[发明专利]一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置及方法

说明书

本发明公开了一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置及方法，所述装置包括：径向和角向混合柱矢量光束的产生模块、径向和角向柱矢量光束空间分离器件模块和远场检测模块；本发明通过在传统动力学相位超表面的基础上进一步赋予每个超原子空间位置相关的旋转角度来实现对于径向和角向柱矢量光束的独立相位操控，径向和角向柱矢量光束空间分离器件被设计通过在径向和角向偏振方向上集成共轭的梯度光栅相位，相较于传统光学器件，本发明所提出的方法使得对于非均匀偏振光束的任意相位操控成为可能，这使得其在结构光通信、全光互联等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及的是一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置及方法。

背景技术

通常来说，光的偏振是指光矢量的振动方向相对于传播方向的非轴对称，而具有偏振性质的光就称为偏振光。根据偏振态在光束横截面的空间分布，偏振光可以分为均匀偏振光和非均匀偏振光，而矢量光就是一种非均匀偏振光。矢量光束中最为特殊的是一种偏振态在光束横截面内呈柱对称分布的光束即柱矢量光束，有时也被称为矢量束或矢量模，其最常见的偏振方向为径向偏振和角向偏振。由于其独特的光学性质，柱矢量光束已经在许多领域得到了应用，如光束整形、光学捕获、光信息处理、超分辨技术、光学计量和激光材料加工等。特别是在光通信领域中，柱矢量光束作为光纤的固有模式，具有良好的抗湍流能力，已被证明可以在自由空间和光纤中进行模分复用，这可以极大地提高通信容量和频率利用率，这为即将到来的产能危机提供了极好的解决方案。但偏振分布不均匀使得新的多路复用技术对相应的信息处理设备提出了更高的要求。尤其是多路传输中的单矢量模通道的信息处理，如通道分离和变换，一直没有被解决，这其中的关键是如何实现径向和角向柱矢量光的任意独立相位控制。

迄今为止，已经有各种光学元件被应用在柱矢量光束的相位控制方面，如透镜、螺旋相位板和空间光调制器。其中，透镜和螺旋相位板的相位调制依赖于光路积累，器件体积庞大，调制功能单一就成了其很明显的缺点。空间光调制器以其可以重构的特性增加了操作的多样性，但由于它的偏振敏感特性，通常需要将柱矢量光束分解成两个正交的线偏振轨道角动量模，因此常常伴随着复杂的光链路。最近，超表面显示了出色的相位和偏振操控能力，这是一种在亚波长尺度下构建其几何结构和排列方向的材料。已经有很多研究报道，利用超表面来操纵柱矢量光束，并将其应用于全光信息处理。在以往的工作中，具有自旋-轨道相互作用的PB相位超表面，已经被证明可以进行柱矢量光束的信息处理。然而，PB相位超表面的左右旋转分量的共轭相位调制只能够控制柱矢量光束的偏振。后来提出的混合相位超表面，通过在旋转金属原子的同时调整其几何尺寸，实现了左右旋转分量的非共轭位相调制，从而使得操纵柱矢量光束的位相成为可能。遗憾的是，这种方法虽然实现了位相控制，但也改变了入射光束的偏振分布。利用偏振不敏感的超表面来实现光学透镜、分束器等，似乎可以在不改变柱矢量光束偏振分布的情况下，在一定程度上实现对柱矢量光束的任意位相控制。然而，偏振不敏感使得径向和角向柱矢量光束的相位调制总是相同的。因此，超表面要实现径向和角向柱矢量光束的独立相位控制仍然是相当具有挑战性的。

因此，针对上述缺陷，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制的装置及方法，旨在实现径向和角向混合柱矢量光束独立相位操控。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其中，所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置包括：

径向和角向混合柱矢量光束的产生模块、径向和角向柱矢量光束空间分离器件模块和远场检测模块；

所述径向和角向混合柱矢量光束的产生模块包括：

用于产生高斯光束的第一光源和第二光源；

用于改变高斯光束的偏振方向的第一偏振片和第二偏振片；