CN115390239B - 一种几何相位元件、及其设计方法和矢量光场产生装置 - Google Patents

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Abstract

一种几何相位元件、及其设计方法和矢量光场产生装置，涉及光场空间模式变换技术领域，用以解决现有技术无法实现精确的空间复振幅调控的问题。所述方法包括：从目标光场的空间复振幅中提取相位空间二维分布信息及振幅空间二维分布信息；在所提取的所述相位空间二维分布信息上叠加闪耀光栅相位结构获得相位掩膜版；将所提取的所述振幅空间二维分布信息转译为光栅衍射效率分布；将所述光栅衍射效率分布叠加到所述相位掩膜版上得到复振幅掩膜版；将所述复振幅掩膜版作为目标几何相位空间分布转译为几何相位元件的光轴取向的二维空间分布。生成一种具备空间复振幅调制能力的二元几何相位元件，实现高效、高精确产生任意矢量光场。

Description

一种几何相位元件、及其设计方法和矢量光场产生装置
技术领域
本发明涉及光场空间模式变换技术领域，具体涉及一种几何相位元件、及其设计方法和矢量光场产生装置。
背景技术
偏振态、振幅及相位呈现空间不均匀分布的傍轴光场称为矢量空间结构光场，简称矢量光场，其在现代光子学研究及应用中具有重要意义。任意矢量光场都可由一对正交标量空间(或称高阶激光)模式与对应正交偏振态的不可分离态(或称光学自旋-轨道耦合)完备描述。因此，制备矢量光场需要对调控光场在某一对正交偏振态下分别实施独立的空间复振幅(即振幅及相位)调制。
现有矢量光场的制备方法主要有两种技术路线。第一种是构建含有空间光调制器(SLM)的偏振干涉仪：干涉仪中的SLM，如硅基液晶(LCoS)或数字微镜(DMD)，对两路正交偏振光做空间复振幅调制，最终在偏振干涉仪的输出端得到任意目标矢量光场。例如2007年《New Journal of Physics》第9卷发表的《Tailoring of arbitrary optical vectorbeams》论证的技术原理。另一种是利用基于几何相位原理的二元光学元件：基于空间变取向液晶(LC)或介电超表面(Meta-surface)技术制备的空间变取向波片，该元件可对调控光场赋予光学偏振手性依赖的空间几何相位(即光学自旋-轨道耦合)，此过程等价于对调控光场的左、右旋偏振分量分别施加正交手性波前延迟。即2006年《Physical ReviewLetters》第96卷第16期发表的《Optical Spin-to-Orbital Angular MomentumConversion in Inhomogeneous Anisotropic Media》中所论述原理。
上述两种技术路线中都存在显著缺点：方案一需要LCoS或DMD主动式空间光调制设备，成本高且无法实现紧凑、易集成的光学结构；方案二虽然可实现紧凑的透射或反射式二元光学元件，然而其只具备空间相位调制能力，无法实现精确的空间复振幅调控，限制了应用范围。
发明内容
鉴于以上问题，本发明提出一种几何相位元件、及其设计方法和矢量光场产生装置，能够生成一种具备空间复振幅调制能力的二元几何相位元件，实现高效、高精确产生任意矢量光场。
根据本发明的一方面，提供一种几何相位元件设计方法，所述方法包括步骤：
从目标光场的空间复振幅中提取相位空间二维分布信息及振幅空间二维分布信息；
在所提取的所述相位空间二维分布信息上叠加闪耀光栅相位结构获得相位掩膜版；
将所提取的所述振幅空间二维分布信息转译为光栅衍射效率分布；
将所述光栅衍射效率分布叠加到所述相位掩膜版上得到复振幅掩膜版；
将所述复振幅掩膜版作为目标几何相位空间分布转译为几何相位元件的光轴取向的二维空间分布。
优选地，将所提取的所述振幅空间二维分布信息转译为光栅衍射效率分布包括：
将所述目标光场的相位分布函数φ(x,y)作为正一级衍射光场目标相位分布；
根据所述目标光场的振幅分布函数A(x,y)计算闪耀光栅相位深度分布函数M(x,y)∈[0,1]，即
Figure BDA0003807318950000021
其中，Ain(x,y)为入射待调控光场空间振幅分布；
将所述闪耀光栅相位深度分布函数M(x,y)叠加到闪耀光栅结构中获得在正一级衍射方向产生目标光场所需的几何相位空间分布α(x,y)，及在负一级衍射方向产生目标光场所需的几何相位空间分布α*(x,y)。
优选地，正一级衍射对应的所述几何相位空间分布α(x,y)与负一级衍射对应的所述几何相位空间分布α*(x,y)为共轭函数。
优选地，在所提取的所述相位空间二维分布信息上叠加闪耀光栅相位结构获得相位掩膜版包括：
根据二分一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵得到所述几何相位元件的光轴取向空间分布函数：
Figure BDA0003807318950000022
优选地，目标光场为拉盖尔-高斯光束
Figure BDA0003807318950000023
模式。
第二方面，本发明还提供一种几何相位元件，包括多个微元组成的微元阵列，所述微元阵列中各微元的光轴取向按照如上所述的设计方法确定。
优选地，所述微元阵列的材料为液晶或介电超表面。
第三方面，本发明还提供一种产生矢量光场的装置，其特征在于，包括按照如上所述的设计方法确定的几何相位元件、偏振光栅、双孔光阑、第一透镜和第二透镜，所述几何相位元件、第一透镜、双孔光阑、第二透镜和偏振光栅依次同轴排列构成的4f成像系统。
优选地，所述偏振光栅与所述几何相位元件中的闪耀光栅常数相同。
本发明的有益技术效果是：
本发明提出一种一种几何相位元件、及其设计方法和矢量光场产生装置，能够生成一种具备空间复振幅调制能力的二元几何相位元件，实现高效、高精确产生任意矢量光场，能够实现通过几何相位元件精密调控光场空间振幅、相位及偏振状态，以此元件为基础可以产生任意矢量光场，且结构紧凑、易于集成。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。
图1是本发明实施例中几何相位元件设计方法的流程图；
图2是本发明实施例中闪耀光栅结构获得正一级和负一级衍射方向产生目标光场的示意图；
图3是本发明实施例中右旋圆偏振LG1 +4(x,y)与左旋圆偏振态的LG1 -4(x,y)光束的示意图；
图4是本发明实施例中产生矢量光场的装置的示意图；
图5是本发明实施例中将任意偏振态的高斯光束转换为由LG1 ±4定义的自旋-轨道耦合空间中的相应任意矢量偏振态的可视化示例图；
图6是本发明实施例中理论及实验产生的矢量光场形貌对比结果示例图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，在下文中将结合附图对本发明的示范性实施方式或实施例进行描述。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式或实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种几何相位元件设计方法，所述几何相位元件包括多个微元组成的微元阵列，所述方法包括步骤：
S101、从目标光场的空间复振幅中提取相位空间二维分布信息及振幅空间二维分布信息；
S102、在所提取的所述相位空间二维分布信息上叠加闪耀光栅相位结构获得相位掩膜版；
S103、将所提取的所述振幅空间二维分布信息转译为光栅衍射效率分布；
S104、将所述光栅衍射效率分布叠加到所述相位掩膜版上得到复振幅掩膜版；
S105、将所述复振幅掩膜版作为目标几何相位空间分布转译为几何相位元件的光轴取向的二维空间分布。
本发明实施例的几何相位元件设计方法，使得设计出的几何相位元件具备空间复振幅调控能力，首先从目标光场的空间复振幅中提取相位及振幅的空间二维分布信息；在所提取空间相位分布信息上叠加闪耀光栅相位结构获得相位掩膜版，将所提取空间振幅分布信息转译为光栅衍射效率分布，并叠加到所述相位掩膜版得到复振幅掩膜版；将所述复诊振幅掩膜版作为目标几何相位空间分布转译为几何相位元件的光轴取向的二维空间分布，即完成了能够精确产生所述目标光场的几何相位元件设计。
本发明实施例中，所述相位掩膜版赋予入射光场的相位信息分布和传播方向，所述光栅衍射效率分布赋予入射光场的强度分布，二者叠加在一起构成复振幅掩膜版，该复振幅掩膜版是本发明实施例要实现的目标，但该复振幅掩膜版不能直接放到几何相位元件上，需要根据几何相位元件的工作原理转译等效成几何相位元件的光轴取向的分布，即利用几何相位元件来实现该复振幅掩膜版的功能。即该复振幅掩膜版(对应的相位与光栅分布)是预实现目标几何相位空间分布(目标光场)，转译为几何相位元件的光轴取向的二维空间分布。
本发明实施例中，步骤S103中将所提取的所述振幅空间二维分布信息转译为光栅衍射效率分布包括：
将所述目标光场的相位分布函数φ(x,y)作为正一级衍射光场目标相位分布；
根据所述目标光场的振幅分布函数A(x,y)计算闪耀光栅相位深度分布函数M(x,y)∈[0,1]，即
Figure BDA0003807318950000041
其中，Ain(x,y)为入射待调控光场空间振幅分布；
将所述闪耀光栅相位深度分布函数M(x,y)叠加到闪耀光栅结构中获得在正一级衍射方向产生目标光场所需的几何相位空间分布α(x,y)，及在负一级衍射方向产生目标光场所需的几何相位空间分布α*(x,y)。
其中，正一级衍射对应的所述几何相位空间分布α(x,y)与负一级衍射对应的所述几何相位空间分布α*(x,y)为共轭函数。
本发明实施例中，当左(或右)旋圆偏振高斯光束入射所述几何相位元件时，该元件的正(或负)一级衍射方向将出射目标光场(或共轭目标光场)；当线偏振光入射时，目标光场及其共轭光场将同时出现在所述元件的正、负一级衍射方向。
本发明实施例中，步骤S102中在所提取的所述相位空间二维分布信息上叠加闪耀光栅相位结构获得相位掩膜版包括：
根据二分一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵得到所述几何相位元件的光轴取向空间分布函数：
Figure BDA0003807318950000051
目标光场为拉盖尔-高斯光束
Figure BDA0003807318950000052
模式。
本发明实施例中，以基于LC(Liquid Crystal，液晶)空间变取向波片为物理载体、拉盖尔-高斯光束
Figure BDA0003807318950000053
模式为目标光场，演示所述几何相位元件设计方法：将目标光场的空间复振幅可表示为振幅A(x,y)和相位分布φ(x,y)的乘积，即
Figure BDA0003807318950000054
所述几何相位元件的设计方法根据公式(1)所示目标光场进行逆向设计：首先，将φ(x,y)作为正一级衍射光场目标相位分布，并叠加闪耀光栅相位(光栅常数按需设置)。然后，为实现空间强度调制，根据目标光场振幅分布函数A(x,y)计算闪耀光栅相位深度分布函数
Figure BDA0003807318950000057
即
Figure BDA0003807318950000055
式中Ain(x,y)为入射待调控光场空间振幅分布(本发明实施例中为高斯分布)。将函数M(x,y)叠加到闪耀光栅结构中，即可获得在正一级衍射方向产生目标光场
Figure BDA0003807318950000056
所需的几何相位空间分布α(x,y)，及其共轭函数α*(x,y)(对应于在负一级衍射方向产生/>
Figure BDA0003807318950000061
)，如图2所示。
为实现对入射高斯光束的左、右旋圆偏振部分分别施加α(x,y)及α*(x,y)的空间几何相位，根据二分一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵可得到目标几何相位元件所需的光轴取向空间分布函数
Figure BDA0003807318950000062
至此，便完成了所述新型几何相位元件(LC基空间变取向波片)的设计。
本发明实施例中，琼斯矩阵是一种描述光的偏振状态或器件更改入射光偏振特性的描述矩阵，可以用现有的理论，本实施例中不再赘述。
如图3所示，展示使用上述的波片所产生的效果，当线偏振高斯光束入射所设计几何相位元件(本实施例中以液晶基空间变取向波片为例)时，将在正、负一级衍射方向分别产生右旋圆偏振
Figure BDA0003807318950000063
与左旋圆偏振态的/>
Figure BDA0003807318950000064
光束。
本发明实施例设计的几何相位元件，通过目标光场的光强分布信息或者振幅空间二维分布信息转译为微元阵列上每个微元上是否存在光栅、光栅的深浅信息，从而实现光强或者振幅的调制，通过目标光场的相位空间二维分布信息设计微元阵列上每个微元的相位角度或者光轴取向均匀变化，从而实现相位调制。
本发明实施例还提供一种几何相位元件，包括多个微元组成的微元阵列，所述微元阵列中各微元的光轴取向按照如上所述的设计方法确定。
即通过如下步骤获得微元阵列中各微元的光轴取向：
从目标光场的空间复振幅中提取相位空间二维分布信息及振幅空间二维分布信息；
在所提取的所述相位空间二维分布信息上叠加闪耀光栅相位结构获得相位掩膜版；
将所提取的所述振幅空间二维分布信息转译为光栅衍射效率分布；
将所述光栅衍射效率分布叠加到所述相位掩膜版上得到复振幅掩膜版；
将所述复振幅掩膜版作为目标几何相位空间分布转译为几何相位元件的光轴取向的二维空间分布。
本发明实施例中，所述微元阵列的材料为液晶或介电超表面。
如图4所示，一种产生矢量光场的装置，包括按照如上所述的设计方法确定的几何相位元件(本实施例中以液晶基空间变取向波片为例)、偏振光栅、双孔光阑、第一透镜和第二透镜，所述几何相位元件、第一透镜、双孔光阑、第二透镜和偏振光栅依次同轴排列构成的4f成像系统。
本发明实施例中所述偏振光栅与所述几何相位元件中的闪耀光栅常数相同，即所述偏振光栅与所述几何相位元件中强度调制的二作用相同。
本发明实施例的装置由上述设计的几何相位元件、常规偏振光栅、由透镜1、2构成的4f成像中继镜组、以及双孔光阑构成。其中，所述常规偏振光栅与所设计几何相位元件中的光栅常数一致；双孔光阑置于透镜1和2的焦平面处，用以滤除所述几何相位元件的0级衍射噪声。其中，透镜1和透镜2的光学参数相同。
如图4所示，入射高斯光束通过几何相位元件，分为左旋偏振光、右旋偏振光、0级衍射光束，经过第一透镜实现三束光的分离，利用双孔光澜挡掉0级衍射光束，使得左旋偏振光、右旋偏振光通过，经过第二透镜汇聚至偏振光栅进行合束，形成输出光束。
如图5所示，该装置能够将任意偏振态的高斯光束转换为由LG1 ±4定义的自旋-轨道耦合空间中的相应任意矢量偏振态。
本发明实施例中基于上述几何相位元件的能够产生与目标广场对应的矢量光场，能够将任意标量偏振态(即偏振庞加莱球上任意一点)的入射高斯光束转换为对应的任意矢量光束(即高阶庞加莱球上任意一点)。所述产生矢量光场的装置中常规偏振光栅与所设计的几何相位元件具有相同的光栅常数，二者分别置于所述4f成像透镜组的物方及像方平面处；所述双孔光阑置于4f成像透镜组的中间用于过滤所设计几何相位元件的零级衍射噪声。
当处于任意标量偏振态(即偏振庞加莱球上某一点)的高斯光束从所设计的几何相位元件一端进入所述装置、从所述常规偏振光栅一端出射所述装置时，将被转换为相应的任意矢量光束(即高阶庞加莱球上对应一点)。
本发明实施例中的几何相位元件及产生矢量光场的装置的性能，以图5中高阶庞加莱球上点(即①-⑤)为例，图6(a)和6(b)分别展示了理论及实验产生的矢量光场形貌对比。经过上述对比可知，本发明实施例的几何相位元件及产生矢量光场的装置能够精确调控光场振幅、相位与偏振的空间结构，同时具备低成本、紧凑易集成的优点。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。
本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。
此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。
如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。

Claims (7)

1.一种几何相位元件设计方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
从目标光场的空间复振幅中提取相位空间二维分布信息及振幅空间二维分布信息；
在所提取的所述相位空间二维分布信息上叠加闪耀光栅相位结构获得相位掩膜版；
将所提取的所述振幅空间二维分布信息转译为光栅衍射效率分布；
将所述光栅衍射效率分布叠加到所述相位掩膜版上得到复振幅掩膜版；
将所述复振幅掩膜版作为目标几何相位空间分布转译为几何相位元件的光轴取向的二维空间分布；
将所提取的所述振幅空间二维分布信息转译为光栅衍射效率分布包括：
将所述目标光场的相位分布函数φ(x,y)作为正一级衍射光场目标相位分布；
根据所述目标光场的振幅分布函数A(x,y)计算闪耀光栅相位深度分布函数M(x,y)∈[0,1]，即
Figure FDA0004088941190000011
其中，Ain(x,y)为入射待调控光场空间振幅分布；
将所述闪耀光栅相位深度分布函数M(x,y)叠加到闪耀光栅结构中获得在正一级衍射方向产生目标光场所需的几何相位空间分布α(x,y)，及在负一级衍射方向产生目标光场所需的几何相位空间分布α*(x,y)；
在所提取的所述相位空间二维分布信息上叠加闪耀光栅相位结构获得相位掩膜版分布包括：
根据二分一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵得到所述几何相位元件的光轴取向空间分布函数：
Figure FDA0004088941190000012
2.根据权利要求1所述的几何相位元件设计方法，其特征在于：正一级衍射对应的所述几何相位空间分布α(x,y)与负一级衍射对应的所述几何相位空间分布α*(x,y)为共轭函数。
3.根据权利要求1所述的几何相位元件设计方法，其特征在于：目标光场为拉盖尔-高斯光束LG1 ±4模式。
4.一种几何相位元件，其特征在于，包括多个微元组成的微元阵列，所述微元阵列中各微元的光轴取向按照如权利要求1-3中任一项所述的设计方法确定。
5.根据权利要求4所述的几何相位元件，其特征在于，所述微元阵列的材料为液晶或介电超表面。
6.一种产生矢量光场的装置，其特征在于，包括按照如权利要求1-3中任一项所述的设计方法确定的几何相位元件、偏振光栅、双孔光阑、第一透镜和第二透镜，所述几何相位元件、第一透镜、双孔光阑、第二透镜和偏振光栅依次同轴排列构成的4f成像系统。
7.根据权利要求6所述的产生矢量光场的装置，其特征在于，所述偏振光栅与所述几何相位元件中的闪耀光栅常数相同。
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