CN116699878A - 一种基于非线性晶体电光效应的矢量光场偏振态调制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于非线性光学晶体电光效应的矢量光场偏振态调制系统和方法。该系统主要由涡旋光发生系统、偏振态调制系统和检测系统构成。利用涡旋光发生系统产生涡旋光场；通过偏振态调制系统生成具有相反拓扑荷的一对两正交线偏振分量，并对其相对强度和相位差进行调制；通过四分之一波片将正交线偏振分量转化为正交圆偏振分量，并叠加产生矢量光场。在偏振态调制系统中，两正交线偏振分量的相对强度和相位差通过两片电光晶体实现，由于晶体的电光效应，其折射率可通过外加电场进行控制，从而可以在不移动任何光学元件的情况下，实现对输出矢量光场偏振态的调制，为其在芯片等小尺寸器件中的应用提供了可能。
Description
技术领域
本发明涉及适合矢量光场的偏振态调制，特别是一种基于非线性晶体电光效应的矢量光场偏振态调制系统。
背景技术
偏振是光的重要特性之一。相比于偏振态均匀分布的标量光场，具有非均匀偏振态分布的矢量光场具有许多新奇的特性，这使得矢量光场在诸多领域被研究和应用，例如超分辨成像、焦场定制、粒子捕获和操纵、数据存储以及光通讯等。在此驱动下，许多生成矢量光场的方法被提出，尤其是用于产生柱对称光场的方法。这些方法大致可以分为直接和间接两类。前者通常基于特定的光学元件，例如空变相位延迟器、锥形Brewster棱镜、q-plate、超表面材料等。而在间接方法中，液晶空间光调制器(LCSLM)和螺旋相位板通常被用于产生涡旋光束，柱对称光场可以通过在Mach-Zehnder、Sagnac以及其他类型的干涉装置中使两个本征态叠加得到。
柱对称矢量光场是一种典型的矢量光场，其偏振态分布可以用高阶庞加莱球上的一个点来表示。高阶庞加莱球是由Stokes参量定义的单位半径为的单位球体，其中|l|为偏振阶数。在直角坐标系中，高阶庞加莱球上的坐标由Stokes参量表示，定义为/>直角坐标系与球极坐标系之间存在关系
其中(2χ,2ψ)为球极坐标系中的坐标，-π/4≤χ≤π/4，0≤ψ≤π。2χ和2ψ分别对应光场偏振态的椭圆率和方位角。在基于干涉仪的矢量光场生成方案中，可以通过控制两个本征态的相对强度和相位差来改变输出光场偏振态的椭圆率和方位角。传统方法中，这一过程是利用旋转的半波片和偏振分光棱镜来实现的。但是在改变输出光场偏振态的过程中，光学元件的移动以及来自电机的机械振动会影响光场的稳定性。此外，光场偏振态只能逐渐改变，无法直接快速地切换到目标偏振态。
发明内容
本发明的目的是解决现有方案中偏振态调制速度慢、灵活性差以及存在机械振动的问题，提出一种矢量光场偏振态(包括椭圆率和方位角)调制系统。本发明中，两片非线性光学晶体被用作电光调制器，通过改变加载到晶体上的电压来控制输出矢量光场的偏振态。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于非线性晶体电光效应的矢量光场偏振态调制系统，包括：
涡旋光发生系统，用于产生涡旋光场；
偏振态调制系统，包括Mach-Zehnder干涉系统，所述系统的分束和合束部分采用偏振分光棱镜；第一电压源V1和第二电压源V2，所述电压源可对输出电压进行连续调节；第一电光晶体C1，所述第一电光晶体C1位于Mach-Zehnder干涉系统的输入端，其光轴与水平方向成45°放置；第二电光晶体C2，所述第二电光晶体C2位于Mach-Zehnder干涉系统的反射臂，光轴沿水平方向放置；所述第一电光晶体C1和第二电光晶体C2中，与晶体光轴垂直的两面镀金属电极，并分别连接第一电压源V1和第二电压源V2的正负极；Dove棱镜，所述Dove棱镜位于Mach-Zehnder干涉系统的透射臂，用以实现透射分量涡旋拓扑荷的反转；四分之一波片，所述四分之一波片的光轴与水平方向成45°放置，用于将Mach-Zehnder干涉系统的输出光场转化为矢量光场；
偏振态检测系统，包括光轴水平放置的四分之一波片和可旋转的检偏器构成的偏振态检测系统，用于对生成矢量光场的偏振态进行检测。
经过扩束和准直的入射光，经过涡旋光发生系统后，生成偏振态为水平线偏振的涡旋光场；在第一电光晶体C1处，通过第一电压源V1控制第一电光晶体C1两端的电压，从而控制经过第一电光晶体C1后，光束中水平和竖直偏振分量的强度比，进而控制输出光场偏振态的椭圆率；经过第一电光晶体C1后的光束在Mach-Zehnder干涉系统的分束镜处被分束，透射光束为水平偏振，反射光束为竖直偏振。透射光束通过Dove棱镜实现拓扑荷反转，反射光束通过第二电光晶体C2，由第二电压源V2控制第二电光晶体C2两端的电压，进而控制透射光束与反射光束之间的相位差，实现对输出光场偏振态方位角的控制；两束光在Mach-Zehnder干涉系统的输出端合束；
具有相反涡旋拓扑荷的一对正交线偏振光经过光轴与水平方向成45°放置的四分之一波片后，转化为正交圆偏振光，并叠加得到矢量光场；
本发明的技术效果：
本发明利用非线性晶体的电光效应能够实现矢量光场偏振态的电光调制；
系统在偏振态切换过程中无需移动任何光学元件，避免了机械振动对光场的影响，提高了系统的稳定性；
镀在晶体两端的电极几乎不占用空间，有利于系统的集成化和小型化，为该系统在小尺寸器件中的应用提供了条件；
由于线性电光效应对电场的响应时间短，且外加电压信号可灵活控制，使得输出矢量光场的偏振态调节可以更加快速和灵活。
附图说明
图1为本发明一种基于非线性晶体电光效应的矢量光场偏振态调制系统的原理图；
图2为本发明中电光晶体电压施加方式示意图；
图3为本发明中一实施例的结果示意图；
图4为本发明中一实施例的结果示意图；
图5为本发明中一实施例的结果示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行具体说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
图1是本发明的系统原理图。通常情况下，利用干涉装置产生矢量光场的过程，可以视为两个本征偏振态的叠加过程，例如两个正交圆偏振基矢{eL,eR}的叠加，利用Jones矩阵可以将其表示为其中的角标T表示矩阵的转置。
如图1所示，经过扩束和准直的水平线偏振光，其Jones矩阵可以表示为[1,0]T。反射式纯相位LCSLM为涡旋发生器，LCLSM上加载螺旋相位exp(ilφ)，其中l为该螺旋相位的拓扑荷。经LCSLM反射后，单色平面波被转化成带有相应拓扑荷的涡旋光束，[exp(ilφ),0]T。第一电光晶体C1的光轴与水平方向成45°放置，其作用为调节系统输出矢量光场偏振态的椭圆率。第一电光晶体C1对光场的作用可用Jones矩阵表示为
其中为第一电光晶体C1在电场中的双折射系数，R(θ)为坐标旋转矩阵，θ＝45°，L为第一电光晶体C1的长度，γC1为第一电光晶体C1的电光系数，no1和ne1分别为第一电光晶体C1中o光和e光的折射率。E1＝U1/d为第一电光晶体C1所处电场强度，U1和d分别为第一电光晶体C1两端电压值以及电极间的距离。偏振分光棱镜PBS1将入射涡旋光束分为透射和反射两部分，其中透射光束为水平偏振，反射光束为竖直偏振。通过第一电压源V1改变第一电光晶体C1两端的电压可以控制两个正交偏振分量的强度比
η(E1)＝cot2[πΓ(E1)L/λ] (2)
透射光束在传输过程中经过Dove棱镜，实现涡旋拓扑荷反转，使得两个正交偏振分量具有相反的涡旋相位exp(±ilφ)。第二电光晶体C2位于反射光路中，其光轴沿水平方向，长度与第一电光晶体C1相同。当反射光束经过第二电光晶体C2时会引入相移
其中E2＝U2/d为第二电光晶体C2所处的电场强度，U2为第二电光晶体C2两端电压值。通过改变第二电光晶体C2两端的电压值，可以控制两个偏振分量之间的相位差，进而控制输出高阶庞加莱光束的方位角。M1与M2为反射镜，通过对其位置的调节，使得当U2＝0时，两个偏振分量之间的相位差为0或2nπ(n为整数)。经过偏振分光棱镜PBS2合束后的光场可以表示为
透镜L1和L2构成4f系统，将合束后的光场成像到电荷耦合器件(CCD)所在的记录平面。四分之一波片(QWP1)光轴与水平方向成45°放置，用于将水平和竖直偏振分量分别转化为右旋和左旋圆偏振分量。利用两个正交圆偏振基矢{eL,eR}，可以将记录面上的光场表示为
为了使结果的表达而更加简洁，(5)式中省略了常相位因子。
图2以DKDP晶体为例给出了电光晶体光轴c、光束入射方向以及电压V之间的关系。
下面给出具体实现上述方法的实验例：
实验中我们使用中心波长为632.8nm的He-Ne激光作为光源。第一电光晶体C1和第二电光晶体C2均为含氘量98％的KD2PO4(DKDP)晶体(10×10×20mm，θ＝90°，)，其电光系数γ63＝25.8pm/V。第一电光晶体C1和第二电光晶体C2的透光面进行了抛光并镀增透膜。为实现电光调制，第一电光晶体C1和第二电光晶体C2与光轴垂直的两面镀有金属电极并用绝缘材料进行封装，通过第一电压源V1和第二电压源V2分别控制其两端的电压。第一电压源V1和第二电压源V2的调节范围为0-10kV，调节精度为0.2kV。
在只将第一电光晶体C1插入光路的情况下，可对输出矢量光场的椭圆率进行调制，产生处于高阶庞加莱球同一条经线但不同纬度的矢量光场。为了验证其效果，通过第一电压源V1设置第一电光晶体C1两端的电压U1为2.2、2.8、3.4、4.0以及4.6kV，产生l＝+2的高阶庞加莱球上2ψ＝0，2χ分别为-0.353π、-0.188π、-0.045π、0.143π以及0.309π处的柱对称矢量光束。图3(a)中给出了生成的柱对称矢量光束在高阶庞加莱球上的坐标，并分别标记为A1-A5；图3(b)为生成柱对称矢量光场的强度分布图样，其中第一列为光场强度以及偏振态分布的模拟结果，其他三列从左至右分别为不加检偏器、检偏器透振方向沿水平和竖直方向时，在实验中记录的光场强度分布；图3(c)为对应光场的Stokes参量分布，相应的光场强度和Stokes参量分布的模拟结果在实验结果的右上角给出。为了更加直观的表示光场椭圆率随电压的变化，图3(d)中给出了Stokes参量S3随外加电压U1的变化曲线，其中实线为理论计算结果，圆点为实验测量结果。
在只将第二电光晶体C2插入光路的情况下，可对矢量光场偏振态的方位角进行调制，产生位于高阶庞加莱球同一条纬线但不同经度的矢量光场。实验中，通过第二电压源V2设置第二电光晶体C2两端的电压U2为0、1.8、3.6和5.4kV，我们产生了位于l＝+2高阶庞加莱球赤道上，坐标为(0,0)、(0,π/2)、(0,π)和(0,3π/2)处的柱对称矢量光场，其位置标记为B1-B4，如图4(a)所示。图4(b)的第一列给出了B1-B4处光场强度以及偏振态分布的模拟结果，另外三列分别为未加检偏器、检偏器透振方向沿水平和竖直方向时的光场强度分布，以及对应的模拟结果；图4(c)为生成矢量光场的Stokes参量分布及对应的模拟结果。
通过将第一电光晶体C1和第二电光晶体C2同时插入到系统中，并分别控制第一电光晶体C1和第二电光晶体C2两端的电压，可以同时对生成柱对称矢量光场偏振态的椭圆率和方位角进行调制。我们生成了位于高阶庞加莱球(l＝+2)上的柱对称矢量光场，图5(a)中给出了所生成的矢量光场在高阶庞加莱球上的位置，并标记为D1-D4。实验中，为产生上述柱对称矢量光场，第一电光晶体C1两端的电压U1被设置为2.8kV，同时第二电光晶体C2两端的电压U2被设置为1.8和3.6kV，分别产生位于D1(-0.188π,π/2)和D2(-0.188π,π)处的柱对称矢量光场。光场的偏振态分布、未加检偏器时以及检偏器透振方向沿水平和竖直方向时的光场强度分布如图5(b)所示，对应的光场Stokes参量分布如图5(c)所示。为生成位于D3(0.143π,π/2)和D4(0.143π,π)处的柱对称矢量光场，第一电光晶体C1两端电压U1被设置为4.0kV，第二电光晶体C2两端电压U2分别设置为1.8和3.6kV。生成矢量光场的强度、Stokes参量分布的实验和模拟结果如图5(d)和(e)所示。
以上所述仅为本申请的实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于非线性晶体电光效应的矢量光场偏振态调制系统，其特征在于，包括：
涡旋光发生系统，用于产生涡旋光场；
偏振态调制系统，包括Mach-Zehnder干涉系统、第一电光晶体(C1)、第二电光晶体(C2)、Dove棱镜、第一电压源(V1)、第二电压源(V2)和四分之一波片(QWP1)；所述第一电光晶体(C1)位于Mach-Zehnder干涉系统的输入端，其光轴与水平方向成45°放置；第一电光晶体(C1)与晶体光轴垂直的两面镀金属电极，并分别与第一电压源(V1)正负极连接；所述第二电光晶体(C2)位于Mach-Zehnder干涉系统的反射臂或者输出端，其光轴沿水平方向放置；第二电光晶体(C2)与晶体光轴垂直的两面镀金属电极，并分别与第二电压源(V2)正负极连接；所述Dove棱镜位于Mach-Zehnder干涉系统的透射臂，用以实现透射分量涡旋拓扑荷的反转；所述四分之一波片(QWP1)的光轴与水平方向成45°放置，用于将两个正交线偏振分量转换为正交圆偏振分量，并叠加产生矢量光场；
偏振态检测系统，为光轴沿水平方向的四分之一波片(QWP2)与检偏器(P)，用于对输出光场的偏振态进行检测；
所述的涡旋光发生系统产生的水平线偏振涡旋光束经过电光晶体(C1)，利用第一电压源(V1)调节两个正交偏振分量的相对强度，并在Mach-Zehnder干涉系统输入端分束为水平偏振的透射光和竖直偏振的反射光，所述的透射光在经过Dove棱镜时实现涡旋拓扑荷反转，所述的反射光在经过第二电光晶体(C2)时，利用第二电压源(V2)调节其相位延迟量；两束偏振态相互正交的线偏振光在Mach-Zehnder干涉系统输出端合束，经过四分之一波片(QWP1)转化为正交圆偏振分量，并叠加产生矢量光场。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的第一电光晶体(C1)与晶体光轴垂直的两面镀金属电极，并分别与第一电压源(V1)正负极连接。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的第二电光晶体(C2)与晶体光轴垂直的两面镀金属电极，并分别与第二电压源(V2)正负极连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，利用第一电压源(V1)对第一电光晶体(C1)两端电压的控制，可以控制两正交偏振分量的强度比，从而控制输出矢量光场偏振态的椭圆率，所述的两正交偏振分量强度比与第一电压源(V1)之间的关系满足如下公式：
η(E1)＝cot2[πΓ(E1)L/λ]
其中，为第一电光晶体(C1)在电场中的双折射系数，L为第一电光晶体长度，γC1为第一电光晶体(C1)电光系数，no1和ne1分别为第一电光晶体(C1)晶体中o光和e光的折射率，E1＝U1/d为第一电光晶体(C1)所处电场强度，U1和d分别为第一电压源(V1)加载到第一电光晶体(C1)两端电压值以及电极间的距离。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，利用第二电压源(V2)调节第二电光晶体(C2)两端的电压，可以控制两个正交偏振分量之间的相位差，进而控制输出矢量光场偏振态的方位角。Mach-Zehnder干涉系统反射臂中，竖直偏振的反射光束在经过第二电光晶体(C2)时，引入的相移满足公式
其中，γC2为第二电光晶体(C2)电光系数，no2为第二电光晶体(C2)晶体中o光的折射率，E2＝U2/d为第二电光晶体(C2)所处的电场强度，U2为第二电压源(V2)加载到第二电光晶体(C2)两端的电压值。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当电光晶体(C2)位于Mach-Zehnder干涉系统输出端时，通过电压源(V2)调节电光晶体(C2)两端的电压，可以控制两个正交偏振分量之间的相位差，进而控制输出矢量光场偏振态的方位角。经过电光晶体(C2)时在两个正交偏振分量间引入的相移满足公式
其中，γC2为第二电光晶体(C2)电光系数，no2和ne2分别为第二电光晶体(C2)中o光和e光的折射率，E2＝U2/d为电光晶体(C2)所处的电场强度，U2为第二电压源(V2)加载到第二电光晶体(C2)两端的电压值。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电光晶体(C1)和第二电光晶体(C2)采用纵向电光调制、横向电光调制的DKDP晶体或KDP晶体，以及BBO、铌酸锂晶体作为电光晶体。
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| CN202210176837.6A CN116699878A (zh) | 2022-02-25 | 2022-02-25 | 一种基于非线性晶体电光效应的矢量光场偏振态调制系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210176837.6A CN116699878A (zh) | 2022-02-25 | 2022-02-25 | 一种基于非线性晶体电光效应的矢量光场偏振态调制系统 |
Publications (1)
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| CN116699878A true CN116699878A (zh) | 2023-09-05 |
Family
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Family Applications (1)
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| CN202210176837.6A Pending CN116699878A (zh) | 2022-02-25 | 2022-02-25 | 一种基于非线性晶体电光效应的矢量光场偏振态调制系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117148601A (zh) * | 2023-10-27 | 2023-12-01 | 清华大学 | 生成不同方位角的线偏振光的装置及激光加工方法 |
-
2022
- 2022-02-25 CN CN202210176837.6A patent/CN116699878A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117148601A (zh) * | 2023-10-27 | 2023-12-01 | 清华大学 | 生成不同方位角的线偏振光的装置及激光加工方法 |
| CN117148601B (zh) * | 2023-10-27 | 2024-01-02 | 清华大学 | 生成不同方位角的线偏振光的装置及激光加工方法 |
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