CN115061282A - 一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统，包括携带目标相位信息的全息光栅生成器、用于将不同级次相干叠加成像散矢量光场的4f系统、线偏振片以及CCD接收装置，所述4f系统中设有用于改变光束偏振态的波片，可实现不借助任何其他光学元器件，生成旋转角度可以调控的矢量光场，从而运用到对矢量光场角度有灵活操控要求的行业，不仅可以实现对结构光场在传输过程中的光束尺寸进行控制，还可以调控整个光场的旋转角度与旋转方向，除此之外，改变参数还可以实现在指定位置获得特定的光束尺寸与角度，具有灵活调控，安装方便，价格低廉，适用范围广等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体涉及到一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统。
背景技术
科研工作者从未停止过对光物理的探索，这不仅归功于光学研究推动了物理学的发展，更重要的是光的应用与生活息息相关。如何对光场的偏振和相位进行有效调控并获得具有独特性能的光场成为当前光学领域研究热点之一。光场调控的范围涉及到频域，时域以及空域。其中频域的自由度为频率和波长，时域的自由度为脉冲宽度(线性)，空域的自由度则包括位相，振幅和偏振态。
相位是光场的一个重要调控参量。根据加载于部分相干光的相位的波前函数的不同形式，一般可分为常规相位、扭曲相位及涡旋相位3类。1993年，Simon和Mukunda首次发现了扭曲相位，发现其内部的不对称性会使光束在传输过程中发生旋转，但是只限于部分相干光束。Wan等人2019年提出了一种新型的扭曲相位，使得扭曲相位可存在于相干光场中，且容易在实验中获得。
扭曲部分相干光束的相干度在传输过程中也会展现出奇特的物理性质并具有一定的应用价值。研究表明，含扭曲相位的部分相干光束在光束整形、自由空间光通信、光学成像以及微粒捕获等领域己呈现出良好的应用前景。在光束整形方面，扭曲相位可以调控光束在传播过程中的光强、相干度以及偏振态等分布。光束整形在高功率系统、激光切割、粒子调控等光学领域具有非常广泛的应用。在光学成像中，带有扭曲相位的光束在一定程度上可以克服经典的瑞利衍射分辨极限从而提高成像分辨率。此外，将含扭曲相位的矢量高斯谢尔模光束聚焦后，研究其对瑞利微粒的辐射力，发现增大扭曲相位的绝对值和入射光束的偏振度，可以有效提高焦点处沿轴向和垂直于光轴方向辐射力捕获区域的大小。
携带扭曲相位的矢量光束实现了对偏振和相位的灵活调制，从而可以控制光场的光斑尺寸与旋转，而目前来说，在不借助任何元器件的前提下，生成尺寸与角度可控的矢量光场是需要解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统，能够在不借助任何光学元器件的前提下，生成尺寸与角度可控的矢量光场。
技术方案
一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统，包括携带目标相位信息的全息光栅生成器、用于将不同级次相干叠加成扭曲矢量光场的4f系统、线偏振片以及CCD接收装置，所述4f系统中设有用于改变两级次光束偏振态的波片。
进一步的，所述全息光栅生成器与所述4f系统和所述波片结合生成的扭曲矢量光场表示为：
其中A0表示振幅，
wx、wy是基模高斯光束沿水平和竖直方向的腰斑半径，uxy表示扭曲相位，u为扭曲系数，单位为mm-2，ex和ey分别是x方向和y方向上的单位向量，Δθ表示ex和ey之间的相位差。
进一步的，所述波片为半波片或者四分之一波片，若采用四分之一波片，则x和y方向分量相位差为0，即无相位差；若采用半波片，则两正交分量的相位差为π/2，从而可得横截面为局域线偏和杂化偏振分布得矢量光场。
进一步的，当wx＝wy，矢量光场的尺寸随着传输距离发生收缩与扩散，即通过控制扭曲系数与传播距离等参数，可获得目标尺寸且携带需求偏振态分布的光场。
进一步的，当设定wx和wy的值不等时，矢量光场随着传输距离发生旋转，从而对旋转角度进行调控。
进一步的，光场的旋转方向由扭曲相位的符号控制。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
灵活性高，适用于对光场尺寸，旋转角度以及偏振态要求复杂化、动态化的领域，并且结构简单；
能够在不借助任何光学元器件的前提下，生成偏振态可以调控的，光场尺寸于旋转角度随传输距离改变的矢量光场，从而运用到对光场有灵活操控要求的行业，不仅可以实现对线偏振态调控，还可以实现对杂化偏振态的调控，仍然可以通过调控光场对应的参数实现光斑尺寸变化，除此之外，改变参数还可以实现光场的旋转，具有灵活调控，安装方便，价格低廉，适用范围广等特点。
附图说明
图1为本发明一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统的结构示意图；
图2为扭曲矢量光场的光强以及偏振态分布随距离演化示意图(线条表示不同方向的线偏振，椭圆标识椭圆偏振)；
图3为不同扭曲系数对光场以及偏振态分布的影响示意图；
图4为各向异性的扭曲矢量光场随距离演化示意图。
附图标记
全息光栅生成器A、4f系统B、波片C、线偏振片D、CCD接收装置E。
具体实施方式
为更好地说明阐述本发明内容，下面结合附图和实施实例进行展开说明：
有图1-图3所示，一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统，包括携带目标相位信息的全息光栅生成器A、用于将不同级次相干叠加成扭曲矢量光场的4f系统B、线偏振片D以及CCD接收装置E，所述4f系统B中设有用于改变两级次光束偏振态的波片C。
进一步的，所述全息光栅生成器A与所述4f系统B和所述波片C结合生成的扭曲矢量光场表示为：
其中A0表示振幅，
wx、wy是基模高斯光束沿水平和竖直方向的腰斑半径，uxy表示扭曲相位，u为扭曲系数，单位为mm-2，ex和ey分别是x方向和y方向上的单位向量，Δθ表示ex和ey之间的相位差。
进一步的，所述波片C为半波片或者四分之一波片，若采用四分之一波片，则x和y方向分量相位差为0，即无相位差；若采用半波片，则两正交分量的相位差为π/2，从而可得横截面为局域线偏和杂化偏振分布得矢量光场。
进一步的，当wx＝wy，矢量光场的尺寸随着传输距离发生收缩与扩散，即通过控制扭曲系数与传播距离等参数，可获得目标尺寸且携带需求偏振态分布的光场。
进一步的，当设定wx和wy的值不等时，矢量光场随着传输距离发生旋转，从而对旋转角度进行调控。
进一步的，光场的旋转方向由扭曲相位的符号控制。
具体地，光源为532nm的激光源，经过一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统可以实现偏振态的改变，而且通过改变扭曲系数与控制传播距离，可控制光斑尺寸，通过改变初始场两正交分量的束腰半径与扭曲系数，可在光场传输过程中实现对旋转角度与方向的控制；
图2阐述了扭曲矢量光场随传播距离的传输，光斑尺寸大小的变化，由图2可知，可以通过合理设置扭曲系数与初始场，在指定位置得到目标大小与期望偏振态分布的矢量光场；
图3阐述了扭曲矢量光场可借助两正交偏振分量扭曲系数的绝对大小和相对大小，得到目标大小，形状以及偏振态分布的矢量光场；
图4表明了当水平偏振分量与竖直偏振分量的束腰半径不等时，扭曲矢量光束在传输过程中会出现旋转，可通过控制扭曲系数与正交偏振分量的束腰半径相对大小来控制光场的旋转角度与方向。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。
Claims (6)
1.一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统，其特征在于：包括携带目标相位信息的全息光栅生成器(A)、用于将不同级次相干叠加成扭曲矢量光场的4f系统(B)、线偏振片(D)以及CCD接收装置(E)，所述4f系统(B)中设有用于改变两级次光束偏振态的波片(C)。
2.根据权利要求1所述的一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统，其特征在于：所述全息光栅生成器(A)与所述4f系统(B)和所述波片(C)结合生成的扭曲矢量光场表示为：
其中A0表示振幅，
wx、wy是基模高斯光束沿水平和竖直方向的腰斑半径，uxy表示扭曲相位，u为扭曲系数，单位为mm-2，ex和ey分别是x方向和y方向上的单位向量，Δθ表示ex和ey之间的相位差。
3.根据权利要求2所述的一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统，其特征在于：所述波片(C)为半波片或者四分之一波片，若采用四分之一波片，则x和y方向分量相位差为0，即无相位差；若采用半波片，则两正交分量的相位差为π/2，从而可得横截面为局域线偏和杂化偏振分布得矢量光场。
4.根据权利要求3所述的一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统，其特征在于：当wx＝wy，矢量光场的尺寸随着传输距离发生收缩与扩散，即通过控制扭曲系数与传播距离等参数，可获得目标尺寸大小且携带需求偏振态分布的光场。
5.根据权利要求4所述的一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统，其特征在于：当设定wx和wy的值不等时，矢量光场随着传输距离发生旋转，从而对旋转角度进行调控。
6.根据权利要求5所述的一种基于扭曲相位调制的矢量光场尺寸与角度可控系统，其特征在于：旋转方向由扭曲相位的符号控制。
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