一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件制造技术

本发明专利技术公开了一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，包括两个非偏振透射层和两个偏振透射层(2)；其中，一个非偏振透射层与对应的一个偏振透射层(2)相互连接形成一个整体，两个非偏振透射层和两个偏振透射层(2)分别相向排列，且两个偏振透射层(2)位于内侧设置。本发明专利技术利用单一偏振的涡旋光，对其偏振基底进行调制，由于生成的矢量涡旋光的模式只与入射光有关，所以对于不同的入射光可以生成对应的不同矢量光模式，入射光允许有径向结构，且改变入射光时本发明专利技术保持不变。

A Vector Vortex Generator Based on Guy Phase

【技术实现步骤摘要】
一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件
本专利技术属于光学
，具体涉及一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件。
技术介绍
涡旋光是具有螺旋波前的结构光。一般涡旋光的偏振分布是均匀的，如线偏振、圆偏振等，又称作标量涡旋光。矢量涡旋光的偏振分布则是随横向空间的位置按一定规律变化，一般呈轴对称分布，又称作柱对称矢量光场。研究表明，柱对称的矢量涡旋光经高数值孔径透镜紧聚焦时，可以得到最小的聚焦球对称点，可以用来提高成像分辨率，用于等离子聚焦，纳米粒子操控等，其中在高分辨成像领域的应用价值尤为突出，在共聚焦显微技术、双光子显微技术、二阶谐振生成显微、暗场成像等技术中均有体现。此外，矢量涡旋光在激光加工、遥感技术、太赫兹技术、奇点光学、数据存储等领域也有值得期待的应用前景。量涡旋光有多种产生方法，对产生方法的改进和创新是领域内的研究热点之一。一种典型的思路是在激光腔内加入预设的腔装置使激光腔输出矢量涡旋光模式的谐振波。这种腔装置可以是轴向双折射器件或者轴向双向色性元件，其作用是提供模式选择功能以去除基模成分，最早在1972年就已有相关研究，然而当时鲜有矢量涡旋光的应用开发，很少有人关注矢量涡旋光的产生。近些年来，矢量涡旋光的应用潜力逐渐被发掘，主动矢量涡旋光生成再次引起关注。应用腔内轴向双折射器件的产生方法被重新提出和进一步改良。新的提供偏振模式选择的器件，如锥形透镜轴向双向色性器件、布儒斯特角反射装置等也被开发出来。另外一种思路是通过转化那些普通的空间均匀偏振(如线偏振)光来产生空间不均匀的矢量涡旋光。因此，在这类方案中往往需要一个拥有空间变化的偏振性质的器件，使经过的光束被径向或角向偏振化。这类器件可以由很多种平面加工技术制作，如电子束刻蚀、灰度刻蚀等。现今一些成品级的元件已可以在光学元件制造商处购买。这类器件的缺点是一个定制好的器件只能生成一类矢量涡旋光。除了上述用空间变化的偏振装置产生的方法外，干涉法也是一种常见产生矢量涡旋光的方法。这类方法用马赫-曾德尔干涉仪或者萨格纳克干涉仪和螺旋相位片或者空间光调制器液晶产生的螺旋相位结合，用两个单偏振涡旋叠加得到矢量涡旋光。但是此类方法不可避免地受到干涉稳定性的限制，同时由于涉及面板型器件，在光束质量上也受器件分辨率限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，其可实现利用单偏振涡旋光产生矢量涡旋光的功能。此器件产生的矢量涡旋光的模式只与入射光有关，因此一个器件可以应用于多数矢量涡旋光的生成。此器件不包含路径干涉装置，在稳定性上有较大优势。本专利技术采用如下技术方案来实现的：一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，包括两个非偏振透射层和两个偏振透射层；其中，一个非偏振透射层与对应的一个偏振透射层相互连接形成一个整体，两个非偏振透射层和两个偏振透射层分别相向排列，且两个偏振透射层位于内侧设置。本专利技术进一步的改进在于，非偏振透射层选用平凸柱状透镜或菲涅尔相位片。本专利技术进一步的改进在于，平凸柱状透镜或菲涅尔相位片可以给入射光附加焦距为f的会聚作用。偏振透射层对左旋圆偏振光附加焦距为f的会聚作用，对右旋圆偏振光附加焦距为-f的发散作用。运用零距离放置时的透镜焦距合成公式可得每一侧的组合的总焦距为fL＝f/2，fR＝+∞。本专利技术进一步的改进在于，左右两部分对向放置的距离d＝f时，对于左旋圆偏振构成一个π古伊相位转换器。π古伊相位转换器的效果即为实现|l>至|-l>的翻转，|l>和|-l>分别表示拓扑荷为l和-l的涡旋光，涡旋光拓扑荷取任意整数；对右旋圆偏振成分无翻转作用。本专利技术进一步的改进在于，该器件能够生成单模矢量涡旋光，其表达式为：式中，|L>表示左旋圆偏振，|R>表示右旋圆偏振，γ为相对相位。本专利技术进一步的改进在于，两个偏振透射层之间还设置有连接层，且连接层的长度为d＝nf，式中n为连接层材料的折射率。本专利技术具有如下有益的技术效果：1、通用性：利用单一偏振的涡旋光，对其偏振基底进行调制，由于生成的矢量涡旋光的模式只与入射光有关，所以对于不同的入射光可以生成对应的不同矢量光模式，入射光允许有径向结构，且改变入射光时本专利技术保持不变；2、稳定性：器件由原理上不需要进行路径分束合束操作，系统中无干涉仪，因此在实际运用中在稳定性上优于各种干涉仪方法。更进一步的可以设计成一体化的器件使其更加稳定。3、可线性叠加：基于线性光学设计，器件实现的物理过程可以叠加，使其不但适用于单一矢量涡旋光的生成，还可以适用于混态和叠加态。4、可逆向使用：基于线性光学设计，器件可以逆向使用，实现矢量涡旋光向均匀偏振涡旋光的变换。附图说明图1为本专利技术所述器件的结构和对左旋圆偏振的会聚作用示意图；图2为本专利技术所述器件的结构和对右旋圆偏振的作用示意图；图3为本专利技术所述器件的三维结构图和作用效果示意；图4为本专利技术所述器件的一种紧凑型结构三维图；图5为偏振透射层快轴排布示意图；图6为含光源的矢量涡旋光生成装置示意。附图标记说明：1、平凸柱状透镜或菲涅尔相位片；2、偏振透射层；3、均匀偏振光的偏振分布；4、矢量涡旋光的偏振分布；5、连接层。具体实施方式以下结合附图对本专利技术做出进一步的说明。本专利技术提供的一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，由两个非偏振透射层和两个偏振透射层2组成。非偏振透射层以平凸柱状透镜1为例。如图1所示，排列方式为两个平凸柱状透镜和两个偏振透射层分别相向排列。非偏振透射层以平凸柱状透镜1为例，平凸柱状透镜可以给入射光附加焦距为f的会聚作用，本专利技术所述焦距均为柱状透镜的焦距，即只对横向平面的单一方向有会聚作用。偏振透射层2的作用是对左旋圆偏振光附加焦距为f的会聚作用，对右旋圆偏振光附加焦距为-f的发散作用。运用零距离放置时的透镜焦距合成公式可得每一侧的组合的总焦距为fL＝f/2，fR＝+∞。图1和图2分别展示了器件对左旋圆偏振和右旋圆偏振的会聚作用。在图1-3中，左右两部分对向放置的距离d＝f时，对于左旋圆偏振构成一个π古伊相位转换器。π古伊相位转换器的效果即为实现|l>至|-l>的翻转。对于右旋圆偏振则无转换器作用。本专利技术在改变左右两部分对向放置的距离d时，还可以实现任意的古伊相位转换器，其中d＝sin(Θ/2)f，其中Θ为该器件引入的古伊相位。本专利技术作用可以概括为|l,L>→|-l,L>，|l,R>→|l,R>，式中|L>表示左旋圆偏振，|R>表示右旋圆偏振。一般的单模矢量涡旋光可写为式中γ为相对相位。而对于均匀偏振的涡旋光，可以表示为的形式，按照本专利技术的作用可以被转化为即生成了单模矢量涡旋光。器件的三维结构和作用效果如图3所示，图中1为平凸柱状透镜或菲涅尔相位片，2为偏振透射层，3为均匀偏振光的偏振分布，4为矢量涡旋光的偏振分布。本专利技术所述器件的拓展形式即一种紧凑式结构如图4所示，图中1为平凸柱状透镜层，2为偏振透射层，5为连接层。各层之间用非破坏型的技术连接，如低功率照射的光学胶。在傍轴薄透镜且空气折射率按1计算的情况下，根据斯涅尔定律n1sinθ1＝n2sinθ2，当连接层折射率为n，θ1、θ2分别为无、有连接层时折射光与界面法线的夹角，根据傍轴近似下sinθ≈θ,t本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，其特征在于，包括两个非偏振透射层和两个偏振透射层(2)；其中，一个非偏振透射层与对应的一个偏振透射层(2)相互连接形成一个整体，两个非偏振透射层和两个偏振透射层(2)分别相向排列，且两个偏振透射层(2)位于内侧设置。

【技术特征摘要】
1.一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，其特征在于，包括两个非偏振透射层和两个偏振透射层(2)；其中，一个非偏振透射层与对应的一个偏振透射层(2)相互连接形成一个整体，两个非偏振透射层和两个偏振透射层(2)分别相向排列，且两个偏振透射层(2)位于内侧设置。2.根据权利要求1所述的一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，其特征在于，该器件对左旋圆偏振成分实现|l>至|-l>的翻转，|l>和|-l>分别表示拓扑荷为l和-l的涡旋光，涡旋光拓扑荷取任意整数；对右旋圆偏振成分无翻转作用。3.根据权利要求1所述的一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，其特征在于，非偏振透射层选用平凸柱状透镜或菲涅尔相位片(1)。4.根据权利要求3所述的一种基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张沛，贾俊亮，胡马萍，夏晋，张科鹏，刘瑞丰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61