所述动态曝光调控系统。
4.一种矢量光场生成装置，其特征在于，包括激光器、偏振分束系统、反射镜组、动态曝光调控系统及偏振记录材料；
所述激光器用于产生光源，并射入偏振分束系统；
所述偏振分束系统用于对射入的光源分为偏振方向正交的参考光及信号光；
所述反射镜组用于将偏振分束系统分出的参考光及信号光相互垂直射入偏振记录材料；
所述动态曝光调控系统为权利要求1-2任意一项所述的动态曝光调控系统，所述动态曝光调控系统设置在信号光的传播路径上，用于对信号光进行调控生成不同的矢量光场；
所述偏振记录材料用于对射入的参考光及信号光进行偏振记录形成偏振全息图。
5.根据权利要求4所述矢量光场生成装置，其特征在于，基于偏光全息技术，所述信号光为任意线偏振态，所述参考光为p偏振。
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