一种偏振传输不变光场的产生系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种偏振传输不变光场的产生系统及方法，该系统包括：激光光源、空间光调制器、计算机、第一透镜、遮光元件、第一四分之一波片和第二四分之一波片、第二透镜和光束合成元件。本发明专利技术偏振传输不变光场的产生系统及方法通过产生满足一定古依阶数关系的两束拉盖尔高斯基模光束，并将两束拉盖尔高斯基模光束赋予正交的均匀偏振，再让两个拉盖尔高斯基模光束聚焦到朗奇光栅上，稳定合成为偏振传输不变光场。本发明专利技术产生的光场在其横截面上同时具有线偏振、椭圆偏振、圆偏振，并且光场在自由空间的传输过程中除正常的光斑尺寸缩放外，偏振分布不会发生变化。振分布不会发生变化。振分布不会发生变化。

【技术实现步骤摘要】
一种偏振传输不变光场的产生系统及方法


[0001]本专利技术涉及光学
，特别涉及一种偏振传输不变光场的产生系统及方法。

技术介绍

[0002]随着科技的发展和社会进步，光场的调控及应用已经渗透到军工、医疗以及生活的方方面面，而偏振作为光场研究的重要自由度，一直以来都具有极高的研究价值。19世纪初，马吕斯最早发现了光的偏振，之后很长一段时间人们对偏振光场的认识主要集中于偏振态均匀分布线的偏振光场、圆偏振光场、椭圆偏振光场等，对均匀偏振光场的研究在消除反光、液晶面板的制造、病变细胞的筛查等领域产生了众多应用。但均匀偏振光场的偏振态形式太过单一，不能蕴含和传递更多光束信息，已经无法满足如今的光通讯等需求。
[0003]随着偏振光学的逐渐发展，各种非均匀偏振光场被提出，它们的偏振态在空间不同位置各不相同，具有更高的研究价值和意义。最早实验中产生的非均匀偏振光场是径向偏振矢量光场和角向偏振矢量光场，其偏振态是满足圆对称分布的线型偏振态，这一类非均匀偏振光场被称为柱对称矢量光场，在本世纪出得到了广泛的研究，也拓展出了光学粒子操纵、超分辨成像等方面的应用。这一类光场的偏振虽然是非均匀的，但偏振类型仍只有线型。后来，美国科学家Milione根据光场偏振和轨道角动量的内在联系，提出了一类高阶庞加莱球，球上任一点表示的光场都是由携带相同拓扑荷数的右旋和左旋圆偏振涡旋光束叠加得到。高阶庞加莱球的北半球表示右旋的非均匀椭圆偏振光场，南半球表示左旋的非均匀椭圆偏振光场，相比柱对称矢量光场只有线型偏振，高阶庞加莱球矢量光场能够表示椭圆偏振和圆偏振，但需要注意的是，确定了球上某点的位置后，这一点所代表的非均匀偏振光场也只有单一的偏振类型，要么是线型，要么是椭圆型或圆型。
[0004]另外，也有一些同时包含线型偏振、椭圆型偏振和圆型偏振的复杂偏振类型光场被科学家们提出研究。Beckley等人以偏振正交的高斯光束和拉盖尔高斯光束作为基模，合成了一类横截面上同时存在多种类型的偏振全庞加莱球矢量光场。研究发现相比于同样条件下的高斯光场和拉盖尔高斯光场，全庞加莱球矢量光场收湍流的影响较小，复杂的偏振态和抗湍流特性使得全庞加莱球矢量光场在光通信领域具有更高的研究价值。在此基础上，Yi等人以携带不同拓扑荷数的右旋、左旋涡旋光束作为基模，产生了杂化阶庞加莱球矢量光场。这些光场的偏振类型复杂，能保存更多的光束信息，但由于在传输过程中，两基模的变化规律不同，导致合成光场的偏振态在不同距离处始终不同，限制了其在光通信等领域的应用。
[0005]现有非均匀矢量偏振光场有以下几种：1、通过偏振正交的右旋、左旋圆偏振的一阶涡旋光场等振幅叠加可以得到径向偏振光；2、通过拓扑荷数相等、偏振正交的右旋、左旋圆偏振的涡旋光场叠加，控制二者之间的振幅比、相位比可以得到高阶庞加莱球矢量光场；3、通过偏振正交的高斯光束和拉盖尔高斯光束作为基模叠加，可以得到偏振类型
复杂的全庞加莱球光场；4、通过拓扑荷数不同、偏振正交的右旋、左旋圆偏振涡旋光叠加，可以得到杂化阶庞加莱球光场。
[0006]上述非均匀矢量偏振光场分别存在以下问题：1、标量光场的偏振是均匀的，所包含的光束偏振信息少；2、一种高阶庞加莱球矢量光场只有单一偏振类型的偏振态，整个光场的横向截面上要么全是线型偏振态（如径向偏振光场、角向偏振光场），要么全是椭偏率一致的椭圆型、圆形偏振态，偏振类型单一，蕴含信息少；3、全庞加莱矢量光场和杂化庞加莱球矢量光场虽然在横截面上同时存在线偏振、椭圆偏振、圆偏振，但由于合成这种光场的基模之间差别较大，传输时各自按照不同的方式变化，因此合成光场的偏振在传输过程中会不断发生变化，不利于光信息的传递；4、现有的光场无法同时满足既具有所有类型的偏振又能保证偏振态传输不变两个条件。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题的是提供一种结构简单、稳定性好、在传输过程中偏振态保持不变的偏振传输不变光场的产生系统。
[0008]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种偏振传输不变光场的产生系统，其包括：激光光源和空间光调制器，所述激光光源用于产生激光并入射至所述空间光调制器；计算机，用于产生两种全息图并将两种全息图的光栅函数叠加，得到复合全息图，并将复合全息图加载到所述空间光调制器中；所述空间光调制器用于对激光进行调制并同时产生第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束；所述第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束满足：其中，p1和p2分别为第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束的径向指数；l1和l2分别为第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束的拓扑荷数；第一透镜，用于将所述第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束准直；遮光元件，用于在准直后同时将所述第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束的正一级衍射光束或者负一级衍射光束滤出；第一四分之一波片和第二四分之一波片，用于将滤出的第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束的偏振状态由线偏振调制成相互正交的右旋圆偏振和左旋圆偏振；第二透镜，用于将偏振状态为圆偏振的第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束聚焦；光束合成元件，用于将聚焦的第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束合成一束并产生多个衍射光，以得到偏振传输不变光场。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，所述遮光元件为遮光板，所述遮光板上设有通孔，所述通孔分别用于将所述第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束的正一级衍射光束或者负一级衍射光束滤出。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的快轴方向分别与激光的偏振方向呈45度和135度。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，还包括衰减片，所述衰减片设置于所述激光光源和空间光调制器之间，所述激光光源产生的激光经过所述衰减片后入射至所述空间光调制器。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，还包括光束分析仪，设置于所述光束合成元件后方，用于观察所述光束合成元件上偏振传输不变光场的偏振特性。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述第一透镜和第二透镜构成4f系统。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述激光光源产生的激光的偏振方向为竖直方向。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述光束合成元件为朗奇光栅。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，所述朗奇光栅设置于所述第二透镜的焦点处。
[0017]为了解决上述问题，本专利技术还提供了一种偏振传输不变光场的产生方法，其包括以下步骤：S1、产生激光并入射至空间光调制器；S2、产生两种全息图并将两种全息图的光栅函数叠加，得到复合全息图，并将复合全息图加载到所述空间光调制器中；所述空间光调制器对激光进行调制并同时产生第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束；所述第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束满足：其中，p1和p2分别为第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束的径向指数；l1和l2分别为第一拉盖尔高斯基模光束本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种偏振传输不变光场的产生系统，其特征在于，包括：激光光源和空间光调制器，所述激光光源用于产生激光并入射至所述空间光调制器；计算机，用于产生两种全息图并将两种全息图的光栅函数叠加，得到复合全息图，并将复合全息图加载到所述空间光调制器中；所述空间光调制器用于对激光进行调制并同时产生第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束；所述第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束满足：其中，p1和p2分别为第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束的径向指数；l1和l2分别为第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束的拓扑荷数；第一透镜，用于将所述第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束准直；遮光元件，用于在准直后同时将所述第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束的正一级衍射光束或者负一级衍射光束滤出；第一四分之一波片和第二四分之一波片，用于将滤出的第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束的偏振状态由线偏振调制成相互正交的右旋圆偏振和左旋圆偏振；第二透镜，用于将偏振状态为圆偏振的第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束聚焦；光束合成元件，用于将聚焦的第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束合成一束并产生多个衍射光，以得到偏振传输不变光场。2.如权利要求1所述的偏振传输不变光场的产生系统，其特征在于，所述遮光元件为遮光板，所述遮光板上设有通孔，所述通孔用于将所述第一拉盖尔高斯基模光束和第二拉盖尔高斯基模光束的正一级衍射光束或者负一级衍射光束滤出。3.如权利要求1所述的偏振传输不变光场的产生系统，其特征在于，所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的快轴方向分别与激光的偏振方向呈45度和135度。4.如权利要求1所述的偏振传输不变光场的产生系统，其特征在于，还包括衰减片，所述衰减片设置于所述激光光源和空间光调制器之间，所述激光光源产生的激光经过所...

【专利技术属性】
技术研发人员：董震，孙曦，陈亚红，王飞，蔡阳健，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：