[发明专利]一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置

说明书

一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置，包括空间光调制器、第一透镜、强度控制器、空间滤波器、偏振控制器、第二透镜和朗奇光栅组成，所述强度控制器由半波片和偏振分束器组成，偏振控制器由四分之一波片和半波片组成，所述线偏振光依次通过所述空间光调制器、第一透镜、一对强度控制器、空间滤波器、一对偏振控制器、第二透镜和朗奇光栅，形成偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场。相比于现有技术，本发明光路简单，不需要过多的光学元件就能够实现产生偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场，并且可以实现器件与光场各种参数的精准对应控制。

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置。

背景技术

矢量光场是指同一时刻同一波阵面上不同位置具有不同偏振态的光场。庞加莱球是一种表征偏振态的模型，球面上每个点代表一种不同的偏振态。在庞加莱球面上画一个圆形路径，如果一类光场波面上的偏振态沿旋向变化，且该变化与庞加莱球上沿圆形路径的偏振态变化完全一致，我们就称其为偏振沿庞加莱球上圆形路径变化的矢量光场，这类矢量光场包括常见的径向偏振矢量光场、旋向偏振矢量光场、杂化偏振矢量光场和均匀椭偏率矢量光场等。偏振沿庞加莱球上圆形路径变化的矢量光场已广泛应用于量子信息、粒子加速、单分子成像、光学微加工以及光镊和光学微操纵等众多领域。

如何灵活、高效的生成各类矢量光场一直是本领域研究的热点。目前，矢量光场的生成方法可以分为以下两类：主动生成法和被动生成法。主动生成法是指经过激光器谐振腔直接产生矢量光场的方法，此类方法生成效率虽然高，但是缺乏灵活性，只能生成少数特定矢量光场。被动生成法又分以下两类：直接法和间接法。其中，被动生成法中的直接法是指通过设计好的q板或超表面材料直接将标量光场转化成为特定矢量光场的方法。在灵活性方面直接法比主动生成法有所提高，但是依旧不够灵活，并且降低了生成效率。被动生成法中的间接法是指通过两束偏振态正交的光场相干叠加产生矢量光场的方法，又被称作干涉法。间接法中的两束相干光可以通过空间光调制器控制，具有极高的灵活性。

目前基于4f系统的间接法又可以分为使用一个空间光调制器和多个空间光调制器的情况。对于使用多个空间光调制器的实验方案，由于空间光调制器的衍射，导致其具有生成矢量光场效率较低的缺点。对于使用单个空间光调制器的实验方案，如果在空间光调制器上加载一维光栅调制，其缺点在于产生矢量光场的种类大大减少，仅能生成特定的局域线偏振的矢量光场、杂化偏振矢量光场或均匀椭偏率矢量光场；如果加载二维光栅调制，缺点则是极大地降低了矢量光场的生成效率。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种产生偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场的装置，仅使用一个加载了一维光栅的空间光调制器，同时兼顾产生矢量光场的种类和生成效率，相对于使用单一空间光调制器和加载一维光栅的情况，可以生成种类更加丰富的矢量光场，相对于使用多个空间光调制器和加载二维光栅的情况，具有更高的实验生成效率。

本发明的技术方案如下：

一种偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场生成装置，包括空间光调制器、第一透镜、强度控制器、空间滤波器、偏振控制器、第二透镜和朗奇光栅组成，所述空间光调制器位于所述第一透镜的前焦面，所述空间滤波器与所述空间光调制器对应设置，其位于所述第一透镜与所述第二透镜之间，同时其也位于所述第一透镜的一倍焦距处，所述朗奇光栅位于所述第二透镜的后焦面位置，一对所述强度控制器位于所述第一透镜与所述空间滤波器之间，一对所述偏振控制器放置在所述空间滤波器与所述第二透镜之间；

线偏振光依次通过所述空间光调制器、第一透镜、强度控制器、空间滤波器、偏振控制器、第二透镜和朗奇光栅，形成偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场；

形成所述的偏振沿庞加莱球上任意圆形路径变化的矢量光场表达式为：

其中：