CN113946047A

CN113946047A - 输出偏振态分布可控的偏振光栅

Info

Publication number: CN113946047A
Application number: CN202111083369.XA
Authority: CN
Inventors: 付时尧; 高春清
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2041-09-15
Also published as: CN113946047B

Abstract

本发明公开了一种输出偏振态分布可控的偏振光栅及其设计方法。本发明的输出偏振态分布可控的偏振光栅基于几何相位调制原理，通过设计光栅平面各个像素单元的子半波片快轴排布方向控制衍射场的偏振态分布，与常见的偏振光栅不同，本发明的偏振光栅的各个衍射级次上的光束的偏振态不局限于左旋及右旋圆偏振态，可通过本发明公开的偏振光栅设计方法控制。本发明可广泛应用于激光加工、显微成像等多种需要偏振调控的场景。

Description

输出偏振态分布可控的偏振光栅

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种输出偏振态分布可控的偏振光栅。

背景技术

光子的自旋角动量(spin angular momentum,SAM)描述了光子的自旋运动性质，早在1936 年Beth等人就已经证明光子的SAM仅具有-1及+1两个本征值，其宏观表现分别为左旋及右旋圆偏振态。事实上，线偏振态、椭圆偏振态均为不同复系数加权下左右旋圆偏振分量的线性叠加。偏振光栅是一种基于光子自旋霍尔效应的新型衍射光学器件，其可为入射激光束中不同的SAM分量引入不同的相位延迟，根据光子SAM的不同对光束进行分束，实现入射光束中的左旋与右旋圆偏振分量的相互分离。偏振光栅的这一独特的分束性质使得其在偏振分析、成像、激光雷达、激光加工等领域取得了广泛应用。当前的偏振光栅通常仅具有两个衍射级，且输出仅为左旋及右旋圆偏振光，然而在部分应用场景中，常常需要多种不同振动方向的线偏振光，此时则需要在偏振光栅后放置波片等偏振转化器件，一定程度上增加了系统的复杂性和不稳定性。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种输出偏振态分布可控的偏振光栅及其设计方法，其输出偏振态可根据需求设计，且其输出光场的衍射级次、衍射级数量及偏振态分布可控。

本发明的一种输出偏振态分布可控的偏振光栅基于几何相位调制原理，其每一个像素单元均等效为一子半波片，可为入射至该单元的光束的寻常光(o光)和异常光(e光)分量间引入π相位延迟，通过控制每一个像素单元的子半波片的快轴方向，为入射光束引入几何相位调制。与常见的偏振光栅不同，本发明的一种输出偏振态分布可控的偏振光栅的各个衍射级次上的光束的偏振态不局限于左旋及右旋圆偏振态，其可通过本发明公开的偏振光栅设计方法控制。

本发明具有以下有益效果：

1)采用本发明的输出偏振态分布可控的偏振光栅设计方法设计的偏振光栅，其输出偏振态可控制，而不局限于左旋及右旋圆偏振态；

2)本发明的输出偏振态分布可控的偏振光栅基于几何相位调制原理，制作成本低，光栅稳定性高，可适用于多种应用场合。

附图说明

图1为采用本发明的偏振光栅在水平线偏振光入射的前提下要求(-1,-1)、和(+1,+1)衍射级为水平线偏振光，(-1,+1)、和(+1,-1)衍射级为竖直线偏振光时，基于本发明公开的输出偏振态分布可控的偏振光栅的设计方法设计的光栅在一个光栅周期内的子半波片快轴排布图

图2为光学仿真得到的水平线偏振高斯光束经本发明的光栅后，未经检偏器和经不同角度放置的检偏器后的衍射场强度分布

具体实施方式

下面结合附图并实施例，对本发明做一详细描述。

本发明的输出偏振态分布可控的偏振光栅，基于几何相位调制，其每一个像素单元均为一子半波片，可为入射至该单元的光束的o光和e光分量间引入π相位延迟，通过控制每一个像素单元的子半波片的快轴方向α，为入射光束引入几何相位调制。其工作原理在于，半波片的琼斯矩阵可表示为：

当高斯光束|ψ_in>入射时，出射光场可表示为：

由于任意光束均可在正交圆偏基底{L,R}下分解：

|ψ_in>＝ψ_L|L>+ψ_R|R>

其中，

ψ_L,ψ_R分别为左右旋圆偏分量的复系数。因此可得出射光场：

|ψ>＝exp[i(-2α)]ψ_L|R>+exp[i(2α)]ψ_R|L>

即分别为入射光场的左旋和左右旋圆偏分量引入了-2α和2α的附加几何相位。这表明，通过控制每一个像素单元的子半波片快轴排布方向α(x,y)，其中x和y为光栅平面的笛卡尔坐标，可分别为入射光束的两个圆偏分量引入相反的几何相位调制。

综上，本发明的偏振光栅设计方法的关键即在于如何确定光栅平面内各个像素单元的子半波片快轴排布方向α(x,y)。下面分别考虑入射光束的两个圆偏振分量，对于入射的左旋圆偏振分量|L>，为其引入的几何相位延迟可表示为：

其中，arg()表示取辐角，(m,n)为衍射级次，a_Lmn和ρ_Lmn分别为出射光场中位于第(m,n)衍射级的光束的右旋圆偏振分量振幅和相位，T_x和T_y为x和y方向的光栅常数。对于右旋圆偏振分量|R>，光栅为其引入的几何相位延迟可表示为：

其中，a_Rmn和ρ_Rmn分别为出射光场中位于第(m,n)衍射级的光束的左旋圆偏振分量的振幅和相位。这两个公式对比可得，ρ_Rmn＝-ρ_L-m-n。本发明仅考虑衍射场中衍射级位置(衍射级次)关于中心对称的偏振光栅，考虑到衍射级次的对称性，结合上面两式，光栅表面快轴排布α(x,y)可表示为：

2α＝arg{Σa_mnexp[i(2πxm/T_x+2πyn/T_y+ρ_mn)]}，m∈{-M,-M+1,…,-1,1,…,M-1,M},n∈{-N,- N+1,…,-1,1,…,N-1,N}

其中，M，N为整数，a_mn和ρ_mn分别为第(m,n)衍射级的光束的振幅和相位。上式中，参数a_mn、 a_-m-n、ρ_mn和ρ_-m-n决定了位于光栅(m,n)级衍射级次光束的偏振态，具体关系为，当a_mn≠a_-m-n时，为椭圆偏振光，当a_mn＝a_-m-n时，为线偏振光；(ρ_mn+ρ_-m-n)决定了椭圆偏振光的长轴方向或线偏振光的振动方向。

综上，对于经偏振光栅衍射后位于第(m,n)级次的光束，可根据其目标偏振态确定参数a_mn、 a_-m-n、ρ_mn和ρ_-m-n的值，并结合公式2α＝arg{Σa_mnexp[i(2πxm/T_x+2πyn/T_y+ρ_mn)]}计算光栅快轴排布方向α(x,y)。

需注意的是，本发明中应使光栅每一个像素单元具有子半波片的功能，其选用材料应具有双折射特性，包括但不限于液晶分子等。

下面结合实施例，简要介绍本发明的一种输出偏振态分布可控的偏振光栅。

实施例：采用本发明的偏振光栅在水平线偏振光入射时，(-1,-1)和(+1,+1)衍射级为水平线偏振光，(-1,+1)和(+1,-1)衍射级为竖直线偏振光。

本实施例中，共存在(-1,-1)、(-1,+1)、(+1,-1)和(+1,+1)四个衍射级，令a₁₁＝a_1-1＝a_-11＝a_-1-1＝1，ρ₁₁＝ρ_-1-1＝0，ρ_1-1＝ρ_-11＝π/2，T_x＝T_y。图1给出了在此参数设定下，根据本发明公开的输出偏振态分布可控的偏振光栅的设计方法设计的光栅在一个光栅周期内的子半波片快轴排布图，图2 给出了光学仿真得到的水平线偏振高斯光束经本发明的光栅后，未经检偏器和经不同角度放置的检偏器后的衍射场强度分布。可以看出，衍射场的偏振态分布与预期完全相符，表明本发明的光栅可以有效的控制输出光场的偏振态分布

综上所述，以上仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种输出偏振态分布可控的偏振光栅，其特征在于：

(1)基于几何相位调制原理，其每一个像素单元均等效为一子半波片，可为入射至该单元的光束的寻常光和异常光分量间引入π相位延迟，通过控制每一个像素单元的子半波片的快轴方向，为入射光束引入几何相位调制；

(2)每一个像素单元选用材料应具有双折射特性，包括但不限于液晶分子等；

(3)光栅衍射场中衍射级位置(衍射级次)关于中心对称；

(4)光栅表面快轴排布α(x,y)可表示为：

2α＝arg{Σa_mnexp[i(2πxm/T_x+2πyn/T_y+ρ_mn)]}，m∈{-M,-M+1,…,-1,1,…,M-1,M},n∈{-N,-N+1,…,-1,1,…,N-1,N}

其中，x、y为光栅平面的迪卡尔坐标，arg()表示取辐角，(m,n)为衍射级次，M，N为整数，a_mn和ρ_mn分别为第(m,n)衍射级的光束的振幅和相位，T_x和T_y为x和y方向的光栅常数；

(5)上式中，参数a_mn、a_-m-n、ρ_mn和ρ_-m-n决定了位于光栅(m,n)级衍射级次光束的偏振态，当a_mn≠a_-m-n时，为椭圆偏振光，当a_mn＝a_-m-n时，为线偏振光，(ρ_mn+ρ_-m-n)决定了椭圆偏振光的长轴方向或线偏振光的振动方向。