CN114755836B - 角向偏振光束的产生及该光束抗湍流处理的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种角向偏振光束的产生及该光束抗湍流处理的方法及装置。该装置包括透射式空间光调制器、偏振分束镜、内直角反射镜组合、四分之一波片和半波片，此方法原理简单、能够稳定高效地产生角向偏振光束。将产生的光束入射至二氧化钛散射体中，并通过透镜准直，可以产生具有蕴含角向偏振信息的特殊二阶关联部分相干光，在传输过程中偏振信息被很好的隐藏在二阶关联统计函数中，实现了抗湍流的效果并在远场得到具有极高偏振纯度的角向偏振态。本发明中的实验设备和器件都比较常见，原理简单，效果明显，对于复杂环境下矢量光束的传输研究，如激光通信等具有重大意义。

Description

角向偏振光束的产生及该光束抗湍流处理的方法及装置

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种角向偏振光束的产生及该光束抗湍流处理的方法及装置。

背景技术

偏振是光场最重要的特性之一，它反映了光的振动和传输之间的不对称性。在光学发展的早期，人们对偏振的了解还停留在均匀偏振上，这种均匀偏振光束横截面上不同位置处的偏振都是相同的，例如线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光等。均匀偏振光束的产生相对容易，仅需偏振片和各种偏振器件的堆叠即可实现，而对均匀偏振态的充分研究也在消除镜面反射、降低杂光串扰、3D电影等方面发挥重要作用。

随着偏振光学逐渐发展，具有非均匀偏振分布的矢量偏振光的概念被提出，与均匀偏振光不同，矢量偏振光的偏振态在空间不同位置是不同的，产生难度更大，但也具有更高的研究价值和意义。最早被广泛研究的矢量偏振光是径向偏振光和角向偏振光，他们的偏振态是满足圆对称分布的线型偏振态。其中，角向偏振光作为最经典的矢量偏振光束在众多领域具有广泛的应用：例如凭借其特殊的紧聚焦特性，角向偏振光可应用于光场整形、微粒捕获等方面；角向偏振光能更好地激发金属纳米结构，显著提高表面增强拉曼光谱检测的性能；由角向偏振光束激发的圆形纳米粒子簇被用作磁性纳米探针，可以提高磁性区域的空间分辨率。

现有的合成角向偏振光束的方法主要有x-y叠加法和同轴叠加法两种。x-y叠加法合成角向偏振光束，具体操作为：先用线偏振片把激光调整为45°方向的线偏振光之后，使用偏振分束镜将光束的x方向分量和y方向分量分离开，利用空间光调制器分别调控x和y分量，再使用一个偏振分束镜将调制后的x方向分量和y方向分量合成，产生角向偏振光束。该方法中使用了两个空间光调制器，由于空间光调制器费用昂贵，且必须搭配电脑实现程序加载及操作，所以本方案的成本过高，不利于推广。同轴叠加法合成角向偏振光束，首先使用空间光调制器加载一阶涡旋相位，产生的+1级和-1级衍射光束分别调制成右旋和左旋圆偏振光，利用朗奇光栅可以将两束衍射光束进行同轴叠加，最后利用快轴方向之间差的两个半波片对光束偏振态调整，得到角向偏振光。该方法在实际操作过程中需要用到很多的波片和朗奇光栅等光学器件，成本较高，并且各波片的角度很难准确调节，产生光束的周期需要与朗奇光栅的额定周期严格匹配，需要花费大量时间和精力。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种角向偏振光束的产生及该光束抗湍流处理的方法及装置。

所述角向偏振光束产生装置包括：

线偏振光产生模块，产生一偏振方向为π/4的线偏振光；

分束模块，将所述线偏振光分成x偏振光和y偏振光，并保持两束光平行同向传输，且在同一位置处的光程相等；

信息加载模块，在所述x偏振光和所述y偏振光上同时加载涡旋相位；

合束模块，将加载了涡旋相位后的x偏振光与加载了涡旋相位后的y偏振光合束，得到矢量涡旋光；

调制模块，利用波片对所述矢量涡旋光进行调制，得到角向偏振光束。

作为本发明的进一步改进，所述线偏振光产生模块包括：

激光器，出射振动方向为y方向的完全相干第一偏振光；

线偏振片，所述第一偏振光的偏振方向经过该线偏振片校准，得到第二偏振光；

半波片，该半波片将所述第二偏振光的偏振方向调整为π/4，得到偏振方向为π/4的第三偏振光；

第一反射镜，该第一反射镜通过反射改变所述第三偏振光的传播方向，得到传输方向与所述第三偏振光传输方向垂直的第四偏振光。

作为本发明的进一步改进，所述分束模块包括：

偏振分束镜，所述第四偏振光经过该偏振分束镜后分为所述x偏振光和所述y偏振光，所述x偏振光在所述偏振分束镜上发生透射，所述y偏振光在所述偏振分束镜上发生反射；

第一内直角反射镜组合，由两个反射镜垂直相接而成，使得所述x偏振光沿与透射方向平行反向的路线反射至所述偏振分束镜，并从所述偏振分束镜透射；

第二内直角反射镜组合，由两个反射镜垂直相接而成，使得所述y偏振光沿与反射方向平行反向的路线反射至所述偏振分束镜，并从所述偏振分束镜反射。

作为本发明的进一步改进，所述信息加载模块包括：

透射式空间光调制器，所述x偏振光与所述y偏振光平行传输至该透射式空间光调制器，分别通过该透射式空间光调制器的左右两部分，由该透射式空间光调制器的左右两部分分别在所述x偏振光与所述y偏振光中加载涡旋相位；

计算机，该计算机连接在所述透射式空间光调制器上，用于在所述透射式空间光调制器的屏幕上加载涡旋相位全息图。

作为本发明的进一步改进，所述合束模块包括：

偏振合束镜，加载涡旋相位的x偏振光在该偏振合束镜上透射，加载涡旋相位的y偏振光在该偏振合束镜上反射，并将加载涡旋相位后的x偏振光与加载涡旋相位后的y偏振光通过该偏振合束镜合成为第一矢量涡旋光；

第三内直角反射镜组合，由两个反射镜垂直相接而成，由所述偏振合束镜透射的加载了涡旋相位的x偏振光经过该第三内直角反射镜组合沿与透射方向平行反向的路线反射至所述偏振合束镜；

第四内直角反射镜组合，由两个反射镜垂直相接而成，由所述偏振合束镜反射的加载了涡旋相位的y偏振光经过该第四内直角反射镜组合沿与反射方向平行反向的路线反射至所述偏振合束镜；

第二反射镜，该第二反射镜通过反射改变所述第一矢量涡旋光的传播方向，得到传输方向与第一矢量涡旋光传输方向呈直角的第二矢量涡旋光。

作为本发明的进一步改进，所述调制模块包括：

四分之一波片，旋转该四分之一波片使得所述第二矢量涡旋光中的x偏振方向光分量和y偏振方向光分量分别调制为携带涡旋相位的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，所述第二矢量涡旋光转化为径向偏振光；

半波片组合，由两个半波片组合而成，调整两个半波片快轴之间的夹角，所述径向偏振光转化为角向偏振光。

作为本发明的进一步改进，所述第一内直角反射镜到所述偏振分束镜的距离和所述第二内直角反射镜到所述偏振分束镜的距离相等，且所述第一内直角反射镜中心与所述偏振分束镜中心的偏移量和所述第二内直角反射镜中心与所述偏振分束镜中心的偏移量相等。所述第三内直角反射镜到所述偏振合束镜的距离与所述第四内直角反射镜到所述偏振合束镜的距离相等，且所述第三内直角反射镜中心与所述偏振合束镜中心的偏移量和所述第四内直角反射镜中心与所述偏振合束镜中心的偏移量相等。

所述角向偏振光束产生方法，利用所述角向偏振光束产生装置产生，包括以下几个步骤：

S11:对所述激光器出射的光进行校准，使其在竖直方向振动，得到y方向偏振高斯光束，将光束的偏振方向调整为π/4，以便于下一步将光束分成强度相等的x偏振方向分量和y偏振方向分量；

S12：将π/4方向的线偏振光束进行反射，然后被分为x方向偏振光和y方向偏振光，并让其平行同轴传输；

S13：分别在x方向偏振光和y方向偏振光上同时加载拓扑荷数为1和-1的涡旋相位exp(iφ)和exp(-iφ)；

S14：将调制过的x偏振方向光分量和y偏振方向光分量合束，得到一矢量涡旋光束；

S15：将矢量涡旋光束中的x偏振方向光分量和y偏振方向光分量分别调制为携带涡旋相位的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，此时的矢量涡旋光束转化为径向偏振涡旋光束；

S16：径向偏振涡旋光束通过由两个半波片组成的半波片组合，通过调整两个半波片快轴之间的夹角得到角向偏振光束。

所述角向偏振光束抗湍流处理的装置，其中，角向偏振光束由所述角向偏振光束产生装置产生，包括：

二氧化钛散射体，二氧化钛散射体旋转后可使得角向偏振光束被散射，从而降低其相干度；

薄透镜，薄透镜的前焦面与二氧化钛散射体重合，起到傅里叶变换的作用；

高斯振幅滤波片，对傅里叶变换后的光进行高斯整形。

所述角向偏振光束抗湍流处理的方法，利用所述角向偏振光束抗湍流处理的装置处理，包括以下几个步骤：

S21：利用所述角向偏振光束产生装置产生角向偏振光束；

S22：将角向偏振光束散射，降低光束的空间相干性的同时从偏振矩阵中提取光束中蕴含的偏振信息；

S23：对散射后的角向偏振光束进行傅里叶变换处理，将光束的偏振信息隐藏到二阶关联统计函数中；

S24：对光束进行高斯振幅调制，得到非偏振的具有特殊二阶关联统计函数的部分相干光束。

本发明的有益效果：空间光调制器在加载程序时必须配合一计算机操作，本发明在产生角向偏振光束时仅使用一个空间光调制器即可对x偏振光及y偏振光两束光同时进行调制。与现有的x-y叠加法合成角向偏振光束需要两个空间光调制器的方案相比，减少了一个空间光调制器以及配套的计算机也能生成与该方案相同的角向偏振光束，从而实现了大幅降低产生装置成本的目的，本方案更有利于推广使用。与现有的同轴叠加法合成角向偏振光束方案相比，无需使用朗奇光栅，从而也就避免了相关复杂操作。本方案中激光器出射光的光轴与生成的角向偏振光束的光轴平行，本方案的分束模块、信息加载模块、合束模块依次分布于与激光器出射光光轴垂直的方向，大大缩短了光路的横向长度，为对该角向偏振光束后续处理预留了空间。

附图说明

图1是本发明的一种角向偏振光束的产生的方法及装置示意图。

图2是本发明的偏振分束镜和内直角反光镜组合的排列方式说明图。

图3是本发明的半波片组合的说明图。

图4是本发明的一种角向偏振光束抗湍流处理的方法及装置示意图。

图5是本发明的一种角向偏振光束抗湍流检测的方法及装置示意图。

图中标号说明：1、激光器，2、线偏振片，3、半波片，4、第一反射镜，5、偏振分束镜，6、第一内直角反射镜组合，7、第二内直角反射镜组合，8、透射式空间光调制器，9、偏振合束镜，10、第三内直角反射镜组合，11、第四内直角反射镜组合，12、第二反射镜，13、四分之一波片，14、半波片组合，15、二氧化钛散射体，16、第一薄透镜，17、高斯振幅滤波片，18、第二薄透镜，19、湍流环境，20、光束分析仪，21、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明提供了一种角向偏振光束的产生方法及装置，该装置由空间光调制器、偏振分束镜、反射镜和各种波片组成，原理简单、产生效果好。并对该角向偏振光束进行处理使其具有抗湍流的效果，具体方法为利用喷涂了二氧化钛的载玻片作为散射体，将角向偏振光束的偏振信息转移到二阶关联统计函数中，从而使得光束的偏振信息不受传输过程中大气湍流等复杂环境的影响，仍能在远场呈现出纯度很高的角向偏振态。并且不同厚度的二氧化钛散射体能够在不改变光路其他装置的情况下调整产生部分相干光的空间相干性。

一种角向偏振光束产生装置，包括：

线偏振光产生模块，产生一偏振方向为π/4的线偏振光；包括：

激光器，出射振动方向为y方向的完全相干第一偏振光。

线偏振片，第一偏振光的偏振方向经过该线偏振片校准，得到第二偏振光。

半波片，将第二偏振光的偏振方向调整为π/4，得到偏振方向为π/4的第三偏振光。

第一反射镜，第一反射镜通过反射改变第三偏振光的传播方向，得到传输方向与第三偏振光传输方向垂直的第四偏振光。

分束模块，将所述线偏振光分成x偏振光和y偏振光，并保持两束光平行同向传输，且在同一位置处的光程相等；包括：

偏振分束镜，第四偏振光经过该偏振分束镜后分为x偏振光和y偏振光，x偏振光在偏振分束镜上发生透射，y偏振光在偏振分束镜上发生反射。

第一内直角反射镜组合，由两个反射镜垂直相接而成，使得x偏振光沿与透射方向平行反向的路线反射至偏振分束镜，并从偏振分束镜透射。

第二内直角反射镜组合，由两个反射镜垂直相接而成，使得y偏振光沿与反射方向平行反向的路线反射至偏振分束镜，并从偏振分束镜反射。

信息加载模块，在所述x偏振光和所述y偏振光上同时加载涡旋相位，包括：

透射式空间光调制器，x偏振光与y偏振光平行传输至透射式空间光调制器，由透射式空间光调制器分别加载拓扑荷数为1和-1的涡旋相位。

计算机，该计算机连接在透射式空间光调制器上，用于在透射式空间光调制器的屏幕上加载涡旋相位全息图。

合束模块，将加载了涡旋相位后的x偏振光与加载了涡旋相位后的y偏振光合束，得到矢量涡旋光；包括：

偏振合束镜，使得加载了涡旋相位的x偏振光透射，加载了涡旋相位的y偏振光反射，并将加载了涡旋相位后的x偏振光与y偏振光通过偏振合束镜后合成为第一矢量涡旋光。

第三内直角反射镜组合，由两个反射镜垂直相接而成，由偏振合束镜透射的加载了涡旋相位的x偏振光经过第三内直角反射镜组合沿与透射方向平行反向的路线反射至偏振合束镜。

第四内直角反射镜组合，由两个反射镜垂直相接而成，由偏振合束镜反射的加载了涡旋相位的y偏振光经过第四内直角反射镜组合沿与反射方向平行反向的路线反射至偏振合束镜。

第二反射镜，该第二反射镜通过反射改变第一矢量涡旋光的传播方向，得到传输方向与第一矢量涡旋光传输方向呈直角的第二矢量涡旋光。

调制模块，利用波片对所述矢量涡旋光进行调制，得到角向偏振光束；包括：

四分之一波片，旋转四分之一波片使得矢量涡旋光中的x偏振方向光分量和y偏振方向光分量分别调制为携带涡旋相位的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，矢量涡旋光转化为径向偏振涡旋光。

半波片组合，由两个半波片组合而成，调整两个半波片快轴之间的夹角得到角向偏振光束。

一种角向偏振光束生成方法，包括以下几个步骤：

S11:对激光器出射的光进行校准，使其在竖直方向振动，得到y方向偏振高斯光束。将光束的偏振方向调整为π/4，以便于下一步将光束分成强度相等的x偏振方向分量和y偏振方向分量。

S12：将π/4方向的线偏振光束进行反射，然后被分为x方向偏振光和y方向偏振光，并让其平行同轴传输。

S13：分别在x方向偏振光和y方向偏振光上同时加载拓扑荷数为1和-1的涡旋相位exp(iφ)和exp(-iφ)。

S14：将调制过的x偏振方向光分量和y偏振方向光分量合束，得到一矢量涡旋光束。

S15：将矢量涡旋光束中的x偏振方向光分量和y偏振方向光分量分别调制为携带涡旋相位的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，此时的矢量涡旋光束转化为径向偏振涡旋光束。

S16：径向偏振涡旋光束通过由两个半波片组成的半波片组合，通过调整两个半波片快轴之间的夹角得到角向偏振光束。

本发明提出一种新颖的角向偏振光束生成系统，该系统由空间光调制器、偏振分束镜、反射镜和各种波片组成，相比于现有的角向偏振光束生成系统，具有原理简单、操作复杂程度低，成本低的优势。

一种角向偏振光束抗湍流处理的装置，包括：

二氧化钛散射体，二氧化钛散射体旋转后可使得角向偏振光束被散射，从而降低其相干度。

薄透镜，薄透镜的前焦面与二氧化钛散射体重合，起到傅里叶变换的作用。

高斯振幅滤波片,对傅里叶变换后的光进行高斯整形。

一种角向偏振光束抗湍流处理的方法，包括以下几个步骤：

S21：将角向偏振光束散射，降低光束的空间相干性的同时从偏振矩阵中提取光束中蕴含的偏振信息。

S22：对散射后的角向偏振光束进行傅里叶变换处理，将光束的偏振信息隐藏到二阶关联统计函数中。

S23：对光束进行高斯振幅调制，得到非偏振的具有特殊二阶关联统计函数的部分相干光束。

利用本发明提出的角向偏振态光束生成系统，对该系统进行降低相干度处理，使该光束的角向偏振态的偏振信息转移到二阶关联统计函数中，可以在传输过程中有效地保护光束的偏振信息，使得光束不受传输过程中大气湍流等复杂环境的影响，仍能在远场呈现出纯度很高的角向偏振态。

本发明的技术原理为：

激光器1发出的激光为竖直方向振动的完全相干y方向偏振高斯光束，将线偏振片2的透光轴调整为竖直方向，对y方向偏振光进行校准。半波片3的快轴与竖直方向成π/8夹角，可以最大效率地将光束的偏振方向调整为π/4，得到的线偏振光束的电场矢量可以表示如下：

其中ω₀表示光束的束腰宽度，v＝(v_x,v_y)表示空间位置矢量，

和

分别代表x和y方向的单位矢量。

此光束经过第一反射镜4的反射后照射到偏振分束镜5中，偏振分束镜5可以使光束的x方向透射通过，并使y方向发生反射，用这种方法可以将x偏振方向的光分量和y偏振方向的光分量分离。在经过第一内直角反射镜组合6、第二内直角反射镜组合7的反射后，两束光将会平行同轴传输，再次经过偏振分束镜5之后分别照射进透射式空间光调制器8，透射式空间光调制器8可以设计成平均分的两部分，用于加载涡旋相位exp(ilφ)，其中i是虚数单位，l是涡旋相位的阶数，也被称为拓扑荷数，φ是光束横截面极坐标的方位角。要产生角向偏振光束，需要让x偏振方向光分量和y偏振方向光分量分别加载+1和-1阶的涡旋相位exp(iφ)和exp(-iφ)，两束光分别透射经过空间光调制器的两部分之后，光束的电场可以表示为：

其中φ表示光束横截面的极坐标系的方位角。然后光束再经过偏振合束镜9和第三内直角反射镜组合10、第四内直角反射镜组合11之后，在偏振合束镜9上叠加，注意x和y方向分量光束是非相干的，第二反射镜12用于改变光束的传播方向。

四分之一波片13的快轴与竖直方向成π/4，这样可以将x和y方向线偏振光分量调制成左右旋的圆偏振光束，透射过四分之一波片的光可以表示为：

光束再经过一个半波片组合14，半波片组合由两个平行放置的半波片组成，两个半波片的快轴之间的夹角为θ，则这个半波片组合的琼斯矩阵为

为了得到角向偏振光的电场，我们让两个半波片的快轴夹角θ＝π/4，此时光束的电场变化为：

进而得到角向偏振光束的偏振矩阵为：

由此我们产生了完全相干的角向偏振光束，但这种光束的偏振态不稳定，容易受到外界环境的干扰。

接下来我们需要将光束的偏振信息通过动态散射体(旋转的二氧化钛散射体15)加载到部分相干光束的二阶关联统计函数中，再利用第一薄透镜16和高斯振幅滤波片17产生蕴含角向偏振态信息的部分相干光束。并通过调控二氧化钛散射体中二氧化钛介电纳米粒子层的厚度实现对光束相干性和抗湍流能力的灵活调控。对于部分相干光而言，在空间-频率域中，要表示含有矢量偏振信息的部分相干光需要用到交叉谱函数矩阵来表征，在空间一点r＝(x,y)处的统计特性可以表示为：

其中交叉谱函数矩阵的各矩阵元可以写成不同方向电场分量之间的系统平均：

其中α,β∈{x,y}，x和y表示随机电磁光束的两个互相正交的方向，E_α(r₁)和E_β(r₂)分别表示在空间r₁点处α分量和r₂点处β分量的随机电场，上标星号和尖括号分别表示复共轭和系综平均。另外根据正定条件，矢量部分相干光交叉谱函数矩阵的矩阵元还可以表示为：

其中

表示照射到二氧化钛散射体15上光束的偏振信息，v＝(v_x,v_y)表示空间二氧化钛散射体15表面上的空间矢量，δ表示狄拉克函数，T_αβ(r,v)表示从二氧化钛散射体15到高斯滤波片17的传递函数，由于薄透镜的傅里叶变换作用，传递函数可以固定为如下傅里叶变换的形式：

其中

为高斯滤波片17的透射函数，其中γ₀为高斯滤波片17上的束腰宽度；λ为波长，f为第一薄透镜16的焦距。

将公式(10)代入公式(9)中可以将矢量部分相干光束交叉谱函数矩阵改写为：

其中Q[-(r₂-r₁)/λf]表示部分相干光束的二阶关联统计函数，是用来描述空间两点之间关联情况的物理量，具体表达式如下：

由公式(12)可以得知，经过二氧化钛散射体15、第一薄透镜16和高斯振幅滤波片17之后，偏振矩阵Γ(v，v)中包含的偏振信息通过傅里叶变换的方式转移到了二阶关联统计函数矩阵

中。

在传输过程中，包含偏振信息的部分相干光在不同传输距离处满足如下的矢量科林斯积分公式：

其中ρ＝(ρ_x,ρ_y)表示观察平面上的空间位置矢量，A、B、D表示传输ABCD光学的元素，第二薄透镜18到光束分析仪20之间所表示的聚焦传输系统中，我们用到的传输ABCD光学系统可以表示为：

将公式(11)、(12)和公式(14)代入公式(13)中，已知光束偏振矩阵和交叉谱张量之间存在的关系：P(ρ,ρ)＝Π(ρ,ρ),经过复杂的运算，可以得到远场光束某一点处偏振矩阵的卷积表达式：

其中

为振幅函数A(r)＝exp(-r²/4σ)exp[ik(1-z/f)r²/2z]的傅里叶变换，而Γ(-ρ/λz)则是对高斯振幅滤波片上部分相干光的二阶关联统计函数Q(r₂-r₁)进行傅里叶变换得到，因此根据公式(15)可以看出，通过光束传输，原本隐藏在二阶关联统计函数中的偏振信息会再次从远场光束的偏振矩阵中展现出来。

实施例

如图1所示，它是本实施例提供的一种角向偏振光束的产生的方法及装置示意图。具体实施过程中，透射式空间光调制器8的具体参数为水平分辨率1024，垂直分辨率768，像素大小为18μm×18μm，空间光调制器8加载的涡旋相位和由装有

软件的计算机21运算处理得到。

具体实施步骤为：

第一步，根据图1所示，搭建实验所需的光路；

第二步，打开激光器1，将线偏振片2透光轴的方向调整为竖直方向(y方向)，校准由激光器射出的完全相干光源的偏振方向；旋转半波片3，使半波片3的快轴与竖直方向成π/8角，将线偏振完全相干光束的偏振方向调整为与竖直方向成π/4角，以便于下一步将光束分成强度相等的x偏振方向分量和y偏振方向分量；

第三步，将π/4方向的线偏振光照经过第一反射镜4，反射到第一个偏振分束镜5中，x偏振方向光分量会透射出偏振分束镜5(由带箭头的黑色实线段表示)，而y偏振方向光分量则会发生垂直反射(由带箭头的黑色虚线段表示)，从偏振分束镜5的侧面射出。第一内直角反射镜组合6和第二内直角反射镜组合7是两个完全相同的内直角反射镜，内直角反射镜由反射镜垂直相接而成，可以使入射光束经过两次反射后沿平行且相反的方向反射回去。如图2所示，第一内直角反射镜组合6位于偏振分束镜5上方h₁距离、偏左d距离处，第二内直角反射镜组合7位于偏振分束镜5左方h₁距离、偏下d距离处，经过第一内直角反射镜组合6、第二内直角反射镜组合7的反射，两束光再次照射到偏振分束镜5中，x偏振方向光分量依旧透射经过，y偏振方向光分量依旧发生反射。由于内直角反射镜的对称反射，x偏振方向光分量和y偏振方向光分量将沿着平行的方向从偏振分束镜5中射出。

第四步，两束光经过一个透射式空间光调制器8，空间光调制器8用计算机21控制用以产生能够使光束加载涡旋相位的相位全息图。透射式空间光调制器8通过计算机21设计成左右两个部分，产生两种相位全息图，分别加载拓扑荷数为1和-1的涡旋相位exp(iφ)和exp(-iφ)。对x偏振方向光分量透射经过空间光调制器的左半部分，添加了涡旋相位exp(iφ)，y偏振方向光分量透射经过空间光调制器的右半部分，添加了涡旋相位exp(-iφ)。其中空间光调制器8中加载的左右分布的两种相位全息图均采用干涉法产生：全息相位图的整体光栅透过函数为J＝(1+K)/2，其中K＝cos(kX+L)为干涉项，k＝2π×760/0.6125为实验中设置的周期参量，X为全息图的空间坐标，L是由拉盖尔多项式确定的涡旋相位表达式，两种相位全息图的拓扑荷数分别为1和-1。

第五步，此过程相当于第三步的逆过程，调制过的x偏振方向光分量和y偏振方向光分量先分别透射和反射过偏振合束镜9后，在第三内直角反射镜组合10和第四内直角反射镜组合11上发生两次反射再照射到偏振分束镜的中心并合成一束光。如图2所示，第三内直角反射镜组合10位于偏振合束镜9下方h₂距离、偏左d距离处，第四内直角反射镜组合11位于偏振合束镜9右方h₂距离、偏下d距离处，经过第三内直角反射镜组合10、第四内直角反射镜组合11的反射，两束光再次照射到偏振合束镜9中，x偏振方向光分量依旧透射经过，y偏振方向光分量依旧发生反射。x偏振方向光分量和y偏振方向光分量将合成一束矢量涡旋光从偏振合束镜9中射出。

第六步，经过第二反射镜12的反射，矢量涡旋光照射到四分之一波片13上，四分之一波片13的快轴与竖直方向成π/4角度，将矢量涡旋光中的x偏振方向光分量和y偏振方向光分量分别调制为携带涡旋相位的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，此时的矢量涡旋光束转化为径向涡旋偏振光。然后经过一个由两个半波片组成的半波片组合14，如图3所示，两个半波片快轴之间的夹角为θ，调整至θ＝π/4，即可得到角向偏振态光束。

如图4所示，一种角向偏振光束抗湍流处理的方法及装置示意图，具体实施步骤为：

第一步，让光束照射到旋转的二氧化钛散射体15上，二氧化钛散射体是利用平戈(Pingo)油漆材料将二氧化钛介电纳米粒子喷涂到玻璃载波片上制作而成，二氧化钛层的厚度必须是Pingo油漆厚度的五倍以上，以确保二氧化钛散射体能够打散完全相干的角向偏振光束，降低光束的空间相干性的同时从偏振矩阵中提取光束中蕴含的偏振信息。

第二步，第一薄透镜16与二氧化钛散射体之间的距离为其焦距，起到傅里叶变换的作用，蕴含偏振信息的非相干光束经过第一薄透镜16后再经过一个高斯振幅滤波片17的整形即可得到非偏振的具有特殊二阶关联统计函数的部分相干光束，其二阶关联统计函数是由第七步中二氧化钛散射体提取到的偏振矩阵经过傅里叶变换而来，因此光束的偏振信息便从完全相干光的偏振矩阵中隐藏到了部分相干光的二阶关联统计函数中。

如图5所示，一种角向偏振光束抗湍流检测的方法及装置示意图，光束分析仪20的具体参数为水平分辨率1928，垂直分辨率1448，像素大小为3.69μm×3.69μm，由装有光束质量分析仪

软件的计算机21控制。

具体实施步骤为：第二薄透镜18的作用是聚焦产生的部分相干光束，聚焦的过程相当于光束在自由空间中传输到远场，并且光束的传输是在湍流的环境19中的。随着光束传输到远场，二阶关联统计函数中隐藏的偏振信息会重新转移到新的部分相干光束的偏振矩阵里，由于在湍流环境中偏振信息隐藏在二阶关联统计函数中，所以偏振信息能得到有效的保护，并且在远场能够得到偏振纯度很高的角向偏振态。光束分析仪20用于测量焦场处光束的偏振态。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种角向偏振光束产生装置，其特征在于：包括：

线偏振光产生模块，产生一偏振方向为π/4的线偏振光；

分束模块，将所述线偏振光分成x偏振光和y偏振光，并保持两束光平行同向传输，且在同一位置处的光程相等；包括：

偏振分束镜，所述线偏振光经过该偏振分束镜后分为所述x偏振光和所述y偏振光，所述x偏振光在所述偏振分束镜上发生透射，所述y偏振光在所述偏振分束镜上发生反射；

第一内直角反射镜组合，由两个反射镜垂直相接而成，使得所述x偏振光沿与透射方向平行反向的路线反射至所述偏振分束镜，并从所述偏振分束镜透射；

第二内直角反射镜组合，由两个反射镜垂直相接而成，使得所述y偏振光沿与反射方向平行反向的路线反射至所述偏振分束镜，并从所述偏振分束镜反射；

信息加载模块，在所述x偏振光和所述y偏振光上同时加载涡旋相位；包括：

透射式空间光调制器，所述x偏振光与所述y偏振光平行传输至该透射式空间光调制器，分别通过该透射式空间光调制器的左右两部分，由该透射式空间光调制器的左右两部分分别在所述x偏振光与所述y偏振光中加载涡旋相位；

计算机，该计算机连接在所述透射式空间光调制器上，用于在所述透射式空间光调制器的屏幕上加载涡旋相位全息图；

合束模块，将加载了涡旋相位后的x偏振光与加载了涡旋相位后的y偏振光合束，得到矢量涡旋光；包括：

偏振合束镜，加载涡旋相位的x偏振光在该偏振合束镜上透射，加载涡旋相位的y偏振光在该偏振合束镜上反射，并将加载涡旋相位后的x偏振光与加载涡旋相位后的y偏振光通过该偏振合束镜合成为第一矢量涡旋光；

第三内直角反射镜组合，由两个反射镜垂直相接而成，由所述偏振合束镜透射的加载了涡旋相位的x偏振光经过该第三内直角反射镜组合沿与透射方向平行反向的路线反射至所述偏振合束镜；

第四内直角反射镜组合，由两个反射镜垂直相接而成，由所述偏振合束镜反射的加载了涡旋相位的y偏振光经过该第四内直角反射镜组合沿与反射方向平行反向的路线反射至所述偏振合束镜；

第二反射镜，该第二反射镜通过反射改变所述第一矢量涡旋光的传播方向，得到传输方向与第一矢量涡旋光传输方向呈直角的第二矢量涡旋光；

调制模块，利用波片对所述矢量涡旋光进行调制，得到角向偏振光束。

2.如权利要求1所述的角向偏振光束产生装置，其特征在于：所述线偏振光产生模块包括：

激光器，出射振动方向为y方向的完全相干第一偏振光；

线偏振片，所述第一偏振光的偏振方向经过该线偏振片校准，得到第二偏振光；

半波片，该半波片将所述第二偏振光的偏振方向调整为π/4，得到偏振方向为π/4的第三偏振光；

第一反射镜，该第一反射镜通过反射改变所述第三偏振光的传播方向，得到传输方向与所述第三偏振光传输方向垂直的第四偏振光。

3.如权利要求1所述的角向偏振光束产生装置，其特征在于：所述调制模块包括：

四分之一波片，旋转该四分之一波片使得所述第二矢量涡旋光中的x偏振方向光分量和y偏振方向光分量分别调制为携带涡旋相位的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，所述第二矢量涡旋光转化为径向偏振光；

半波片组合，由两个半波片组合而成，调整两个半波片快轴之间的夹角，所述径向偏振光转化为角向偏振光。

4.如权利要求1所述的角向偏振光束产生装置，其特征在于：所述第一内直角反射镜到所述偏振分束镜的距离和所述第二内直角反射镜到所述偏振分束镜的距离相等，且所述第一内直角反射镜中心与所述偏振分束镜中心的偏移量和所述第二内直角反射镜中心与所述偏振分束镜中心的偏移量相等；所述第三内直角反射镜到所述偏振合束镜的距离与所述第四内直角反射镜到所述偏振合束镜的距离相等，且所述第三内直角反射镜中心与所述偏振合束镜中心的偏移量和所述第四内直角反射镜中心与所述偏振合束镜中心的偏移量相等。

5.一种角向偏振光束产生方法，其特征在于：利用如权利要求2所述的一种角向偏振光束产生装置产生，包括以下几个步骤：

S11:对所述激光器出射的光进行校准，使其在竖直方向振动，得到y方向偏振高斯光束，将光束的偏振方向调整为π/4，以便于下一步将光束分成强度相等的x偏振方向分量和y偏振方向分量；

S12：将π/4方向的线偏振光束进行反射，然后被分为x方向偏振光和y方向偏振光，并让其平行同轴传输；

S13：分别在x方向偏振光和y方向偏振光上同时加载拓扑荷数为1和-1的涡旋相位exp(iφ)和exp(-iφ)；

S14：将调制过的x偏振方向光分量和y偏振方向光分量合束，得到一矢量涡旋光束；

S15：将矢量涡旋光束中的x偏振方向光分量和y偏振方向光分量分别调制为携带涡旋相位的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，此时的矢量涡旋光束转化为径向偏振涡旋光束；

S16：径向偏振涡旋光束通过由两个半波片组成的半波片组合，通过调整两个半波片快轴之间的夹角得到角向偏振光束。

6.一种角向偏振光束抗湍流处理的装置，其特征在于，角向偏振光束由权利要求1-4任意一项所述的一种角向偏振光束产生装置产生，包括：

二氧化钛散射体，二氧化钛散射体旋转后可使得角向偏振光束被散射，从而降低其相干度；

薄透镜，薄透镜的前焦面与二氧化钛散射体重合，起到傅里叶变换的作用；

高斯振幅滤波片，对傅里叶变换后的光进行高斯整形。

7.一种角向偏振光束抗湍流处理的方法，其特征在于：利用如权利要求6所述的一种角向偏振光束抗湍流处理的装置处理，包括以下几个步骤：

S21：利用如权利要求1所述的一种角向偏振光束产生装置产生角向偏振光束；

S22：将角向偏振光束散射，降低光束的空间相干性的同时从偏振矩阵中提取光束中蕴含的偏振信息；

S23：对散射后的角向偏振光束进行傅里叶变换处理，将光束的偏振信息隐藏到二阶关联统计函数中；

S24：对光束进行高斯振幅调制，得到非偏振的具有特殊二阶关联统计函数的部分相干光束。

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