[发明专利]几何相位元件及光场空间模式π/2变换装置

权利要求书

1.一种几何相位元件，其特征在于，所述几何相位元件的光轴取向按照如下分布设置：

式中，x和y分别为所述几何相位元件上各点处对应的二维空间直角坐标系的横坐标和纵坐标，β(x,y)表示所述几何相位元件的光轴取向空间分布函数，为预设的π/2像散延迟空间相位分布，所述π/2像散延迟空间相位分布的表达式为：

其中，λ表示光束波长；z表示光束两次加载空间相位分布的空间间隔。

2.一种几何相位元件设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

预先获得用于实现π/2像散延迟的空间相位分布作为π/2像散延迟空间相位分布，所述π/2像散延迟空间相位分布的表达式为：

式中，x和y分别为所述几何相位元件上各点处对应的二维空间直角坐标系的横坐标和纵坐标；λ表示光束波长；z表示光束两次加载空间相位分布的空间间隔；

根据二分之一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵，获得几何相位元件的光轴取向空间分布函数β(x,y)，以完成几何相位元件的设计；其中，所述光轴取向空间分布函数的表达式为：

3.一种光场空间模式π/2变换装置，其特征在于，包括两个如权利要求1所述的几何相位元件：第一几何相位元件(11)和第二几何相位元件(12)；所述第一几何相位元件(11)和所述第二几何相位元件(12)的空间光轴取向相反且二者与水平方向的夹角相同。

4.一种利用如权利要求3所述的光场空间模式π/2变换装置进行光场空间模式π/2变换的方法，其特征在于，所述光场空间模式π/2变换的过程包括：携带具有特定偏振状态的空间模式且波长为λ、束腰半径为的标量光场，自束腰位置从所述第一几何相位元件(11)入射，经自由衍射空间距离z后，从所述第二几何相位元件(12)射出，即完成空间模式像散变换，获得π/2模式变换后的标量光场；其中，所述特定偏振状态包括左旋圆偏振或右旋圆偏振。

5.一种光场空间模式π/2变换装置，其特征在于，包括偏振分束器(4)、偏振相互正交的反射臂和透射臂；所述反射臂包括一个如权利要求1所述的几何相位元件：第三几何相位元件(23)，所述透射臂包括一个如权利要求1所述的几何相位元件：第四几何相位元件(33)；所述第三几何相位元件(23)和第四几何相位元件(33)的空间光轴取向相同且二者与水平方向的夹角相反；

所述反射臂还包括第一法拉第旋光器(21)、第一四分之一波片(22)、第二四分之一波片(24)、第一反射镜(25)；按照通光方向，所述反射臂的组成为：第一法拉第旋光器(21)、第一四分之一波片(22)、第三几何相位元件(23)、第二四分之一波片(24)、第一反射镜(25)；

所述透射臂还包括第二法拉第旋光器(31)、第三四分之一波片(32)、第四四分之一波片(34)、第二反射镜(35)；按照通光方向，所述透射臂的组成为：第二法拉第旋光器(31)、第三四分之一波片(32)、第四几何相位元件(33)、第四四分之一波片(34)、第二反射镜(35)。

6.根据权利要求5所述的一种光场空间模式π/2变换装置，其特征在于，所述装置的输出端设置有二分之一波片(5)，以交换反射臂和透射臂在分别完成模式变换后空间模式的偏振状态。

7.根据权利要求6所述的一种光场空间模式π/2变换装置，其特征在于，所述第一法拉第旋光器(21)和所述第二法拉第旋光器(31)具有能将线性偏振光单向旋转45°的相同光学参数。

8.一种利用如权利要求7所述的光场空间模式π/2变换装置进行光场空间模式π/2变换的方法，其特征在于，所述光场空间模式π/2变换的过程包括：携带具有特定偏振状态的空间模式且波长为λ、束腰半径为的矢量光场，由偏振分束器(4)分束后，一束反射光经反射臂完成标量模式变换，并以水平偏振态经由偏振分束器(4)透射输出；另一束透射光经透射臂完成标量模式变换，并以垂直偏振态经由偏振分束器(4)反射输出；在经偏振分束器(4)合束后从二分之一波片(5)透射出，完成矢量光场的π/2模式变换，获得π/2模式变换后的矢量光场；其中，所述特定偏振状态包括左旋圆偏振或右旋圆偏振。