WO2023240741A1 - 一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置 - Google Patents

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WO2023240741A1
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array
full
polarization
poincaré sphere
matrix
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PCT/CN2022/107026
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陈亚红
刘永雷
王飞
蔡阳健
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苏州大学
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
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    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining

Definitions

  • the invention relates to the technical field of information optics, and in particular to a method and device for generating a full Poincaré sphere polarized array beam.
  • Structured light fields have multiple degrees of freedom in terms of amplitude, phase, polarization and coherence structure, and have unique advantages in a variety of applications.
  • structured light beams with array distribution as a typical structured light, have unique advantages and utilization value in a variety of practical applications, such as multi-nanoparticle capture, non-destructive multiple manipulation of living organisms, multi-dimensional optical information encryption, etc.
  • it can also be applied to large-capacity and high-power free-space optical communications.
  • various types of scalar or vector array beams have been proposed theoretically and generated experimentally, such as laser irradiation periodic amplitude masks to spatial light modulators and metasurface array generation.
  • Optical coherence and polarization play an important role in controlling the beam and its transmission characteristics, achieving beam shaping, and reducing the negative effects caused by turbulence and other media in complex environments. Therefore, in particle manipulation, free space light It has wider applications in communications, image resolution enhancement, optical imaging and other fields.
  • polarization information as a powerful degree of freedom, also has important application prospects in multi-dimensional information encryption, storage and large-capacity communications. Therefore, it is of great practical significance to use coherent structure and polarization control to generate array beams.
  • the existing technology can only generate a single radially or angularly polarized array beam, and requires the use of complex optical components (such as radial polarization converters) to directly convert the generated scalar array beam into a radially polarized array beam.
  • this experiment can only produce a single polarization array.
  • the optical components must be changed accordingly, which increases the complexity and cost of the system and greatly limits its practical application. flexibility. Therefore, at this stage, how to simultaneously generate more complex and polarization-controllable array beams without changing the experimental device is a problem that needs to be solved.
  • the purpose of the present invention is to provide a method and device for generating a full Poincaré sphere polarized array beam, so as to solve the problem that in the existing technology, the far-field array polarization information at this stage can only be generated in a single way, and the far-field array beam cannot be customized flexibly and conveniently. Polarization problem.
  • the present invention provides a method for generating a full Poincaré sphere polarization array beam, which includes:
  • Illuminating the preset array mask with a fully coherent beam to generate multiple spots Illuminating the preset array mask with a fully coherent beam to generate multiple spots, encoding the preset array mask information into the coherent structure of the partially coherent beam, and generating a partially coherent beam based on the spot width and the distance between any two spots.
  • coherence matrix
  • the full Poincaré sphere polarization matrix is superimposed, and the size of the first topological charge and the second topological charge and the latitude and longitude angles of the full Poincaré sphere are adjusted to obtain any full Poincaré sphere polarization state.
  • the synthesized vector full Poincaré sphere partially coherent beam is transmitted to the far field, and the polarization matrix is measured in the far field to obtain a partially coherent array beam in any full Poincaré sphere polarization state.
  • the coherence matrix for generating a partially coherent beam based on the spot width and the distance between any two spots includes:
  • the completely coherent beam passes through the preset array mask to generate multiple light spots, and the spot width ⁇ ⁇ of each light spot is determined;
  • r 1 and r 2 are any two positions at the light source, ⁇ and ⁇ are the ⁇ and ⁇ directions at the r position respectively, ⁇ is the wavelength, f is the focal length of the Fourier transform lens, and v represents the spatial position vector. , i is an imaginary number, p ⁇ is the weight matrix element corresponding to ⁇ ⁇ (r 1 -r 2 );
  • p ⁇ (v) can be regarded as the superposition of N shifted Gaussian functions
  • d is the distance between any two light spots
  • B ⁇ is the correlation coefficient between the electric fields E ⁇ (r) and E ⁇ (r)
  • ⁇ ⁇ is the spot width of a single spot
  • C 0 is a fixed constant
  • a 0 i2 ⁇ nd/ ⁇ f
  • d is the distance between any two light spots.
  • the superposition of the full Poincaré sphere polarization matrix based on the coherence matrix of the partially coherent beam includes:
  • C 0 is a fixed constant
  • r 1 and r 2 are any two positions at the light source
  • ⁇ and ⁇ are the ⁇ and ⁇ directions at the r position respectively
  • U is the electric field
  • a 0 i2 ⁇ nd/ ⁇ f
  • ⁇ Wavelength
  • i is an imaginary number
  • f is the focal length of the Fourier transform lens
  • ⁇ 0 is the coherence length of the constructed vector beam;
  • k 2 ⁇ / ⁇
  • ⁇ is the wavelength
  • i is an imaginary number
  • ⁇ j ( ⁇ jx , ⁇ jy )
  • j 1,2, which represents any two position vectors of the output surface
  • A, B, C, D It is the transmission matrix element of the optical system.
  • a ⁇ ( ⁇ ) (r) ⁇ ⁇ ( ⁇ ) (r)exp(ikAr 2 /2B), the superscript ⁇ represents Fourier transform, Represents the convolution operation, ⁇ ⁇ is the coherence matrix of the partially coherent beam.
  • the method of controlling the magnitude of the first topological charge and the second topological charge and the latitude and longitude angles of the full Poincaré sphere to obtain any full Poincaré sphere polarization state includes:
  • ⁇ [0, ⁇ ] and ⁇ [0,2 ⁇ ] are the latitude angle and longitude angle of the Poincaré sphere respectively;
  • Array beam generation component used to generate partially coherent beams with array mask information
  • Array mask used to generate multiple spots from the expanded fully coherent beam to obtain a partially coherent beam
  • the third thin lens used to focus the first linearly polarized light and the second linearly polarized light;
  • the first quarter-wave plate and the second quarter-wave plate are used to regulate the focused first positive primary light and the second positive primary light into right-handed polarized light and left-handed polarized light respectively;
  • the full Poincare sphere polarization array beam generating component includes a fifth thin lens and a charge coupled element;
  • the fifth thin lens used to focus the synthesized vector partially coherent beam
  • the first half-wave plate and the second half-wave plate adjust the longitude angle of the Poincaré sphere by adjusting the angle between them.
  • the method and device for generating a fully Poincaré sphere polarized array beam uses a preset array mask to pass a completely coherent beam through a preset array mask to generate multiple spots. According to the spot width and any two spots, The distance between them encodes the array mask information into the coherence matrix; the coherence matrix with the array mask information is loaded into the beam-customized full Poincaré sphere polarization matrix to achieve joint control of the coherent structure and polarization information, and the beam Transmitted to the far field, a partially coherent array beam with the same polarization information as the light source is finally obtained.
  • the core of the present invention is to provide a method and device for generating a full Poincaré sphere polarization array beam.
  • the present invention generates multiple light spots by passing a completely coherent beam through a preset array mask, and encodes the array mask information into a coherence matrix.
  • a weight matrix with an array distribution form is designed to obtain coherence.
  • Matrix element load the beam with array mask information to customize the Poincaré sphere polarization state, achieve joint control of the coherent structure and polarization information, transmit the beam to the far field, and finally obtain an array beam with the same polarization information as the light source.
  • Higher-order polarization states can be characterized by points on the entire Poincaré sphere, and the field at any point on the entire Poincaré sphere can be represented by the North Pole electric field. and south pole field Overlay for characterization. in, and and are the unit vectors on the x and y planes;
  • ⁇ [0, ⁇ ] and ⁇ [0,2 ⁇ ] are the latitude and longitude angles of the entire Poincaré sphere. And by adjusting the topological charges l1 and l2 and different latitude and longitude angles, different full Poincaré polarization states can be obtained.
  • the corresponding formula (10) is expressed as:
  • A, B, C, and D are the transmission matrix elements of the optical system.
  • the optical The transmission matrix elements of the system are expressed as:
  • the light intensity distribution, polarization state and polarization degree distribution in the far field can be obtained:
  • the light intensity distribution and polarization degree distribution of the full Poincaré sphere polarization array beam can also be expressed as:
  • the polarization state characteristics of the array beam can be flexibly customized.
  • the present invention also provides a device for generating a full Poincaré sphere polarized array beam.
  • Figure 2 is a structural block diagram of a device for generating a full Poincaré sphere polarized array beam provided by an embodiment of the present invention. The beams produced by all components are parallel; as follows:
  • a 2f imaging system is constructed through a thin lens L2(7) with a focal length f, and the coherent structure of the generated partially coherent beam with array mask information is imaged to the spatial light modulator SLM(8).
  • the spatial light modulator (8) Connected to computer PC2 (21), computer PC2 loads vortex phase holograms with orders l1 and -l2, and then the beam introduces controllable vortex phases with topological charge orders l1 and l2 through SLM, where L1 to The distances from L2 and L2 to SLM1 are both 2f.
  • the positive first-level light from the equally divided screen spatial light modulator is filtered out by the light shield (10) respectively.
  • the two positive first-level lights pass through the second attenuator and the third attenuator (11) respectively, and pass through the thin lens L4 ( 12), then use the first quarter-wave plate and the second quarter-wave plate (13) to control the two positive first-order lights into right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light respectively, and finally use Lang Qi
  • the grating (14) is stably synthesized into a full Poincaré sphere polarization matrix with controllable order, in which the spatial light modulator (8) is connected to the lens L3 (9), the lens L3 (9) is connected to the shading plate (10), and the shading plate ( 10)
  • the distance to the thin lens L4 (12) and the thin lens L4 (12) to the Ronchi grating (14) are equal to f.
  • the intensity ratio between polarized lights can then be used to control the latitude angle ⁇ of the entire Poincaré sphere.
  • the light emitted from the Ronchi grating (14) is reflected by the reflector (15) and then reaches the first half-wave plate (16) and the second half-wave plate (17). Adjust the first half-wave plate (16) and the second half-wave plate (17).
  • the angle between the wave plates (17) can be used to adjust the longitude angle ⁇ of the entire Poincaré sphere.
  • the placement position of the reflector is adjusted during the actual experimental operation.
  • the latitude angle ⁇ and radial angle ⁇ on the full Poincaré sphere can be used to control the position of points on the full Poincaré sphere.
  • the positions of different points have different polarization states.
  • Array beams correspondingly, right-hand circular polarization, left-hand circular polarization, right-hand elliptical polarization and left-hand elliptical polarization array beams can be obtained.
  • the attenuator is used to adjust the intensity of the beam
  • the beam expander is used to expand the beam diameter
  • the lens is used to focus the beam
  • the frosted glass is used to reduce the spatial coherence of the partially coherent beam.
  • the optical centers of the laser, the first attenuator, the beam expander, the array mask, the frosted glass, the first thin lens, the second thin lens, the spatial light modulator, and the third thin lens are located on the same horizontal line; the parallel lines generated by the light shielding plate
  • the first positive first-order light and the second positive first-order light pass through the optical centers of the second attenuator and the third attenuator respectively, and then pass through the two focus points of the fourth thin lens and the first quarter wave respectively.
  • the optical center of the plate and the second quarter-wave plate finally converges at the center of the Ronchi grating to obtain the fully Poincaré sphere polarized light; the fully Poincaré sphere polarized light passes through the reflected light generated by the reflector in turn.
  • the optical centers of the half-wave plate, the second half-wave plate, the optical centers of the first half-wave plate, the second half-wave plate, the fifth thin lens and the charge-coupled element are located on the same horizontal line.
  • RAM random access memory
  • ROM read-only memory
  • electrically programmable ROM electrically erasable programmable ROM
  • registers hard disks, removable disks, CD-ROMs, or anywhere in the field of technology. any other known form of storage media.

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Abstract

一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置。将完全相干光束通过预设阵列掩膜板（4）生成多个光斑，将阵列掩膜信息编码到相干矩阵中，为了在远场得到阵列分布光束，设计具有特殊阵列分布形式的权重矩阵，得到相干矩阵元；将带有阵列掩膜信息的相干矩阵加载到光束定制的全庞加莱球偏振矩阵，实现相干结构和偏振信息的联合调控，将光束传输到远场，最终得到与光源偏振信息相同的部分相干阵列光束。通过灵活调控阵列掩膜板（4）分布形式和庞加莱球偏振态，在远场就能灵活产生全庞加莱球偏振态的部分相干阵列光束。这种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置解决了现阶段远场阵列偏振信息只能单一产生，不能灵活定制远场阵列光束偏振态的问题。

Description

一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置 技术领域
本发明涉及信息光学技术领域，特别是涉及一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置。
背景技术
结构光场具有振幅、相位、偏振及相干结构等多调控自由度，在多种应用中具有独特的优势。其中，具有阵列分布的结构光束作为一种典型的结构光，在多种实际应用中具有独特的优势和利用价值，如多纳米粒子捕获，生物活体的非破坏多重操纵，多维光学信息加密等。此外，它还可以被应用于大容量、大功率的自由空间光通信沟通。近年来，多种类型的标量或矢量阵列波束已经从理论上提出并在实验中生成，如激光照射周期振幅掩模板到空间光调制器及超表面阵列生成等。然而，传统的阵列波束仅限于完全相干的情况，因此，有几个负面作用是不能忽视的，比如固有的相干效应引起的散斑噪声，湍流引起的光束漂移，光束闪烁等，极大的限制了其在多种领域中的应用。
光学相干和偏振作为光场中的两个重要自由度，在控制光束及其传输特性，实现光束整形，降低复杂环境中湍流等介质引起的负面作用具有重要作用，因此在微粒操控，自由空间光通信，图像分辨增强，光成像等领域有着更加广泛的应用。另一方面，偏振信息作为一个强有力的自由度，在多维信息加密，存储及大容量通信中也有着重要的应用前景。因此利用相干结构及偏振调控产生阵列光束具有重要的实际意义。现有技术只能产生单一的径向或者角向偏振阵列光束，并且还要借助复杂的光学元器件(如径向偏振转化器)，直接将生成的标量阵列光束转换为径向偏振阵列光束，并且该实验也只能产生单一的偏振阵列，另外，如果要产生其他偏振特性的阵列光束，还要相应的更改光学元件器，增加了系统的复杂性和成本，大大限制了其在实际应用中的灵活性。因此，现阶段，如何在不更改实验装置的情况下，同时产生更加复杂且偏振态可控的阵列光束是有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置，以解决现有技术中现阶段远场阵列偏振信息只能单一产生，并且不能够灵活方便定制远场阵列光束偏振态的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法，包括：
将完全相干光束照射预设阵列掩膜板生成多个光斑，将预设阵列掩膜信息编码到部分相干光束的相干结构中，根据光斑宽度及任意两个光斑之间的距离生成部分相干光束的相干矩阵；
根据部分相干光束的相干矩阵叠加全庞加莱球偏振矩阵，调控第一拓扑荷和第二拓扑荷的大小及全庞加莱球的纬度角和经度角得到任意全庞加莱球偏振态，得到合成的矢量全庞加莱球部分相干光束；
将合成的矢量全庞加莱球部分相干光束传输到远场，在远场进行偏振矩阵测量，得到任意全庞加莱球偏振态的部分相干阵列光束。
优选地，所述根据光斑宽度及任意两个光斑之间的距离生成部分相干光束的相干矩阵包括：
完全相干光束通过预设阵列掩膜板生成多个光斑，确定各个光斑的光斑宽度σ αβ；
确定完全相干光束的相干度矩阵元：
Figure PCTCN2022107026-appb-000001
式中，r 1，r 2为光源处的任意两个位置，α、β分别为r位置处的α和β方向，λ为波长，f为傅里叶变换透镜的焦距，v表示空间位置矢量，i为虚数，p αβ为μ αβ(r 1-r 2)对应的权重矩阵元；
确定具有阵列分布形式权重矩阵元为p αβ:
Figure PCTCN2022107026-appb-000002
式中，p αβ(v)可以看作N个移位高斯函数的叠加，v 0n＝(nd,nd)为第n个高斯光束的移位坐标，d为任意两个光斑之间的距离，B αβ 为电场E α(r)和E β(r)之间的关联系数，σ αβ为单个光斑的光斑宽度；
确定部分相干光束的相干矩阵元为：
Figure PCTCN2022107026-appb-000003
式中，C 0为固定常数，δ αβ＝λf/πσ αβ为相干度函数，a 0＝i2πnd/λf，d是任意两个光斑之间的距离。
优选地，所述根据部分相干光束的相干矩阵叠加全庞加莱球偏振矩阵包括：
确定部分相干光束的交叉谱密度矩阵元W αβ(r 1,r 2)：W αβ(r 1,r 2)
Figure PCTCN2022107026-appb-000004
式中，C 0为固定常数，r 1，r 2为光源处的任意两个位置，α、β分别为r位置处的α和β方向，U为电场，a 0＝i2πnd/λf，λ为波长，i为虚数，f为傅里叶变换透镜的焦距，v 0n＝(nd,nd)为第n个高斯光束的移位坐标，δ 0为构造矢量光束的相干长度；
利用广义柯林斯积分公式确定输出面处的交叉谱密度矩阵元：
Figure PCTCN2022107026-appb-000005
式中，k＝2π/λ，λ为波长，i为虚数，ρ j＝(ρ jx,ρ jy),j＝1,2，表示输出面的任意两位置矢量，A、B、C、D为光学系统传输矩阵元，在透镜聚焦系统下A＝1-z/f、B＝z、C＝-1/f、D＝1；
根据部分相干光束的相干矩阵利用傅里叶变换和卷积理论及偏振矩阵和交叉谱密度矩阵之间的关系Φ(ρ)＝W(ρ,ρ)得出输出面处的 偏振矩阵元Φ αβ(ρ)：
Figure PCTCN2022107026-appb-000006
式中，A α(β)(r)＝τ α(β)(r)exp(ikAr 2/2B)，上标～表示傅里叶变换，
Figure PCTCN2022107026-appb-000007
表示卷积运算，μ αβ为部分相干光束的相干矩阵。
优选地，所述调控第一拓扑荷和第二拓扑荷的大小及全庞加莱球的纬度角和经度角得到任意全庞加莱球偏振态包括：
确定全庞加莱球上的北极电场E N(r)和南极电场E L(r)：
Figure PCTCN2022107026-appb-000008
Figure PCTCN2022107026-appb-000009
Figure PCTCN2022107026-appb-000010
式中，
Figure PCTCN2022107026-appb-000011
为拉盖尔高斯光束，
Figure PCTCN2022107026-appb-000012
是极坐标，l是涡旋相位的拓扑荷数，l1为第一拓扑荷，l2为第二拓扑荷，i表示虚数单位，
Figure PCTCN2022107026-appb-000013
Figure PCTCN2022107026-appb-000014
且
Figure PCTCN2022107026-appb-000015
和
Figure PCTCN2022107026-appb-000016
为x和y方向上的单位矢量，p为拉盖尔多项式的径向阶数，ω 0为拉盖尔光束光斑宽度；
确定全庞加莱球上任一点的电场U(r)：
Figure PCTCN2022107026-appb-000017
式中，θ∈[0,π]，φ∈[0,2π]分别为庞加莱球的纬度角和经度角；
通过调整第一拓扑荷l1和第二拓扑荷l2的大小及全庞加莱球上的纬度角和经度角得到不同全庞加莱球的振幅函数，即得到不同全庞加莱球偏振态：
τ x(r)＝U x(r)
τ y(r)＝U y(r)
Figure PCTCN2022107026-appb-000018
式中，τ x(r)和τ y(r)为全庞加莱球上任一点在x和y方向上的振幅函数，U x(r)和U y(r)为全庞加莱球上任一点在x和y方向上的电场。
优选地，所述将合成的矢量全庞加莱球部分相干光束传输到远场，在远场进行偏振矩阵测量，得到任意全庞加莱球偏振态的部分相干阵列光束包括：
根据全庞加莱球偏振矩阵确定远场处的光强分布I(ρ)和偏振态分布P(ρ)：
I(ρ)＝Φ xx(ρ)+Φ yy(ρ)
Figure PCTCN2022107026-appb-000019
式中，Det和Tr分别表示为矩阵行列式及矩阵迹运算，Φ(ρ)为全庞加莱球偏振矩阵，(x，y)为输出面上的x、y方向；
或者借助全庞加莱球偏振矩阵Φ(ρ)采用四个斯托克斯参量S j确定部分相干阵列光束的光强分布I(ρ)和偏振态分布P(ρ)：
S j＝Tr[Φ(ρ)σ j],j∈(0,1,2,3)
I(ρ)＝S 0
Figure PCTCN2022107026-appb-000020
式中，σ 0为单位矩阵，σ 1,σ 2,σ 3为三个泡利矩阵。
本发明还提供一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置，包括：
阵列光束生成组件：用于生成具有阵列掩膜信息的部分相干光束；
矢量部分相干光束合成组件：用于生成全庞加莱球偏振光束，调控第一拓扑荷和第二拓扑荷的大小及全庞加莱球的纬度角和经度角得到任意全庞加莱球偏振态，得到合成的矢量部分相干光束；
全庞加莱球偏振阵列光束产生组件：用于将合成的矢量光束传输至远场，在远场中进行偏振矩阵测量，以生成全庞加莱球偏振阵列光束。
优选地，所述阵列光束生成组件包括：依次配置的激光器、第一衰减片、扩束器、阵列掩膜板、毛玻璃、第一薄透镜、第二薄透镜；
激光器：用于发射完全相干光束；
第一衰减片：用于调控完全相干光束的强度；
扩束器：用于对强度调控后的完全相干光束进行光束直径扩大，得到扩大后的完全相干光束；
阵列掩膜板：用于将扩大后的完全相干光束生成多个光斑，得到部分相干光束；
毛玻璃：用于降低部分相干光束的空间相干性；
第一薄透镜：用于将阵列掩膜信息编码到经过毛玻璃的部分相干光束的相干结构中，生成带有阵列掩膜信息的部分相干光束；
第二薄透镜：用于实现带有阵列掩膜信息的部分相干光束的聚焦。
优选地，所述矢量部分相干光束合成组件包括：依次配置的空间光调制器、第三薄透镜、遮光板、第二衰减片和第三衰减片、第四薄透镜、第一四分之一波片和第二四分之一波片、朗奇光栅、反射镜、第一半波片、第二半波片；
空间光调制器：用于对聚焦后的带有阵列掩膜信息的部分相干光束进行光束等分分束，得到第一光束和第二光束，并对第一光束和第二光束通过外部输入端分别输入第一拓扑荷和第二拓扑荷，得到第一线偏振光和第二线偏振光；
第三薄透镜：用于实现第一线偏振光和第二线偏振光的聚焦；
遮光板：用于分别滤出聚焦后的第一线偏振光和第二线偏振光的正一级光，得到第一正一级光和第二正一级光；
第二衰减片和第三衰减片：用于分别调控第一正一级光和第二正一级光的强度，以实现调控庞加莱球的纬度角；
第四薄透镜：用于实现强度调控后的第一正一级光和第二正一级光的聚焦；
第一四分之一波片和第二四分之一波片：分别用于将聚焦后的第一正一级光和第二正一级光调控为右旋偏振光和左旋偏振光；
朗奇光栅：用于将右旋偏振光和左旋偏振光稳定合成为全庞加莱球偏振光；
反射镜：用于实现全庞加莱球偏振光的反射；
第一半波片和第二半波片：用于调控庞加莱球的经度角，并将反 射镜反射出的全庞加莱球偏振光合成矢量部分相干光束。
优选地，所述全庞加莱球偏振阵列光束产生组件包括第五薄透镜和电荷耦合元件；
第五薄透镜：用于实现合成的矢量部分相干光束的聚焦；
电荷耦合元件：即远场，用于对聚焦后的矢量部分相干光束进行偏振矩阵测量，得到全庞加莱球偏振阵列光束。
优选地，所述第二衰减片和第三衰减片通过调控第一正一级光和第二正一级光的强度比，以实现调控庞加莱球的纬度角；
所述第一半波片和第二半波片通过调节两者之间的夹角，以实现调控庞加莱球的经度角。
本发明所提供的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置，通过预设阵列掩膜板，将完全相干光束通过预设阵列掩膜板生成多个光斑，根据光斑宽度及任意两光斑之间的距离将阵列掩膜信息编码到相干矩阵中；将带有阵列掩膜信息的相干矩阵加载到光束定制的全庞加莱球偏振矩阵，实现相干结构和偏振信息的联合调控，将光束传输到远场，最终得到与光源偏振信息相同的部分相干阵列光束。通过灵活调控阵列掩膜板分布形式和庞加莱球偏振态，在远场就能灵活产生全庞加莱球偏振态的部分相干阵列光束。本发明解决了现阶段远场阵列偏振信息只能单一产生，不能灵活定制远场阵列光束偏振态的问题。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法的第一种具体实施例的流程图；
图2为本发明所提供的全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置的一种具体实施例的结构图；
图中标记说明：1、532nm激光(Nd:YAG)；2、第一衰减片；3、扩束器；4、阵列掩膜板(AM)；5、旋转的毛玻璃(RGGD)；6、第一薄透镜(L1)；7、第二薄透镜(L2)；8、空间光调制器(SLM)；9、第三薄透镜(L3)；10、遮光板；11、第二衰减片和第三衰减片；12、第四薄透镜(L4)；13、第一四分之一波片和第二四分之一波片；14、朗奇光栅；15、反射镜；16、第一半波片；17、第二半波片；18、第五薄透镜(L5)；19、电荷耦合元件(CCD)；20、电脑(PC1)；21、电脑(PC2)。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法及装置。本发明通过将完全相干光束通过预设阵列掩膜板生成多个光斑，将阵列掩膜信息编码到相干矩阵中，为了在远场得到阵列分布光束，设计具有阵列分布形式的权重矩阵，得到相干矩阵元；将带有阵列掩膜信息加载光束定制庞加莱球偏振态，实现相干结构和偏振信息的联合调控，将光束传输到远场，最终得到与光源偏振信息相同的阵列光束。通过灵活调控阵列掩膜板和庞加莱球偏振态，在远场就能灵活产生全庞加莱球偏振态的阵列光束。本发明解决了现阶段远场阵列偏振信息只能单一产生，不能灵活定制远场阵列偏振态的问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法的第一种具体实施例的流程图，首先将预设的阵列掩膜板加载至光束的相干结构中，然后携带有阵列信息的相干结构加载光束初始定制的庞加莱球偏振态，实现相干结构及初始偏振信息的联合调控。将光束进行远场传输后，最终在远场产生具有与光源偏振信息相同的阵列光束；通过灵活调控阵列掩膜板及初始庞加莱球偏振态，在远场就能灵活产生全庞加莱球偏振态的阵列光束。具体操作步骤如下：
S1.生成阵列光束
设置阵列掩膜板，光束通过阵列掩膜板可以得到多个光斑，通过完全相干光束照射阵列掩膜板，将阵列掩膜信息编码到部分相干光束的相干结构中，具体如下：
首先，对于矢量部分相干光束，在空间频率域采用交叉谱密度矩阵进行表征：
Figure PCTCN2022107026-appb-000021
式中，r 1，r 2为光源处的任意两个位置矢量，并且交叉谱密度矩阵元表示为：
Figure PCTCN2022107026-appb-000022
式中，*表示复共轭，<>表示系综平均运算，E α(r 1)，E β(r 2)表示在空间点r 1处α方向分量和点r 2处β方向分量的随机电场。
根据光源真实构建条件，矢量部分相干光束的交叉谱密度矩阵元可以表示为：
Figure PCTCN2022107026-appb-000023
其中，p αβ(v)为权重矩阵元，且满足p xx(v)>0，p yy(v)>0，p xx(v)p yy(v)-|p xy(v)| 2>0；H α(r,v)和H β(r,v)是两个任意核函数，即构造光学系统的响应函数。本实施例中固定选择的光学系统为傅里叶变换透镜光学系统，则相应的系统函数为：
Figure PCTCN2022107026-appb-000024
式中，i表示虚数单位，λ为波长，k＝2π/λ为波数，f为傅里叶变换透镜的焦距，τ(r)是复值函数。
将公式(4)代入公式(3)中，得到交叉谱密度的另一种表达形式：
Figure PCTCN2022107026-appb-000025
Figure PCTCN2022107026-appb-000026
式(6)为矢量部分相干光束的相干度矩阵元，且μ αβ(r 1-r 2)与相应的权重矩阵元p αβ(v)构成完美的傅里叶变换关系。
因此，为了在远场得到阵列分布光束，设计权重矩阵具有下面的阵列分布形式：
Figure PCTCN2022107026-appb-000027
式中，p αβ(v)可以看作N个移位高斯函数的叠加，v 0n＝(nd,nd)为第n个高斯光束的移位坐标，d是任意两个光斑之间的距离，B αβ为电场为E α(r)和E β(r)之间的关联系数，σ αβ为单个光斑的光斑宽度。
因此得到光源相干矩阵元为：
Figure PCTCN2022107026-appb-000028
式中，C 0为固定常数，δ αβ＝λf/πσ αβ为相干度函数，a 0＝i2πnd/λf。
S2:合成矢量部分相干光束；
将完全相干光束调控为全庞加莱球的右旋偏振光和左旋偏振光；将加载有相干矩阵的右旋偏振光和左旋偏振光稳定合成全庞加莱球偏振矩阵，得到合成的矢量部分相干光束。
主要过程为：完全相干矢量光束通过等分屏的空间光调制器进行加载两个阶数分别为l1和-l2的涡旋相位，分别产生具有l1和-l2的涡旋相位的线偏振光；从等分屏的空间光调制器(用于光束分束)出射的两个线偏振光中滤出各自的正一级涡旋线偏振光分别并调控为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别为全庞加莱球的南极点和北极点。其中，全庞加莱球的阶数由产生右旋圆偏振和左旋圆偏振光加载的涡旋相位的拓扑荷数l1和l2进行控制。
之后，如何定制远场全庞加莱球偏振态，矢量部分相干光束的偏振态依赖于振幅函数τ α(β)(r)，因此矢量光束的偏振态可以通过调整振幅函数τ α(β)(r)来灵活制定。利用振幅函数在远场制定具有任意全庞加莱球偏振态的阵列光束，具体如下：
高阶偏振态可以由全庞加莱球上的点进行表征，并且全庞加莱球上的任一点的场可以由北极点电场
Figure PCTCN2022107026-appb-000029
和南极点场
Figure PCTCN2022107026-appb-000030
Figure PCTCN2022107026-appb-000031
叠加进行表征。其中，
Figure PCTCN2022107026-appb-000032
且
Figure PCTCN2022107026-appb-000033
和
Figure PCTCN2022107026-appb-000034
为x和y面上的单位矢量；
Figure PCTCN2022107026-appb-000035
式中，
Figure PCTCN2022107026-appb-000036
为拉盖尔高斯光束，
Figure PCTCN2022107026-appb-000037
是极坐标，l1和l2是涡旋相位的拓扑荷数，p为拉盖尔多项式的径向阶数，ω 0为拉盖尔光束光斑宽度；因此，全庞加莱球上的任意一点的电场可以表示为：
Figure PCTCN2022107026-appb-000038
式中，θ∈[0,π]，φ∈[0,2π]为全庞加莱球的纬度角和经度角。并且通过调整拓扑荷数l1和l2的大小及不同的纬度角和经度角，就可以得到不同的全庞加莱偏振态。公式(10)相应表示为：
Figure PCTCN2022107026-appb-000039
振幅函数为：
τ x(r)＝U x(r),τ y(r)＝U y(r)     (12)
利用部分相干光束的物理实现条件，得到：
B xx＝B yy＝B xy＝B yx＝1
δ xx＝δ yy＝δ xy＝δ yx＝δ 0
交叉谱密度矩阵元，表示为：
Figure PCTCN2022107026-appb-000040
S4:远场中偏振矩阵测量，生成不同偏振态的阵列光束
研究光束在自由空间中的传输，利用广义柯林斯积分公式，输出面出的交叉谱密度矩阵元表示为：
Figure PCTCN2022107026-appb-000041
式中，ρ l＝(ρ lx,ρ ly),l＝1,2，表示输出面的任意两位置矢量，A、B、C、D为光学系统传输矩阵元，在透镜聚焦系统下，光学系统的传输矩阵元表示为：
A＝1-z/f
B＝z
C＝-1/f
D＝1
利用傅里叶变换和卷积理论及偏振矩阵的交叉谱密度矩阵之间的关系Φ(ρ)＝W(ρ,ρ)得出输出面处的偏振矩阵元：
Figure PCTCN2022107026-appb-000042
式中，A α(β)(r)＝τ α(β)(r)exp(ikAr 2/2B)，上标～表示傅里叶变换，
Figure PCTCN2022107026-appb-000043
表示卷积运算。
根据上式，就可以求得远场处的光强分布，偏振态和偏振度分布：
I(ρ)＝Φ xx(ρ)+Φ yy(ρ)      (16)
Figure PCTCN2022107026-appb-000044
其中，Det和Tr分别表示为矩阵行列式及矩阵迹运算。
另外，借助偏振矩阵，偏振态也可以由四个斯托克斯参量，S j＝Tr[Φ(ρ)σ j],j∈(0,1,2,3)进行计算，这里σ 0为单位矩阵，σ 1,σ 2,σ 3为三个泡利矩阵。
则全庞加莱球偏振阵列光束的光强分布和偏振度分布也可以相应的表示为：
I(ρ)＝S 0       (18)
Figure PCTCN2022107026-appb-000045
利用上述公式推导的公式，通过改变第一拓扑荷l1和第二拓扑荷l2的大小及庞加莱球的纬度角和经度角，以实现灵活定制阵列光束的 偏振态特性。
本发明还提供了一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置，请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置的结构框图，所有组件产生的光束平行；具体如下：
在本实施例中，首先一束波长为532nm的激光从Nd:YAG激光器(1)发射，通过衰减片(2)到达扩束器BE(3)，然后到达阵列掩模板AM(4)；介质照射到旋转的毛玻璃RGGD(5)前表面，带有阵列掩膜信息的光束穿过RGGD，经过一焦距为f＝250mm的准直透镜L1(6)进而将阵列掩模板信息编码到部分相干光束中的相干结构里面。
通过一焦距为f的薄透镜L2(7)构成2f成像系统将产生的带有阵列掩膜信息的部分相干光束的相干结构成像到空间光调制器SLM(8)，空间光调制器(8)与电脑PC2(21)连接，电脑PC2加载阶数为l1和-l2的涡旋相位全息片，进而光束通过SLM引入拓扑荷阶数为l1和l2的可控的涡旋相位，其中，L1到L2和L2到SLM1的距离都是2f。
然后由遮光板(10)分别滤出来自等分屏空间光调制器的正一级光，两个正一级光分别通过第二衰减片和第三衰减片(11)，通过薄透镜L4(12)，接着利用第一四分之一波片和第二四分之一波片(13)将两个正一级光分别调控为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，最后利用郎奇光栅(14)稳定合成为阶数可控的全庞加莱球偏振矩阵，其中空间光调制器(8)到透镜L3(9)、透镜L3(9)到遮光板(10)、遮光板(10)到薄透镜L4(12)及薄透镜L4(12)到朗奇光栅(14)的距离均等于f，调节第一衰减片和第二衰减片用以调控右旋圆偏振光和左旋圆偏振光之间的强度比，进而可以用来调控全庞加莱球的纬度角θ。从朗奇光栅(14)出射的光经反射镜(15)反射后到达第一半波片(16)和第二半波片(17)，调节第一半波片(16)和第二半波片(17)之间的夹角可以用来调控全庞加莱球的经度角φ。其中反射镜放置位置在实际实验操作过程中进行调节。
通过全庞加莱球上的纬度角θ和径向角φ可以用来控制全庞加莱球上点的位置，不同点的位置具有不同的偏振态。通过第二波片(17)的光束到达薄透镜L5(18)的前表面就得到了具有初始全庞加莱球的矢量光束。经薄透镜L5(18)聚焦后的光束到达电荷耦合元件CCD(19)，即光束传输到远场，CCD与电脑PC1(20)相连接，用于记录CCD拍摄的偏振矩阵信息。
通过改变拓扑荷l1和l2的大小及全庞加莱球的纬度角和经度角，以实现灵活定制阵列光束的偏振态特性。例如，当拓扑荷阶数选择l1＝l2＝1时，并且θ＝π/2,φ＝0和θ＝π/2,φ＝0时，就分别得到了具有径向偏振和角向偏振的阵列光束，相应的还可以得到右旋圆偏振，左旋圆偏振，右旋椭圆偏振及左旋椭圆偏振阵列光束等。当拓扑荷阶数l1和l2灵活选择不同大小时，可以得到更加复杂的偏振态的阵列光束，如基础全庞加莱球偏振态阵列光束(l1＝0，l2,≠0)或者是(l1≠0，l2,＝0)，高阶庞加莱偏振态阵列光束(l1＝l2≥1)，杂化阶庞加莱球偏振态的阵列光束(l1≠l2≠0)，大大提高了阵列光束定制偏振态的灵活性。
其中，衰减片用于实现光束的强度调节，扩束器用于扩大光束直径，透镜用于光束聚焦，毛玻璃用于降低部分相干光束的空间相干性。
其中激光器、第一衰减片、扩束器、阵列掩膜板、毛玻璃、第一薄透镜、第二薄透镜、空间光调制器、第三薄透镜的光学中心位于同一水平线；遮光板生成的平行的第一正一级光和第二正一级光分别穿过第二衰减片和第三衰减片的光学中心，再分别穿过第四薄透镜的两个焦点及第一四分之一波片和第二四分之一波片的光学中心，最后汇聚在朗奇光栅的中心位置得到全庞加莱球偏振光；全庞加莱球偏振光经过反射镜生成的反射光依次穿过第一半波片、第二半波片的光学中心，第一半波片、第二半波片、第五薄透镜和电荷耦合元件的光学中心位于同一水平线。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分 互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法以及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

  1. 一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法，其特征在于，包括：
    将完全相干光束照射预设阵列掩膜板生成多个光斑，将预设阵列掩膜信息编码到部分相干光束的相干结构中，根据光斑宽度及任意两个光斑之间的距离生成部分相干光束的相干矩阵；
    根据部分相干光束的相干矩阵叠加全庞加莱球偏振矩阵，调控第一拓扑荷和第二拓扑荷的大小及全庞加莱球的纬度角和经度角得到任意全庞加莱球偏振态，得到合成的矢量全庞加莱球部分相干光束；
    将合成的矢量全庞加莱球部分相干光束传输到远场，在远场进行偏振矩阵测量，得到任意全庞加莱球偏振态的部分相干阵列光束。
  2. 根据权利要求1所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法，其特征在于，所述根据光斑宽度及任意两个光斑之间的距离生成部分相干光束的相干矩阵包括：
    完全相干光束通过预设阵列掩膜板生成多个光斑，确定各个光斑的光斑宽度σ αβ；
    确定完全相干光束的相干度矩阵元：
    Figure PCTCN2022107026-appb-100001
    式中，r 1，r 2为光源处的任意两个位置，α、β分别为r位置处的α和β方向，λ为波长，f为傅里叶变换透镜的焦距，v表示空间位置矢量，i为虚数，p αβ为μ αβ(r 1-r 2)对应的权重矩阵元；
    确定具有阵列分布形式权重矩阵元为p αβ:
    Figure PCTCN2022107026-appb-100002
    式中，p αβ(v)可以看作N个移位高斯函数的叠加，v 0n＝(nd,nd)为第n个高斯光束的移位坐标，d为任意两个光斑之间的距离，B αβ为电场E α(r)和E β(r)之间的关联系数，σ αβ为单个光斑的光斑宽度；
    确定部分相干光束的相干矩阵元为：
    Figure PCTCN2022107026-appb-100003
    式中，C 0为固定常数，δ αβ＝λf/πσ αβ为相干度函数，a 0＝i2πnd/λf，d是任意两个光斑之间的距离。
  3. 根据权利要求1所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法，其特征在于，所述根据部分相干光束的相干矩阵叠加全庞加莱球偏振矩阵包括：
    确定部分相干光束的交叉谱密度矩阵元W αβ(r 1,r 2)：
    Figure PCTCN2022107026-appb-100004
    式中，C 0为固定常数，r 1，r 2为光源处的任意两个位置，α、β分别为r位置处的α和β方向，U为电场，a 0＝i2πnd/λf，λ为波长，i为虚数，f为傅里叶变换透镜的焦距，v 0n＝(nd,nd)为第n个高斯光束的移位坐标，δ 0为构造矢量光束的相干长度，*表示复共轭；
    利用广义柯林斯积分公式确定输出面处的交叉谱密度矩阵元：
    Figure PCTCN2022107026-appb-100005
    式中，k＝2π/λ，λ为波长，i为虚数，ρ j＝(ρ jx,ρ jy),j＝1,2，表示输出面的任意两位置矢量，A、B、C、D为光学系统传输矩阵元，在透镜聚焦系统下A＝1-z/f、B＝z、C＝-1/f、D＝1；
    根据部分相干光束的相干矩阵利用傅里叶变换和卷积理论及偏振矩阵和交叉谱密度矩阵之间的关系Φ(ρ)＝W(ρ,ρ)得出输出面处的偏振矩阵元Φ αβ(ρ)：
    Figure PCTCN2022107026-appb-100006
    式中，A α(β)(r)＝τ α(β)(r)exp(ikAr 2/2B)，上标～表示傅里叶变换，
    Figure PCTCN2022107026-appb-100007
    表示卷积运算，μ αβ为部分相干光束的相干矩阵，*表示复共轭。
  4. 根据权利要求1所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法，其特征在于，所述调控第一拓扑荷和第二拓扑荷的大小及全庞加莱球的纬度角和经度角得到任意全庞加莱球偏振态包括：
    确定全庞加莱球上的北极电场E N(r)和南极电场E L(r)：
    Figure PCTCN2022107026-appb-100008
    Figure PCTCN2022107026-appb-100009
    Figure PCTCN2022107026-appb-100010
    式中，
    Figure PCTCN2022107026-appb-100011
    为拉盖尔高斯光束，
    Figure PCTCN2022107026-appb-100012
    是极坐标，l是涡旋相位的拓扑荷数，l1为第一拓扑荷，l2为第二拓扑荷，i表示虚数单位，
    Figure PCTCN2022107026-appb-100013
    Figure PCTCN2022107026-appb-100014
    且
    Figure PCTCN2022107026-appb-100015
    和
    Figure PCTCN2022107026-appb-100016
    为x和y方向上的单位矢量，p为拉盖尔多项式的径向阶数，ω 0为拉盖尔光束光斑宽度；
    确定全庞加莱球上任一点的电场U(r)：
    Figure PCTCN2022107026-appb-100017
    式中，θ∈[0,π]，φ∈[0,2π]分别为庞加莱球的纬度角和经度角；
    通过调整第一拓扑荷l1和第二拓扑荷l2的大小及全庞加莱球上的纬度角和经度角得到不同全庞加莱球的振幅函数，即得到不同全庞加莱球偏振态：
    τ x(r)＝U x(r)
    τ y(r)＝U y(r)
    Figure PCTCN2022107026-appb-100018
    式中，τ x(r)和τ y(r)为全庞加莱球上任一点在x和y方向上的振幅函数，U x(r)和U y(r)为全庞加莱球上任一点在x和y方向上的电场。
  5. 根据权利要求1所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生方法，其特征在于，所述将合成的矢量全庞加莱球部分相干光束传输到远场，在远场进行偏振矩阵测量，得到任意全庞加莱球偏振态的部分相干阵列光束包括：
    根据全庞加莱球偏振矩阵确定远场处的光强分布I(ρ)和偏振态分布P(ρ)：
    I(ρ)＝Φ xx(ρ)+Φ yy(ρ)
    Figure PCTCN2022107026-appb-100019
    式中，Det和Tr分别表示为矩阵行列式及矩阵迹运算，Φ(ρ)为全庞加莱球偏振矩阵，(x,y)为输出面上的x、y方向；
    或者借助全庞加莱球偏振矩阵Φ(ρ)采用四个斯托克斯参量S j确定部分相干阵列光束的光强分布I(ρ)和偏振态分布P(ρ)：
    S j＝Tr[Φ(ρ)σ j],j∈(0,1,2,3)
    I(ρ)＝S 0
    Figure PCTCN2022107026-appb-100020
    式中，σ 0为单位矩阵，σ 1,σ 2,σ 3为三个泡利矩阵。
  6. 一种全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置，其特征在于，包括：
    阵列光束生成组件：用于生成具有阵列掩膜信息的部分相干光束；
    矢量部分相干光束合成组件：用于生成全庞加莱球偏振光束，调控第一拓扑荷和第二拓扑荷的大小及全庞加莱球的纬度角和经度角得到任意全庞加莱球偏振态，得到合成的矢量部分相干光束；
    全庞加莱球偏振阵列光束产生组件：用于将合成的矢量光束传输至远场，在远场中进行偏振矩阵测量，以生成全庞加莱球偏振阵列光束。
  7. 根据权利要求6所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置，其特征在于，所述阵列光束生成组件包括：
    激光器：用于发射完全相干光束；
    第一衰减片：用于调控完全相干光束的强度；
    扩束器：用于对强度调控后的完全相干光束进行光束直径扩大，得到扩大后的完全相干光束；
    阵列掩膜板：用于将扩大后的完全相干光束生成多个光斑，得到部分相干光束；
    毛玻璃：用于降低部分相干光束的空间相干性；
    第一薄透镜：用于将阵列掩膜信息编码到经过毛玻璃的部分相干光束的相干结构中，生成带有阵列掩膜信息的部分相干光束；
    第二薄透镜：用于实现带有阵列掩膜信息的部分相干光束的聚焦；
    所述激光器、第一衰减片、扩束器、阵列掩膜板、毛玻璃、第一薄透镜、第二薄透镜的光学中心位于同一水平线。
  8. 根据权利要求6所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置，其特征在于，所述矢量部分相干光束合成组件包括：空间光调制器：用于对聚焦后的带有阵列掩膜信息的部分相干光束进行光束等分分束，得到第一光束和第二光束，并对第一光束和第二光束通过外部输入端分别输入第一拓扑荷和第二拓扑荷，得到第一线偏振光和第二线偏振光；
    第三薄透镜：用于实现第一线偏振光和第二线偏振光的聚焦；
    遮光板：用于分别滤出聚焦后的第一线偏振光和第二线偏振光的正一级光，得到第一正一级光和第二正一级光；
    第二衰减片和第三衰减片：用于分别调控第一正一级光和第二正一级光的强度，以实现调控庞加莱球的纬度角；
    第四薄透镜：用于实现强度调控后的第一正一级光和第二正一级 光的聚焦；
    第一四分之一波片和第二四分之一波片：分别用于将聚焦后的第一正一级光和第二正一级光调控为右旋偏振光和左旋偏振光；
    朗奇光栅：用于将右旋偏振光和左旋偏振光稳定合成为全庞加莱球偏振光；
    反射镜：用于实现全庞加莱球偏振光的反射；
    第一半波片和第二半波片：用于调控庞加莱球的经度角，并将反射镜反射出的全庞加莱球偏振光合成矢量部分相干光束；
    所述空间光调制器、第三薄透镜的光学中心位于同一水平线；
    所述遮光板生成的平行的第一正一级光和第二正一级光分别穿过第二衰减片和第三衰减片的光学中心，再分别穿过第四薄透镜的两个焦点及第一四分之一波片和第二四分之一波片的光学中心，最后汇聚在朗奇光栅的中心位置得到全庞加莱球偏振光；所述全庞加莱球偏振光经过反射镜生成的反射光依次穿过第一半波片、第二半波片的光学中心。
  9. 根据权利要求6所述的全庞加莱球偏振阵列光束的产生装置，其特征在于，所述全庞加莱球偏振阵列光束产生组件包括第五薄透镜和电荷耦合元件；
    第五薄透镜：用于实现合成的矢量部分相干光束的聚焦；
    电荷耦合元件：即远场，用于对聚焦后的矢量部分相干光束进行偏振矩阵测量，得到全庞加莱球偏振阵列光束；
    所述第五薄透镜和电荷耦合元件的光学中心位于同一水平线。
  10. 根据权利要求8所述的全庞加莱球偏振矢量阵列光束的产生装置，其特征在于，所述第二衰减片和第三衰减片通过调控第一正一级光和第二正一级光的强度比，以实现调控庞加莱球的纬度角；
    所述第一半波片和第二半波片通过调节两者之间的夹角，以实现调控庞加莱球的经度角。
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