[发明专利]几何相位元件及光场空间模式π/2变换装置

说明书

一种几何相位元件及光场空间模式π/2变换装置，涉及光学技术领域，用以解决现有光场空间模式变换装置无法实现高精度的π/2散延迟的问题。本发明的技术要点包括：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，并根据二分之一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵获得二元光学元件的光轴取向空间分布函数，从而完成二元光学元件的设计；基于上述设计的二元光学元件，提出光场空间模式π/2变换装置，以分别对入射标量光场和矢量光场的空间模式进行转换。本发明提出的二元光学元件具有高精度且紧凑、易集成的特点，简化了模式变换光路的调教过程，可应用于光场空间模式变换技术中。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种几何相位元件及光场空间模式π/2变换装置。

背景技术

光场的旁轴空间模式与偏振态类似，都可在态空间中做连续幺正变换。拥有由偏振状态所决定的自旋角动量(SAM)，以及横向空间模式所决定轨道角动量(OAM)。光场偏振态的变换可通过旋转具备π/2双折射延迟的器件(如波片)来实现，而光场空间模式的变换则可通过旋转具备π/2的像散延迟器件实现。近年来，光场空间模式在光子学领域的广泛应用，使得相关模式变换技术及装置越来越受到重视。

在传统光学领域，典型的空间模式变换器可由两个对称的柱透镜组成。例如1999年《Optics Communications》159卷13页发表的《Performance of a cylindrical lensmode converter for producing Laguerre–Gaussian laser modes》，利用柱透镜组构成的π/2模式变换器，实现了厄米-高斯(HG)模式与拉盖尔-高斯模式(LG)间的模式变换。然而，上述模式变换器，对柱透镜间的空间距离以及入射光场束腰尺寸的严格要求，导致了安装与调试过程的复杂性，大大限制了其实际应用。为此，2018年《Applied Optics》57卷6076页发表的《Integrated design of pi/2converter and its experimentalperformance》，将两个柱透镜集成化，不必对两个柱透镜的角度以及空间间隔进行调试，但入射光场依旧需要额外透镜的辅助以满足模式变换对束腰的要求。而且，此类大体积折射器件在旋转过程中会对光束指向造成偏折射，限制了应用场景。此外，由于自由空间衍射的存在，上述基于透镜系统的模式变换装置也无法实现高精度的π/2像散延迟。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出一种几何相位元件及其设计方法及光场空间模式π/2变换装置，用以解决现有光场空间模式变换装置无法实现高精度的π/2像散延迟的问题。

根据本发明的一方面，提供一种几何相位元件，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。

根据本发明的另一方面，提供一种几何相位元件设计方法，该方法包括以下步骤：

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：