CN109633920A - 一种厄米-高斯模式分束器 - Google Patents

Abstract

一种厄米‑高斯模式分束器，包括相位转换器和干涉装置；将相位转换器加入到干涉装置中，干涉装置先将光分成光束一和光束二，光束一经过相位转换器，光束二不经过相位转换器，在干涉装置的出口处再将两束光合并在一起。通过改变相位转换器所引入的相位值及其摆放方式，两个出口处会相对应的产生不同的相位差，且与厄米‑高斯模式水平参数m或竖直参数n相关，最终输入的模式从不同的出口出现，实现对厄米‑高斯模式的分束。本发明是基于厄米‑高斯模式的水平和竖直方向的两个特征参数，并未发生任何模式转化，是在对模式无损的情况下将其进行分离；全程不涉及衍射，光直接透射通过器件或者进行反射，可视为一般的透射或反射光学器件。

Description

一种厄米-高斯模式分束器

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种高阶激光横向模式的分束器，具体涉及一种厄米-高斯模式分束器。

背景技术

厄米-高斯模式和拉盖尔-高斯模式是两种常用的激光横向模式。分束器是用于把激光模式分离到不同空间位置的装置。目前，拉盖尔-高斯模式分束器技术较为成熟，厄米-高斯模式分束器的实现则相对困难。现有的厄米-高斯模式分束器方案是先将模式转变为拉盖尔-高斯光，再结合已有的拉盖尔-高斯模式分束器来实现对厄米-高斯模式的分束。这种分束器并非直接适用于厄米-高斯光束的装置，因而结构比较复杂。至今尚无一种不发生转化的厄米-高斯模式的分束器。

厄米-高斯模式具有两个特征参数m和n，分别对应两个正交方向(水平对应m，竖直对应n)。在其强度分布上，水平方向每一行的亮斑个数等于m+1，竖直方向每一列的亮斑个数等于n+1。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无模式变换的厄米-高斯模式分束器。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种厄米-高斯模式分束器，包括相位转换器和干涉装置；相位转换器由两个柱状透镜组成，两个柱状透镜平面相对，共轴放置，根据两个柱状透镜曲面所处状态分为水平和竖直两种摆放方式；将相位转换器加入到干涉装置中，干涉装置先将光分成光束一和光束二，光束一经过相位转换器，光束二不经过相位转换器，在干涉装置的出口处将两束光合并在一起；通过改变相位转换器所引入的相位值及两个柱状透镜的摆放方式，两个出口处相对应的产生不同的相位差，且与厄米-高斯模式水平参数m或竖直参数n相关，即输入的模式从不同的出口出现，实现对厄米-高斯模式的分束的目的。

本发明进一步的改进在于，相位转换器中两个柱状透镜之间的距离d满足d＝2sin(θ/2)f，其中，θ为相位转换器所引入的相位值，取值范围为[0,π]，f为柱状透镜的焦距。

本发明进一步的改进在于，将相位转换器以水平摆放方式置于MZ干涉仪的光路一中，当输入水平模式参数m值不同的厄米-高斯模式经过相位转换器时，引入的相位值大小为(m+1/2)θ，从而在MZ干涉仪两条光路之间引入与水平参数m有关的相位差；当θ＝π时，调节两条光路的光程，使得对于水平参数m为偶数的厄米-高斯模式，两光路之间总相位差为2π，则光在MZ干涉仪的出口一出现；对于水平参数m为奇数的模式，两臂之间引入的相位差为π，则光在出口二出现，达到将不同水平参数m值的厄米-高斯模式分束的效果；

同理，将相位转换器以竖直摆放方式置于MZ干涉仪的光路一中，使竖直参数n值不同的输入光出现在干涉仪的不同出口，从而实现不同竖直参数n值的厄米-高斯模式的分束。

本发明进一步的改进在于，将相位转换器以水平摆放方式置于Sagnac干涉仪的光路一中，对应实现将不同水平参数m值的厄米-高斯模式分束的效果；将相位转换器以竖直摆放方式置于Sagnac干涉仪的光路一中，则依据竖直参数n的取值实现厄米-高斯模式的分束。

本发明进一步的改进在于，将相位转换器所引入的相位值及摆放方式不同的分束器依次相联为多级分束器，实现厄米-高斯模式的分离。

一种厄米-高斯模式分束器，将相位转换器以菲涅尔相位片的形式加载在空间光调制器上，将入射光设置为45°偏振，利用反射式相位型空间光调制器对单一偏振进行调制的特性，使得入射光中的水平偏振成分经过相位转换器，竖直偏振成分未经过，从而在两种偏振成分之间引入与模式参数有关的相位差；当将代表相位转换器水平摆放方式和竖直摆放方式的光栅分别加载在空间光调制器上时，则分别实现m值和n值不同的厄米-高斯模式的分束。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

1.相较于其他厄米-高斯模式分束器，本发明是基于厄米-高斯模式的水平和竖直方向的两个特征参数，并未发生任何模式转化，是在对模式无损的情况下将其进行分离；

2.相较于已有的厄米-高斯模式分束器，本发明全程不涉及衍射，光直接透射通过器件或者进行反射，可视为一般的透射或反射光学器件。

3.本发明中的柱状透镜所实现的功能可由计算机程序模拟代替完成，其焦距和微小位移数值化并且可调，因此整个装置稳定性好精度高，摆脱了光学器件属性(如焦距)固定不变的限制。

进一步的，可用的干涉装置有很多种，原理上先将光分成两束，再将两束光合并在一起的形式都满足本发明的设计，如Mach-Zehnder(MZ)干涉仪、Sagnac干涉仪等。

进一步的，合理级联多级分束器，可以实现任意厄米-高斯模式的分束。

附图说明

图1是本发明实施例1的示意图。

图2是本发明实施例2的示意图。

图3是本发明实施例3的示意图。

图4是本发明中相位转换器水平摆放方式示意图。

图5是本发明中相位转换器竖直摆放方式示意图。

图6是本发明实施例3中空间光调制器加载的对应相位转换器水平摆放方式的光栅图。

图7是本发明实施例3中空间光调制器加载的对应相位转换器竖直摆放方式的光栅图。

图8是本发明的级联原理示例图。

图中，1为光源，2为分束器，3为反射镜，4为柱状透镜，5为偏振分束器，6为半波片，7为空间光调制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明的厄米-高斯模式分束器由相位转换器和干涉装置两大部分构成。

相位转换器由两个柱状透镜组成，其平面相对，共轴放置，根据其曲面所处状态分为水平和竖直两种摆放方式(如图4与图5)，在使用时分别对应厄米-高斯模式在水平方向的参数m和竖直方向的参数n，即利用这两个柱状透镜来为模式参数是m或n值的厄米-高斯模引入π、π/2、π/4等分立相位。对于两个柱状透镜，它们之间的距离d是一组特殊设计的分立值，满足d＝2sin(θ/2)f，其中θ为相位转换器所引入的相位，取值范围[0,π]，f为柱状透镜的焦距。

将上述相位转换器加入到合适的干涉装置中(如具体实施例中所述)，即为一个完整的分束器。合适的干涉装置的具体形式有很多，但整个分束器的原理都可以归结为干涉装置先将光分成两束，光束一和光束二，光束一经过上述相位转换器，光束二不经过相位转换器，再将两束光合并在一起，通过调节相位转换器的所引入的相位值及其摆放方式，在干涉装置的两个出口处会产生不同的相位差，且与m或n相关，最终入射的不同模式从不同的出口出现，即实现了对厄米-高斯模式的分束。

本发明将基于厄米-高斯模式的m和n参数设计分束器。该设计的原理基于厄米-高斯模式的两个特征参数，所以是一种不产生额外转化的分束器，理论上可以实现对模式的无损区分。

根据本发明中在干涉装置中加入相位转换器来实现厄米-高斯模区分的原理，共设计了三种较佳实施方案。以下，将参照附图详细描述这三种示例性实施装置的结构和操作。

在图1、图2、图3所示的3个实施例中，包括光源1、分束器2、反射镜3、柱状透镜4、偏振分束器5、半波片6以及空间光调制器7。

实施例1

如图1所示，将相位转换器以水平摆放方式置于Mach-Zehnder(MZ)干涉仪的光路一中。MZ干涉仪在两条光路由路径引起的光程相等，不同出口由于出射的两束光反射次数不同会造成不同的相位差。在出口一处，两束光的相位差为0，因此发生干涉相长；在出口二处，两束光的相位差为π，因此发生干涉相消。当模式参数m不同的厄米-高斯模式经过相位转换器时，会引入相位(m+1/2)θ，从而在干涉仪两条光路之间引入与模式参数m有关的相位差。当θ＝π时，适当调节两条光路的长度，可使得对于模式参数m为偶数的厄米-高斯模式，光路之间总相位差为2π，则光仍然在出口一出现；对于模式参数m为奇数的模式，两条光路之间引入的相位差为π，则光在出口二出现。依据上述原理便达到了将不同m值的厄米-高斯模式分束的效果。同理，若将相位转换器以竖直摆放方式置于MZ干涉仪的光路一中，这些模式会依据竖直参数n的取值的奇偶性出现在干涉仪的不同出口中，从而实现了不同竖直参数n值厄米-高斯模式的分束。

实施例2

如图2所示，将相位转换器以水平摆放方式置于Sagnac干涉仪的光路一中，原理与M-Z干涉仪相同，可以实现将不同m值的厄米-高斯模式分束的效果。同理，将相位转换器以竖直摆放方式置于Sagnac干涉仪中，会依据n的取值来实现厄米-高斯模式的分束。

实施例3

如图3所示，本实施例利用正交的偏振态实现干涉，用两种正交偏振态(通常为水平和竖直偏振)代替干涉装置的两条光路，再将如图4和图5所示的相位转换器以菲涅尔相位片的形式加载在空间光调制器上，对应图6和图7。将入射光设置为45^°偏振，利用反射式相位型空间光调制器只对单一偏振进行调制的特性(如Holoeye Pluto-VIS-016只对水平偏振进行调制)，使得入射光中的水平偏振成分经过相位转换器，而竖直偏振成分则等效于未经过，从而在两种偏振成分之间引入与模式参数有关的相位差。当将代替相位转换器水平摆放方式的光栅加载在空间光调制器上，对应可以实现将不同m值的厄米-高斯模式分束的效果；同理，当将代替相位转换器竖直摆放方式的光栅加载在空间光调制器上时，对应实现将不同n值的厄米-高斯模式分束。

分束器的级联：通过改变分束器的级联结构，包括改变其中相位转换器的摆放方式以及θ值，可实现将任意厄米-高斯模式分束的目的。原理及示例如下：

1.当分束器中的相位转换器θ＝π且水平摆放，则只能实现将m奇偶性不同的厄米-高斯模式分开；

2.若要将m和n不同的厄米-高斯模式同时进行分离，就需将相位转换器为水平摆放方式的分束器和相位转换器为竖直摆放方式的分束器进行级联，例如：一级分束器中的相位转换器θ＝π且水平摆放，此时m奇偶性不同的厄米-高斯模式分别出现在不同的出口。将二级分束器放置在一级分束器的出口之后，其中的相位转换器θ＝π且竖直摆放，如此便实现了同时将m和n奇偶性不同的厄米-高斯模式分离的目的；

3.若要将m或n不同的厄米-高斯模式更细致的进行分离，就需级联多级具有不同θ值相位转换器的分束器，例如：一级分束器中的相位转换器θ＝π且水平摆放，此时m为偶数的模式在出口一，m为奇数的模式在出口二。将相位转换器θ＝π/2且水平摆放的分束器放置在一级分束器的出口一之后，如此在二级分束器出口处便将是4的整数倍和不是4的整数倍的偶数m值的厄米-高斯模式进行分束。

下面以二级级联为例具体介绍级联过程：如图8所示，以对HG₀₀、HG₀₁、HG₁₀、HG₁₁(下角标第一个数字代表参数m，第二个数字代表参数n)四种模式进行分束的***为例，图中表示相位转换器为水平摆放方向且θ＝π，表示相位转换器为竖直摆放方向且θ＝π。第一级的分束器使HG₀₀、HG₀₁从上通道出射，HG₁₀、HG₁₁从下通道出射(此处通道对应上述几种干涉装置的出口)。第二级由两个的分束器组成，将第一级得到的两组模式进一步分束，最终使得HG₀₀、HG₀₁、HG₁₀、HG₁₁从四个不同的通道出射。

本发明中所需干涉装置并不局限于上述的几种，只要干涉装置满足先将入射光分成两束，光束一和光束二，经相同的光程再将两束光合并在一起的形式即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施示例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种厄米-高斯模式分束器，其特征在于，包括相位转换器和干涉装置；相位转换器由两个柱状透镜组成，两个柱状透镜平面相对，共轴放置，根据两个柱状透镜曲面所处状态分为水平和竖直两种摆放方式；将相位转换器加入到干涉装置中，干涉装置先将光分成光束一和光束二，光束一经过相位转换器，光束二不经过相位转换器，在干涉装置的出口处将两束光合并在一起；通过改变相位转换器所引入的相位值及两个柱状透镜的摆放方式，两个出口处相对应的产生不同的相位差，且与厄米-高斯模式水平参数m或竖直参数n相关，即输入的模式从不同的出口出现，实现对厄米-高斯模式的分束的目的。

2.根据权利要求1所述的一种厄米-高斯模式分束器，其特征在于，相位转换器中两个柱状透镜之间的距离d满足d＝2sin(θ/2)f，其中，θ为相位转换器所引入的相位值，取值范围为[0,π]，f为柱状透镜的焦距。

3.根据权利要求2所述的一种厄米-高斯模式分束器，其特征在于，将相位转换器以水平摆放方式置于MZ干涉仪的光路一中，当输入水平模式参数m值不同的厄米-高斯模式经过相位转换器时，引入的相位值大小为(m+1/2)θ，从而在MZ干涉仪两条光路之间引入与水平参数m有关的相位差；当θ＝π时，调节两条光路的光程，使得对于水平参数m为偶数的厄米-高斯模式，两光路之间总相位差为2π，则光在MZ干涉仪的出口一出现；对于水平参数m为奇数的模式，两臂之间引入的相位差为π，则光在出口二出现，达到将不同水平参数m值的厄米-高斯模式分束的效果；

同理，将相位转换器以竖直摆放方式置于MZ干涉仪的光路一中，使竖直参数n值不同的输入光出现在干涉仪的不同出口，从而实现不同竖直参数n值的厄米-高斯模式的分束。

4.根据权利要求2所述的一种厄米-高斯模式分束器，其特征在于，将相位转换器以水平摆放方式置于Sagnac干涉仪的光路一中，对应实现将不同水平参数m值的厄米-高斯模式分束的效果；将相位转换器以竖直摆放方式置于Sagnac干涉仪的光路一中，则依据竖直参数n的取值实现厄米-高斯模式的分束。

5.根据权利要求2所述的一种厄米-高斯模式分束器，其特征在于，将相位转换器所引入的相位值及摆放方式不同的分束器依次相联为多级分束器，实现厄米-高斯模式的分离。

6.一种厄米-高斯模式分束器，其特征在于，将相位转换器以菲涅尔相位片的形式加载在空间光调制器上，将入射光设置为45°偏振，利用反射式相位型空间光调制器对单一偏振进行调制的特性，使得入射光中的水平偏振成分经过相位转换器，竖直偏振成分未经过，从而在两种偏振成分之间引入与模式参数有关的相位差；当将代表相位转换器水平摆放方式和竖直摆放方式的光栅分别加载在空间光调制器上时，则分别实现m值和n值不同的厄米-高斯模式的分束。