CN105607266A - 三维矢量光束及其生成方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维矢量光束及其生成方法与装置。本发明的三维矢量光束，其光场分布与贝塞尔光束相似。其光束横截面偏振态分布随着其传输距离的改变而改变，并呈周期变化。在一个空间周期内，其偏振态会从径向偏振到角向偏振交替变化。所生成的光束可同时具有多种偏振态分布，相比于现有的单一偏振态分布的矢量光束，具有更广泛的应用价值。本发明的三维矢量光束生成装置，只需改变加载在液晶空间光调制器上的全息光栅，即可实现不同阶次的三维矢量光束的生成，而无需再次调节其它任何光学元件，操作简单方便。

Description

三维矢量光束及其生成方法与装置

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种新型的光束——三维矢量光束及其生成方法与装置。

背景技术

偏振态是光束的基本特征之一，常见的偏振光有线偏振光、椭圆偏振光以及圆偏振光等，这些光束的偏振态在其横截面内的分布是各向同性的。与这些常见的光束不同，矢量光束的光束横截面中的偏振态分布是各向异性的，其基本的偏振分布模式有径向偏振分布、角向偏振分布等。具有轴对称偏振态分布的矢量光束是麦克斯韦方程组在柱坐标系下的本征解，因此也可将其称为偏振涡旋光束或轴对称偏振光束。矢量光束的光场分布是一环状结构，这是因为其光束中心处的偏振态是无法确定的，即存在一偏振奇点。矢量光束之所以得到人们的广泛关注，在于它具有许多其它光束不具有的特性。矢量光束光场的中空环状结构使其可用于光镊中，可提高粒子的捕获效率。同时，矢量光束还可携带偏振信息量，可用于光通信***中拓展信道容量。矢量光束在先进制造领域也具有重要的应用价值。研究表明，在金属的激光切割技术中，切割效率与光束的偏振态密切相关。金属对p偏振光的吸收效率最高，散射效率最低。而采用径向偏振矢量光束，相对于激光切割刀口，所有入射光都是p偏振光，且光束具有很好的偏振对称性。因此采用径向偏振矢量光束进行激光切割不但可以提高切割效率，还可以得到十分均匀的切割刀口。在金属的激光打孔技术中，以低碳钢为例，在相同条件下对低碳钢进行激光打孔加工，与线偏振光和圆偏振光相比，采用角向偏振光可以提高1.5～4倍的打孔效率。

国内外学者在矢量光束的生成技术方面做了大量研究工作，并发明了多种生成矢量光束的方法。其中，利用涡旋光束偏振合成矢量光束的方法最为广泛，其原理可理解为：一左旋圆偏振涡旋光束与一携带有相反轨道角动量的右旋圆偏振涡旋光束合束后生成矢量光束，且矢量光束的阶次为涡旋光束阶次的绝对值。这一偏振合成过程可用琼斯矩阵表示为：

式中，l和-l为涡旋光束的角量子数。常见的偏振合成方法有渥拉斯通棱镜法，马赫增德尔干涉法等，这些方法的主要特点是两束旋向相反且携带有相反轨道角动量的涡旋光束同时入射到装置中，则出射合成光即为矢量光束。2015年北京理工大学的研究人员利用泰曼格林干涉仪实现了矢量光束的生成，该技术只需要一束涡旋光束入射即可，一定程度上降低了光路调节的复杂度。然而，上述这些方法虽都能很好的生成矢量光束，但是生成的矢量光束的偏振分布是固定不变的。要想改变矢量光束的偏振态分布，需要在光路中加入波片等器件，这在一定程度上增加其实际应用的不方便性。例如，在激光先进制造应用中，径向偏振光有利于金属切割，而角向偏振光有利于打孔。如果一束矢量光束既含有径向偏振成分，又含有角向偏振成分，那么切割与打孔就可以同时进行。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种新型的矢量光束——三维矢量光束，及其生成方法与装置。

本发明的三维矢量光束，其光场分布与贝塞尔光束相似，其光束横截面偏振态分布随着其传输距离的改变而改变。在一个空间周期内，其偏振态会从径向偏振到角向偏振交替变化。

本发明的三维矢量光束的生成方法是将轴棱镜与l阶螺旋相位片叠加后的全息光栅，以及径向周期相位与2l阶螺旋相位片叠加后的全息光栅，分别加载在两个液晶空间光调制器上，则该***的出射光束即为l阶三维矢量光束。当给液晶空间光调制器加载不同的全息光栅时，可生成不同阶次的三维矢量光束。

本发明的一种三维矢量光束的生成方法与装置，包含激光器、偏振分光棱镜、准直器、两个液晶空间光调制器、半波片和四分之一波片，其中：

所述偏振分光棱镜置于激光器发出的光路中，用于生成水平线偏振激光；

所述准直器置于偏振分光棱镜后方的光路中，用于对水平线偏振激光进行准直；

所述第一个液晶空间光调制器置于准直器后方的光路中，用于加载轴棱镜与螺旋相位片叠加后的全息光栅，将高斯光束转化为携带有轨道角动量的贝塞尔光束；

所述半波片置于第一个液晶空间光调制器后方的光路中，且其快轴方向与水平面呈22.5°放置，用于将水平偏振的贝塞尔光束转化为偏振方向与水平面呈45°的线偏振贝塞尔光束；

所述第二个液晶空间光调制器置于半波片后方的光路中，用于加载径向周期相位与螺旋相位片叠加后的全息光栅，将偏振方向与水平面呈45°的线偏振贝塞尔光束转化为两束偏振方向分别为水平和垂直且携带有相反轨道角动量的线偏振贝赛尔光束的合束，同时水平偏振分量相比于垂直偏振分量有相位延迟；

所述四分之一波片置于第二个液晶空间光调制器后方的光路中，其快轴方向与水平面呈45°，用于将两束偏振方向为水平和垂直且携带有相反轨道角动量的线偏振贝赛尔光束的合束转化为两束左旋和右旋且携带有相反轨道角动量的圆偏振贝赛尔光束的合束，同时左旋圆偏振分量相比于右旋圆偏振分量有相位延迟。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的三维矢量光束，光束横截面偏振态分布随着其传输距离的改变而改变，并呈周期变化。

(2)本发明的三维矢量光束，在一个空间周期内，其偏振态会从径向偏振到角向偏振交替变化。

(3)本发明的三维矢量光束，在实际应用时可通过增大或缩小传播距离实现偏振态分布的改变。

(4)本发明提供的一种三维矢量光束的生成装置，相比于现有的其他矢量光束生成装置，结构简单，调节简便。

(5)本发明提供的一种三维矢量光束的生成装置，一次调节完成后，无需再次调节，只需改变加载在两个液晶空间光调制器上的全息光栅，即可实现不同阶次的三维矢量光束的生成，操作方便。

附图说明

图1为三维矢量光束的生原理图。

图2(a)为轴棱镜生成贝塞尔光束原理图。图中，1-入射光束，2-轴棱镜，3-无衍射区(贝塞尔光束区域)。

图2(b)为径向周期相位板在不同传输距离引入不同附加相位的原理图。图中，1-入射光束，2-轴棱镜，3-无衍射区(贝塞尔光束区域)，4-径向周期相位板，5-引入附加相位区域。

图2(c)为径向周期相位板的相位分布。

图3为三维矢量光束的生成装置示意图。图中，1-激光器，2-偏振分光棱镜，3-准直器，4-液晶空间光调制器，5-半波片，6-液晶空间光调制器，7-四分之一波片。

图4为生成一阶三维矢量光束时给液晶空间光调制器加载的全息光栅图，从左至右分别为轴棱镜与1阶螺旋相位片叠加后的全息光栅，和径向周期相位与2阶螺旋相位片叠加后的全息光栅。

图5为生成的一阶三维矢量光束。图中，从上至下分别为在初始位置、1/4空间周期处、1/2空间周期处以及3/4空间周期处测得的三维矢量光束的光场、偏振态分布及通过不同角度放置的偏振片的光场。

图6为生成二阶三维矢量光束时给液晶空间光调制器加载的全息光栅图，从左至右分别为轴棱镜与2阶螺旋相位片叠加后的全息光栅，和径向周期相位与4阶螺旋相位片叠加后的全息光栅。

图7为生成的二阶三维矢量光束。图中，从上至下分别为在初始位置、1/4空间周期处、1/2空间周期处以及3/4空间周期处测得的三维矢量光束的光场、偏振态分布及通过不同角度放置的偏振片的光场。

具体实施方式

下面结合附图并实施例，对本发明做一详细描述。

本发明的三维矢量光束如图1所示，其偏振态分布随传输距离的变化而呈周期改变。在一个空间周期内，其偏振态会从径向偏振到角向偏振交替变化。其生成原理可理解为，贝塞尔光束是一种涡旋光束，其携带有轨道角动量，因此一左旋圆偏振贝塞尔光束与一携带有相反轨道角动量的右旋圆偏振贝塞尔光束合束后可以生成矢量光束，且矢量光束的阶次为贝塞尔光束的角量子数的绝对值。若给左旋贝塞尔光束引入一个相位延迟，则合束过程可用琼斯矩阵表示为：

其中，φ表示矢量光束的初始偏振方向，φ＝0表示径向偏振矢量光束，当φ＝π/2时表示角向偏振矢量光束。若φ可以写成关于传输距离z的函数，即可实现在不同的传输距离引入不同的附加相位，进而引起不同传输距离处偏振态分布的不同。

如图2(a)所示，在光路中加入轴棱镜，可实现贝塞尔光束的生成，且贝塞尔光束只存在于无衍射区中。如图2(b)所示，在无衍射区中加入径向周期相位板，可实现在光轴不同位置引入不同的相位延迟。同理，若无衍射区中的光束为贝塞尔型矢量光束，由于径向周期相位板的作用，通过一定的技术手段，在光轴的不同位置，对左旋偏振分量引入了附加相位，则矢量光束的偏振态分布将会随着传播距离的改变而改变。径向周期相位板的相位分布如图2(c)所示。

若设径向周期相位板的相位变化周期为D，轴棱镜的径向周期为d，则由几何光学的相关原理，可得附加相位与传输距离z之间的函数关系式为：

$\mathrm{\φ}\left(z\right)=\frac{2\mathrm{\π}\mathrm{\λ}z}{Dd}$

式中，λ为光波长。进而可得生成三维矢量光束的空间周期为dD/λ。较佳的，D≈2.5d，且D应小于光调制器液晶屏最小尺寸的1/3。

图3为三维矢量光束的生成装置示意图。该装置包括激光器、偏振分光棱镜、准直器、两个液晶空间光调制器、半波片以及四分之一波片。其中：

所述偏振分光棱镜置于激光器发出的光路中，用于生成水平偏振激光；所述准直器置于偏振分光棱镜后方的光路中，用于对水平偏振激光进行准直；所述第一个液晶空间光调制器置于准直器后方的光路中，用于加载轴棱镜与螺旋相位片叠加后的全息光栅，将高斯光束转化为携带有轨道角动量的贝塞尔光束；所述半波片置于第一个液晶空间光调制器后方的光路中，且其快轴方向与水平面呈22.5°放置，用于将水平偏振贝塞尔光束转化为偏振方向与水平面呈45°的线偏振贝塞尔光束；所述第二个液晶空间光调制器置于半波片后方的光路中，用于加载径向周期相位与螺旋相位片叠加后的全息光栅，将偏振方向与水平面呈45°的线偏振贝塞尔光束转化为两束偏振方向分别为水平和垂直且携带有相反轨道角动量的线偏振贝赛尔光束的合束，同时水平偏振分量相比于垂直偏振分量有相位延迟；所述四分之一波片置于第二个液晶空间光调制器后方的光路中，其快轴方向与水平面呈45°，用于将两束偏振方向为水平和垂直且携带有相反轨道角动量的线偏振贝赛尔光束的合束转化为两束左旋和右旋且携带有相反轨道角动量的圆偏振贝赛尔光束的合束，同时左旋圆偏振分量相比于右旋圆偏振分量有相位延迟。

其原理可理解为，通过给第一台反射式液晶空间光调制器加载将轴棱镜与l阶螺旋相位片叠加后的全息光栅，则出射光为水平线偏-l阶贝塞尔光束。经快轴方向与水平面呈22.5°放置的半波片后，其偏振方向变为与水平面呈45°，此时其可偏振分解为两束等强度的偏振方向分别为水平和垂直的-l阶贝塞尔光束。第二台反射式液晶空间光调制器加载径向周期相位与2l阶螺旋相位片叠加后的全息光栅。由于本装置中使用的光调制器只能对水平线偏光进行纯相位调制，对垂直线偏振光无调制作用。因此，水平分量贝塞尔光束的阶次为-(-l+2l)＝-l，并在光场横截面不同的位置引入了不同的相位延迟，垂直分量贝塞尔光束阶次由于反射作用变为l。则此时出射光束可看作为两束偏振方向分别为水平和垂直且携带有相反轨道角动量的线偏振贝赛尔光束的合束，同时水平偏振分量相比于垂直偏振分量有相位延迟。经过快轴方向与水平面呈45°放置的四分之一波片后，其被转化为两束左旋和右旋且携带有相反轨道角动量的圆偏振贝赛尔光束的合束，同时左旋圆偏振分量相比于右旋圆偏振分量有相位延迟。则此光束即为三维矢量光束。

实施例1：一阶三维矢量光束的生成。

将如图4所示的轴棱镜与1阶螺旋相位片叠加后的全息光栅，和径向周期相位与2阶螺旋相位片叠加后的全息光栅分别加载在图3所示装置中的两个液晶空间光调制器上。打开激光光源，将CCD相机固定在沿光轴方向放置的光学导轨上，分别在初始位置、1/4空间周期处、1/2空间周期处以及3/4空间周期处测得的三维矢量光束如图5第1列所示。在CCD相机前加一可旋转的偏振片来检测三维矢量光束的偏振态。偏振片水平、45°和垂直放置时，CCD相机接收到的光斑如图5后三列所示，测得的三维矢量光束在不同传播距离处的的偏振态分布如图5第二列所示。图5表明，生成的一阶三维矢量光束的偏振态分布与理论预期吻合。

实施例2：二阶三维矢量光束的生成。

将如图6所示的轴棱镜与2阶螺旋相位片叠加后的全息光栅，和径向周期相位与4阶螺旋相位片叠加后的全息光栅分别加载在图3所示装置中的两个液晶空间光调制器上。打开激光光源，将CCD相机固定在沿光轴方向放置的光学导轨上，分别在初始位置、1/4空间周期处、1/2空间周期处以及3/4空间周期处测得的三维矢量光束如图7第1列所示。在CCD相机前加一可旋转的偏振片来检测三维矢量光束的偏振态。偏振片水平、45°和垂直放置时，CCD相机接收到的光斑如图7后三列所示，测得的三维矢量光束在不同传播距离处的的偏振态分布如图7第二列所示。图7表明，生成的二阶三维矢量光束的偏振态分布与理论预期吻合。

如图5和图7所示，三维矢量光束在不同的传播距离处具有不同的偏振态分布，其光场分布与同阶次贝塞尔光束相同。

同时我们可以看出，本发明的三维矢量光束具有偏振态分布随传输距离的改变而改变的特性，在一个空间周期内，其偏振态会从径向偏振到角向偏振交替变化。本发明提供的三维矢量光束生成装置可方便的生成三维矢量光束，只需改变加载在液晶空间光调制器上的全息光栅，即可实现不同阶次的三维矢量光束的生成，而无需再次调节其他任何光学元件。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种新型的三维矢量光束，其特征在于，光场分布与同阶次贝塞尔光束相同；光束横截面偏振态是各向异性、呈一定规律分布的，同时随着其传输距离的改变而改变；在一个空间周期内，其偏振态会从径向偏振到角向偏振交替变化；可通过增大或缩小传播距离实现偏振态分布的改变。

2.一种用于生成三维矢量光束的装置，其特征在于，包括激光器、偏振分光棱镜、准直器、两个液晶空间光调制器、半波片和四分之一波片，其中：

所述偏振分光棱镜置于激光器发出的光路中，用于生成水平偏振光；

所述准直器置于偏振分光棱镜后方的光路中，用于对水平偏振光进行准直；

所述第一个液晶空间光调制器置于准直器后的光路中，用于加载轴棱镜与螺旋相位片叠加后的全息光栅，将入射光束转化为携带有轨道角动量的贝塞尔光束；

所述半波片置于第一个液晶空间光调制器后的光路中，且其快轴方向与水平面呈22.5°放置，用于将水平偏振贝塞尔光束转化为偏振方向与水平面呈45°的线偏振贝塞尔光束；

所述第二个液晶空间光调制器置于半波片后的光路中，用于加载径向周期相位与螺旋相位片叠加后的全息光栅，将偏振方向与水平面呈45°的线偏振贝塞尔光束转化为两束偏振方向分别为水平和垂直且携带有相反轨道角动量的线偏振贝赛尔光束的合束，同时水平偏振分量相比于垂直偏振分量有相位延迟；

所述四分之一波片置于第二个液晶空间光调制器后的光路中，其快轴方向与水平面呈45°，用于将两束偏振方向为水平和垂直且携带有相反轨道角动量的线偏振贝赛尔光束的合束转化为两束左旋和右旋且携带有相反轨道角动量的圆偏振贝赛尔光束的合束，同时左旋圆偏振分量相比于右旋圆偏振分量有相位延迟。

3.根据权利要求2所述的三维矢量光束生成装置，其中，加载在扩束器后方的空间光调制器上的全息光栅，由轴棱镜与螺旋相位片叠加而成。

4.根据权利要求2所述的三维矢量光束生成装置，其中，加载在四分之一波片前方的空间光调制器上的全息光栅，由径向周期相位与螺旋相位片叠加而成，且螺旋相位片的阶次为权利要求3所述螺旋相位片的二倍，若用D表示径向周期相位的相位变化周期，d表示权利要求3所述轴棱镜的径向周期，λ表示光波长，则在光轴上引入附加相位与传输距离z之间的函数关系为：