CN114660822B - 一种基于涡旋半波片制备多种混合庞加莱球光束的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于涡旋半波片制备多种混合庞加莱球光束的方法。在高阶庞加莱球基础上，引入线偏振涡旋相得出混合庞加莱球表达式。提出一种基于涡旋半波片的多种混合阶庞加莱球上任意位置处柱矢量涡旋光束的制备方法。首先利用涡旋半波片和四分之一波片产生线偏振涡旋光；其次，利用半波片和四分之一波片调整涡旋光偏振方向和偏振椭圆率使其入射另一个涡旋半波片，产生具有柱矢量偏振态的涡旋光束。该光束对应混合庞加莱球上一点，通过转动波片快轴能够产生混合庞家莱球上任意位置处柱矢量涡旋光；最后，级联涡旋半波片制备多混合庞加莱球。该方法可以实现拓扑荷数和偏振阶数的独立调制，对模式灵活可调的集成柱矢量涡旋光光源的设计有一定价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于涡旋半波片制备多种混合庞加莱球光束的方法，目前已有的传统方法都是基于空间光调制器在干涉仪基础上制备矢量涡旋光，或者采用非干涉方法组合使用空间光调制器、螺旋相位板、超表面等定制光学元件产生柱矢量涡旋光。本发明主要涉及微纳光学、物理学，能够减少定制光学元件种类，简化制备光路系统，扩大制备柱矢量涡旋光束制备范围，对模式灵活可调的集成柱矢量涡旋光光源的设计有一定价值。
技术背景
光束的偏振和相位是光场的基本属性，从1969年，丹麦人巴塞林发现光的双折射现象以及偏振消光现象，便开启了标量偏振光场的研究。矢量光场定义为在某一时刻同一波振面不同位置具有不同偏振态分布的光场。柱矢量光束是一种偏振态呈轴对称分布的特殊矢量光束，由于存在偏振奇点所以形成中空暗核，表现为形状如同甜甜圈的环形光斑，其中径向偏振矢量光束和角向偏振矢量光束是柱矢量光束的典型代表。近年来在柱矢量光束制备与偏振态检测方面发展迅速，能够制备高模式纯度柱矢量光束。其在紧聚焦、光束整形、粒子加速和捕获、激光材料加工、超分辨率技术和光学计量等领域具有重要的应用。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、等离子体纳米结构、光纤和集成光学等方面的潜在应用。
光场中相位可以按照一定规律变化，例如，涡旋光在传输过程中相位不断变化并且具有螺旋波振面。若光束传播一个周期，则波阵面正好绕光轴旋转一周，相位也相应改变2π的整数倍。1992年，L.Allen发现了在近轴条件下带有相位因子的涡旋光束具有轨道角动量，其中l为涡旋光轨道角动量拓扑荷数，/>为方位角；涡旋光在光通信、粒子微操控、运动探测、光学微测量等领域具有重要的应用价值。
柱矢量涡旋光束其偏振态在空间上呈现柱对称分布，具有与拓扑荷数有关的螺旋形相位波前。柱矢量涡旋光束可以用混合庞加莱球上一点表示，随着拓扑荷数和偏振阶数的改变，对应的混合庞加莱球上的位置也随之改变。柱矢量涡旋光能克服标量涡旋光束传输稳定性差的问题，包含与涡旋光和矢量光束类似的应用价值，同时特有矢量多普勒效应能够探测物体运动信息, 对生物学显微观察具有一定帮助。
现有多种成熟技术和方法产生混合庞加莱球上光束，主要分为腔内转换 (主动)和腔外转换(被动)两类。腔内转换法是在激光器谐振腔内嵌入特殊的模式选择器件，在泵浦激励作用下配合选择透过性介质直接产生所需光束。该方法光束质量好且转化效率高，但是激光器谐振腔设计难度大，使用不够灵活。腔外转化法，可以利用空间光调制器在改进干涉仪的基础上实现，这种方式光路设计复杂对稳定性和控制精度要求高，并且转化效率较低。此外各向异性晶体、特殊结构相位板、液晶Q板和超表面等器件，可以将标量偏振激光转化成柱矢量光束，可以用于柱矢量涡旋光束的制备。目前缺少，利用一种定制光学元件实现光束偏振与相位的独立调控，并能制备多种混合庞加莱球上全域光束的方法。
涡旋半波片是一种常用于产生柱矢量光束的偏振光学元件。涡旋半波片在整个有效作用区域内具有一致的相位延迟π，但其快轴的方向围绕中心按照一定规律不断变化，因此可以认为是一种特殊的半波片。相比于液晶Q 板、超表面等具有类似功能的器件，涡旋半波片具有较高的透射率和转换效率，在使用便捷性方面的优势也很突出。而且，通过级联应用两个或多个涡旋半波片，能够灵活地产生任意高阶柱矢量光束。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对目前已知柱矢量涡旋光束制备方法，提出一种仅利用一种光学元件实现多种混合庞加莱球上全域光束制备方法。本方法能够克服传统方法中存在的制备光路复杂集成性差、定制光学器件种类多、光束制备范围有限等问题。本方法相较于传统方法，在实现光束在混合庞加莱球上灵活演化的同时，还提高制备光束鲁棒性。
本发明的技术解决方案是：
本发明涉及一种基于涡旋半波片制备多种混合庞加莱球光束的方法：
(1)水平线偏振入射光经过快轴-45°的四分之一波片(光束传播方向逆时针为正)产生左旋圆偏振光，随后入射涡旋半波片获得拓扑荷数与偏振阶数相同的涡旋光，再次经过快轴方向相同的四分之一波片产生水平线偏振涡旋光。
(2)对水平线偏振涡旋光利用半波片调整偏振方向，利用四分之一波片调整偏振椭圆率和偏振方向角。使偏振态调制后的涡旋光射入另一块涡旋半波片产生柱矢量偏振涡旋光。通过调整半波片与四分之一波片快轴角度可实现光束在混合庞加莱球上的演化。
(3)通过级联涡旋半波片，独立调制柱矢量涡旋光束的拓扑荷数和偏振阶数，产生多种混合庞加莱球上任意位置处柱矢量涡旋光束。
本发明的原理是：
(1)混合庞加莱球的产生
在庞加莱球被提出用于描述标量偏振光束之后，轨道庞加莱球、高阶庞加莱球先后被提出，分别用于描述涡旋光、柱矢量光束和柱矢量涡旋光束。涡旋半波片快轴分布可以表示为其中/>是方位角,φ为一定方位角下的涡旋半波片快轴方向，带参数m和σ的涡旋半波片的琼斯矩阵表示为可Jm,σ。其中,阶数m为固定数值通常为整数，σ是/>时快轴的初始角度，通常取σ＝0，琼斯矩阵表达式为。
基于庞加莱球理论，标量偏振光束的偏振椭圆可表示为
其中α和是庞加莱球方向角和椭圆角，/>代表左旋和右旋圆偏振光，σ＝±1与光子自旋角动量有关。椭圆偏振光经过涡旋半波片产生矢量偏振光束。基于高阶庞加莱球理论，α′、/>分别表示高阶庞加莱球方向角和椭圆角，柱矢量光束表示为。
对公式(3)引入一个线偏振涡旋相通过公式(2)我们知道，线偏振光可以认为是相同权重，极化方向正交的圆形偏振光束的叠加，可得公式(4)
公式(4)可以表示为混合庞加莱球，令其方向角为θ，椭圆角为Φ。用拓扑荷数为l1＝m′-m、l1＝m′-m的拉盖尔高斯光表示不同的涡旋相，混合庞加莱球上一点光束各表示为。
(2)利用琼斯矩阵推导矢量涡旋光束产生
快轴方向与水平方向夹角为α的四分之一波片的琼斯矩阵为
利用涡旋半波片先产生线偏振涡旋相。入射为水平线偏振光E//＝[1,0]T，经过快轴与水平方向夹角-π/4的四分之一波片，再经过阶数为m1的涡旋半波片，在经过快轴相同的四分之一波片得到水平线偏振涡旋光。
利用快轴方向与水平方向夹角为η的半波片其琼斯矩阵为改变涡旋相偏振方向，得到偏振方向与水平方向夹角为2η的线偏振涡旋光。
随后光束透射过琼斯矩阵为的涡旋半波片可得到线偏振矢量涡旋光束。
将公式(9)可以改写成混合庞加莱球基矢叠加的形式，不难看出上述光束是混合庞加莱球赤道位置光束。
根据公式(5)、(10)可以得到混合庞加莱球方向角θ与半波片快轴夹角η之间的关系为θ/2＝-2η。我们可以通过改变半波片快轴方向，实现混合庞加莱球不同经度处光束的调制。
为实现混合庞加莱球不同维纬度处光束的制备，需要在半波片与后添加四分之一，将偏振态调制为椭圆偏振。设四分之一波片快轴与线偏振光束偏振方向夹角为δ时(逆时针方向为正)，则可以产生椭圆率为χ(χ＝δ)的椭圆偏振光。混合庞加莱球椭圆角Φ与夹角之δ间的关系为2δ+Φ＝π/2。方位角θ、夹角δ、η的计算关系为：θ/2＝-(2η+δ)。依此可以根据庞加莱球上一点的坐标来调整波片夹角制备光束。
(3)级联涡旋半波片产生多种混合庞加莱球
通过级联涡旋半波片分别可以增加涡旋相的拓扑荷数和偏振阶数。为了使级联涡旋半波片的等效阶数是参与级联涡旋半波片阶数相加就需要在两者之间加入快轴水平方向的半波片。半波片琼斯矩阵级联琼斯矩阵为
本发明方案与现有方案相比，主要优点在于：
(1)本方法技术新颖，操作简单，使用方便，易于控制，成本较低。通过使用一种光学定制元件就可实现偏振与相位的独立调制，产生模式灵活可调的柱矢量涡旋光束。
(2)本方法实用性强，能够产生多种混合庞家莱球和其上任意位置处光束，光束制备范围广，光路稳定性强，能量转化效率高。
(3)本方法制备光束鲁棒性较好，偏振态分布和螺旋相位完整性好。光路系统集成性能好，对矢量涡旋激光器谐振腔设计具有一定价值。适用于矢量涡旋光高精度探测、高分辨率成像光源的制备。
附图说明
图1为基于涡旋半波片制备多种混合庞加莱球光束的方法流程图；
图2为多种混合阶庞加莱球光束的制备光路图；
图3为该方法制备的多种混合阶庞加莱球光束的偏振态分布图；
图4为级联涡旋半波片产生多种混合庞加莱球变化规律图；
具体实施方案
本发明基于涡旋半波片制备多种混合庞加莱球光束的方法，以通涡旋半波片、四分之一波片为实验对象，实施对象为涡旋半波片，具体实施步骤如下：
首先，设计实验光路如图2所示。激光器(NEWPORT N-LHP-151)发射出的光束经过两个透镜构成的望远镜系统进行扩束准直，再经过格兰-泰勒棱镜(GLP)起偏，得到高纯度水平线偏振光束。部分Ⅰ用于产生线偏振涡旋光束。四分之一波片(QP1)和(QP2)的快轴方向相同均为-π/4时，涡旋半波片(VHP1)阶数m1＝1，能产生水平线偏振拓扑荷数l＝m1涡旋光。当快轴方向均为π/4时产生水平线偏振拓扑荷数l＝-m1涡旋光。部分Ⅱ用于产生矢量偏振态。利用半波片(HP)和四分之一波片(QP3)调制入射涡旋半波片(VHP2) 的光束的偏振态，产生混合庞加莱球上不同位置的光束，其阶数m2＝2。在光束检测方面，偏振相机(PL-D755MU-T-POL,PC)能直接测量出制备光束的斯托克斯参数S1,S2和偏振方向角ψ。在偏振相机前增设四分之一波片QP4，为获取参数S3。
在光路中通过改变半波片HP和四分之一波片QP3的快轴方向用于改变光束的偏振态产生混合庞加莱球上不同位置光束。首先读取极坐标下混合庞加莱球上一点所对应的椭圆角Φ，按照关系式2δ+Φ＝π/2我们可以得到参数δ，同时需要读取该点在混合庞加莱球上的方向角θ，按照关系式θ/2＝-(2η+δ)确定半波片快轴方向，按照公式(9)可以得出入射到四分之一波片QP3的线偏振涡旋光偏振方向[cos2ηsin2η]T,依据参数δ可以确定四分之一波片QP3快轴方向。因此获取混合庞加莱球上一点坐标就可以制备该点处光束。例如，图3(a)为混合庞加莱球模型，图3(b)是混合庞加莱球上点(0,0)对应光束，图3(c)是混合庞加莱球上点(0,π/2)对应光束,图3(d)是混合庞加莱球上点(π,π/2)对应光束,图3(e)是混合庞加莱球上点(π/2,π/4)对应光束,图3(f)是混合庞加莱球上点(-π/2,3π/4)对应光束,图3(g)是混合庞加莱球上点(0,π)对应光束。
在实现混合庞加莱球上任意处光束制备的基础上，通过级联涡旋半波片产生多种混合庞加莱球以制备多种混合庞加莱球光束。在图2中，可以对涡旋相制备部分(部分Ⅰ)和偏振态调制部分(部分Ⅱ)进行涡旋半波片的级联，为了实现阶数的增加需要在参与级联的两个涡旋半波片之间增添快轴方向水平的半波片。随着部分Ⅰ和部分Ⅱ中级联涡旋半波片数量与阶数的改变，制备的混合庞加莱球变化趋势不同。用南北两极正交偏振拓扑荷数不同的涡旋光来确定一种混合庞加莱球，则混合庞加莱球制备规律如图4所示。其中，图4(a)是在Ⅱ部分为1阶涡旋半波片条件下，改变Ⅰ部分级联涡旋半波片等效阶数(ms)产生多种混合庞加莱球，图4(b)是在Ⅰ部分为1 阶涡旋半波片条件下，改变Ⅱ部分级联涡旋半波片等效阶数产生多种混合庞加莱球。重复上述步骤，可以制备任何一个混合庞加莱球上任意位置对应的光束。
本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (2)
1.一种基于涡旋半波片制备多种混合庞加莱球光束的方法，首先将激光器射出光束进行空间滤波后，利用4f系统进行扩束准直提高光束质量，利用格兰-泰勒棱镜获得高纯度水平偏振光束，该光束先经过第一四分之一波片、涡旋半波片和第二四分之一波片产生水平线偏振涡旋光，其中两个四分之一波片与快轴夹角均设置为45°，随后，依次通过半波片和第三四分之一波片，以实现对标量偏振涡旋光束的偏振方向和偏振椭圆率的调节，最后通过通过第二个涡旋半波片产生柱矢量涡旋光束，通过调整半波片与第三四分之一波片的快轴方向实现了光束在混合庞加莱球全域内的演化，最后通过级联涡旋半波片获得多种混合庞加莱球和其上任意位置处光束。
2.根据权利要求1所述的一种基于涡旋半波片制备多种混合庞加莱球光束的方法，其特征在于：在实现了多种混合庞加莱球和其上任意位置处光束的制备后，针对制备矢量光束的偏振检测领域，优化了针对矢量光束偏振态的检测方法，利用第四四分之一波片和偏振相机实现了斯托克斯参数的完整检测，通过计算偏振方向和偏振椭圆率，实现了光束偏振态分布图的绘制。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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