[发明专利]一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法及系统

说明书

本发明公开了一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法及系统，包括以下步骤：将完全相干矢量光束加载涡旋相位后调控为高阶庞加莱球的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光合成为高阶庞加莱球上的矢量偏振光，并通过调节产生一高阶庞加莱球的偏振矩阵；降低偏振光的空间相干性，并经过整形得到随机电磁光束，同时，提取偏振矩阵中的偏振信息到随机电磁光束的空间关联张量中；将随机电磁光束传输到远场，在远场中，偏振信息从空间关联张量中转移到随机电磁光束的偏振矩阵中，得到具有鲁棒特性的高阶庞加莱球偏振态。本发明解决现有高阶庞加莱球偏振光束难以产生、不具备鲁棒特性、容易被外界环境破坏的问题。

技术领域

本发明涉及信息光学技术领域，具体涉及一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法及系统。

背景技术

偏振是光束调控的重要自由度，早期人们对偏振光的研究主要集中于最简单的标量偏振光，标量光的偏振在空间不同位置是一致的，例如线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光等。对标量偏振光束的充分研究也诞生了3D眼镜、车载滤光玻璃等设备，大大提升了人们的生活质量。为了更好地表示标量光束的偏振，1892年法国科学家庞加莱建立了庞加莱球，他将不同方向的线偏振、不同旋向的椭圆偏振和圆偏振映射到一个以斯托克斯参量为坐标系的球上，球的南极点和北极点分别表示为左旋和右旋圆偏振，这个球被称为庞加莱球。

随着偏振光学逐渐发展，矢量偏振光的概念被提出，与标量偏振光不同，矢量偏振光的偏振态在空间不同位置是不同的，具有更高的研究价值和意义。最早实验中产生的矢量偏振光是径向偏振矢量光，其偏振态是满足圆对称分布的线型偏振态，研究发现径向偏振光在经过高数值孔径透镜后能够产生一个范围很小的强纵向光场分量，可应用于光学刻蚀、微粒捕获等方面。后来越来越多新型矢量光场和新型矢量偏振态被提出，例如杂化偏振光场、全庞加莱球矢量光场、多奇点矢量光场等，各种各样的新型矢量光场被应用于光信息传递、紧聚焦研究等领域。借助庞加莱对标量光的表示——庞加莱球，美国科学家Milione以携带一阶涡旋的左右旋圆偏振光作为南北极点，建立了一阶庞加莱球，经典的矢量偏振态——径向偏振和角向偏振都属于一阶庞加莱球偏振态。但是携带更多拓扑荷的更高阶庞加莱球无论是产生方法还是特性分析都鲜有研究，更高阶的庞加莱球偏振光具有更复杂的偏振态分布，能够在紧聚焦焦场整形、信息存储、信息传递等方面提供更广泛的应用场景。

另一方面，众多研究表明，光束的偏振态容易被外界环境所干扰。例如在2009年戴顿大学詹其文等人研究中发现，完全相干矢量光束经过大气湍流时，光斑会受到湍流扰动产生光斑的漂移和闪烁，进而偏振态也会被破坏，并且传播距离越远、湍流强度越强偏振态被破坏地越严重；在2014年苏州大学吴高峰等人的研究中发现，径向偏振光会被不透明障碍物的遮挡所扰乱，遮挡面积越大则偏振态变化越大。这些现象会导致光束的偏振在实际应用中会受制于光束的传输环境，除去在真空环境下，空气中的气流流动和微粒粉尘或多或少都会对光束产生一定的影响，因此如何产生一种不容易被环境破坏的具有鲁棒偏振态的光束在偏振光学研究中尤为重要。

现有光束偏振的调控和产生方法常见的有：

最简单的通过在光路中添加线偏振片、半波片等器件可以实现偏振方向的转变；使用四分之一波片可以实现偏振类型的转变（如将线偏振变成圆偏振等），但其仅利用线偏振片、波片调控偏振无法产生复杂的矢量偏振光场；

对于矢量偏振的产生，可以使用径向/角向偏振转换器，入射光为y方向偏振光或者x方向偏振光，输出光可以直接产生径向或者角向偏振，径向/角向偏振转换器也仅能把线偏振转换成径向偏振或者角向偏振，无法产生其他矢量偏振态，适用范围小；