一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法及系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。破坏的问题。破坏的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法及系统


[0001]本专利技术涉及信息光学
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：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；S2：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；S3：降低矢量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并转移到随机电磁光束的空间关联张量中；S4：将所述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，得到具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态。2.如权利要求1所述的一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括以下步骤：S11：完全相干矢量光束通过空间光调制器进行加载高阶涡旋相位，产生具有高阶涡旋相位的正极线偏振光和负极线偏振光；S12：从正极线偏振光和负极线偏振光中滤出正一级涡旋线偏振光和负一级涡旋线偏振光并调控为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别为高阶庞加莱球的南极点和北极点。3.如权利要求2所述的一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：S21：将高阶庞加莱球的南极点和北极点作为基模，即l阶庞加莱球的北极和南极的电场表示为：
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（1）
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（2）其中，表示北极电场，表示南极电场，表示光束的束腰宽度，表示空间位置矢量，为矢量坐标，l表示庞加莱球的阶数，也是涡旋相位的拓扑荷数，i为虚数单位；S22：基模叠加合成整个高阶庞加莱球上任一点的偏振光，高阶庞加莱球上任一点电场E的叠加方式满足以下表达式：
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（3）其中，和分别表示高阶庞加莱球的俯仰角和偏向角，分别由两个基模的强度比和合成光束x方向与y方向分量之间的相位差来调控；S23：得到的高阶庞加莱球的偏振矩阵为：
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（4）其中，、、、是偏振矩阵的四个矩阵元，分别由x方向电场取绝对值的平方、y
方向电场取绝对值的平方、x方向电场复共轭与y方向电场乘积、y方向电场复共轭与x方向电场乘积得到，具体表示为：
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（5）
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（6）
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（7）
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（8）其中，a、b是与拓扑荷有关的参数，M、N是与庞加莱球俯仰角和偏向角有关的参数，具体为：
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（9）
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（10）
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（11）
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（12）S24：通过选取拓扑荷数l、俯仰角和偏向角得到高阶庞加莱球上任一点的偏振光，即得到对应的一偏振矩阵。4.如权利要求1所述的一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下步骤：S31：偏振矩阵通过聚焦后加载旋转随机相位屏，得到非相干光束；S32：非相干光束经过傅里叶变换和高斯振幅滤波整形得到随机电磁光束；其中，旋转随机相位屏提取偏振矩阵中的偏振信息并转移到随机电磁光束的空间关联张量中，包括以下步骤：在空间
‑
频率域中，空间一点处的随机电磁光束的交叉谱张量：
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（13）其中，表示的坐标，、、、是交叉谱张量的四个元素，、表示在空间的两个位置点，每个元素均写成各方向电场分量之间的系综平均：
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（14）其中，，x和y表示随机电磁光束的两个互相正交的方向，和分别表示在空间点处分量和点处分量的随机电场，表示复共轭，表示和的系综平均；根据正定条件，随机电磁光束交叉谱张量的元素表示为：
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（15）其中，表示从偏振矩阵中提取到的矩阵元，表示空间位置矢量，、分别代表空间两点处的位置矢量，表示狄拉克函数； 或
表示为，表示从加载旋转随机相位屏到高斯振幅滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：董震，孙曦，谭世磊，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：