【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学，具体为一种基于光束叠加原理的复杂空间结构光场生成装置及方法。
技术介绍
1、光场包含相位、强度和偏振等方面的信息。根据偏振态分布的不同，可以将光场分为标量光场和矢量光场。其中，在波前具有空间变化偏振态分布的矢量光场获得研究者们的重视。与经典的标量光场不同，矢量光场由于其独特的偏振空间结构对光的时空演化以及光与物质的相互作用具有重要影响，近年来受到越来越多的关注。已经证明，矢量光场可以调控光学非线性过程，增强光学纵向分量，并诱导强磁脉冲。这些特点提高了矢量光场在量子信息、单分子成像、粒子加速、非线性光学、光学微加工、光学微操作和光镊等领域的应用前景。
2、准确、灵活地产生各类矢量光场一直是光学领域研究的热点。目前，产生矢量光场的装置与体系日趋成熟，方法种类繁多。整体上，产生矢量光场的方法可以分为两类：主动生成方法和被动生成方法。其中主动生成矢量光场的方法是直接改变激光器谐振腔的结构，可以准确地调制产生效果较好的矢量光场，但灵活性较差，只能生成某种特定的矢量光场。被动生成矢量光场的方法，主要包括液晶偏振转换法、4f系统相干叠加法和晶体双折射法等。被动生成的方法一般灵活性较高，例如在4f系统相干叠加法中可以通过改变空间光调制器上加载的全息光栅，调制最后生成的矢量光场。
3、目前在4f系统相干叠加实验装置中，空间光调制器一般加载单个一维或者二维光栅，这在一定程度上限制了产生光场的种类。另外在同一光路中也可以使用多个空间光调制器，多空间光调制器虽然提高了产生矢量光场的灵活性，但在一定程度上使光路
技术实现思路
1、为解决上述的问题，本专利技术第一方面提供了一种基于光束叠加原理的复杂空间结构光场生成装置，可以以较为简单的光路生成种类丰富的空间结构矢量光场，光路中仅使用一个空间光调制器，兼顾了产生叠加矢量光场的种类和生成效率。
2、一种基于光束叠加原理的复杂空间结构光场生成装置，由激光器、激光强度控制器、激光扩束器、空间光调制器、第一凸透镜、空间滤波器、1/2波片、第二凸透镜、朗奇光栅和偏振态调控器组成，沿所述激光器出射激光束的方向，依次连接激光强度控制器、激光扩束器和空间光调制器，所述空间光调制器位于所述第一凸透镜的前焦面，所述空间滤波器与空间光调制器对应设置，其位于第一凸透镜的后焦面与第二凸透镜的前焦面，所述1/2波片紧贴于空间滤波器的一级小孔，所述朗奇光栅位于第二凸透镜的后焦面后方，其后端设置偏振态调控器；所述空间光调制器上加载设置有二区域全息光栅，所述偏振态调控器设置有1/4波片。
3、在第一方面的具体实施方式中，所述激光强度控制器包括半波片和偏振分束器，所述半波片布置在所述偏振分束器前。
4、在第一方面的具体实施方式中，所述1/2波片的光轴与水平线夹角为45°。
5、在第一方面的具体实施方式中，所述第一凸透镜与第二凸透镜共焦。
6、第二方面提供了一种基于光束叠加原理的复杂空间结构光场生成方法，应用于如上所述的基于光束叠加原理的复杂空间结构光场生成装置，包括：
7、s1、激光器产生出射激光束，依次经过激光强度控制器、激光扩束器分别进行光强调控与扩束处理，得到光强均匀的线偏振光光束；
8、s2、线偏振光光束通过空间光调制器，经加载的二区域全息光栅进行强度与相位调制，产生两束不同等级的衍射光束；
9、s3、通过空间滤波器对两束不同等级的衍射光束进行筛选过滤，并结合1/2波片的调制，得到相互正交的两级偏振衍射光束；
10、s4、两级偏振衍射光束经过第二凸透镜后在朗奇光栅处进行叠加合成，并经过偏振态控制器调控偏振态后，输出得到目标空间结构光场，其目标空间结构光场的表达式为：
11、
12、其中，γa和γb分别为两束衍射光束的强度调制系数；exp(-iδ1)与exp(iδ2)为相位因子；δ1、δ2分别为两束衍射光束的相位；θ为1/4波片与水平方向的夹角。
13、在第二方面的具体实施方式中，所述空间光调制器的透过率函数为：
14、t(x,y)＝ta(x,y)+tb(x,y)，
15、
16、
17、其中，ta和tb是二区域全息光栅两区域的透过率函数；γa和γb分别为衍射光束a和衍射光束b的强度调制系数；f0为全息光栅的空间载频；r0为全息光栅的半径；x和y分别为全息光栅的横纵坐标；δ1、δ2分别为控制衍射光束a和衍射光束b的相位；va和vb分别为二区域全息光栅的区域函数。
18、在第二方面的具体实施方式中，所述s2中线偏振光光束入射至空间光调制器，经二区域全息光栅调制后产生衍射光束a和衍射光束b，其光束的表达式为：
19、
20、
21、在第二方面的具体实施方式中，所述s3中通过空间滤波器对两束不同等级的衍射光束进行筛选过滤，得到衍射光束a的-1级与衍射光束b的+1级，其光束表达式为：
22、
23、
24、其中，γa和γb分别为衍射光束a和衍射光束b的强度调制系数；exp(-iδ1)与exp(iδ2)为相位因子。
25、在第二方面的具体实施方式中，所述s4中朗奇光栅与第二凸透镜后焦点设置有偏移距离，所述偏移距离为：
26、
27、其中，l为二区域全息光栅的两区域的中心点间距；f0为二区域全息光栅的空间载频；μ为比例系数。
28、所述复杂空间结构光场生成方法还包括通过设置空间光调制器的强度调制系数与两束衍射光束的相位因子，并设置1/4波片与水平方向的夹角，得到不同的目标空间结构光场。
29、有益效果在于：
30、(1)本专利技术提供另一种空间光调制器上全息光栅加载方式，由传统的单区域调制变为双区域独立调制光束的强度与相位分布。与传统的空间光调制器上加载光栅的方法相比，光束的强度与相位可以被光栅更灵活的调控，因此可以生成更多的光场种类；同时光路更加简单，产生空间结构光场的效率更高。
31、(2)本专利技术的装置光路与双区域全息光栅相对应，在独立调控光束的强度与相位的基础上，利用非对称的光路分别调控不同衍射光束的偏振态。由传统的双对称光路叠加更改为非对称双光路叠加，光路中独立设置1/2波片对双区域全息光栅衍射光束的偏振态进行调控。另外，光路中添加1/4波片偏振调控器，放置于朗奇光栅后，通过该偏振调制器可以产生种类更加丰富的空间结构矢量光场。
32、(3)本专利技术通过设置朗奇光栅与第二凸透镜后焦点的放置位置相关的偏移距离，进一步优化最后得到的空间结构矢量光场，提高矢量光场产生效果。可以据此对朗奇光栅的位置进行精密调控，使得二区域全息光栅产生的衍射光斑完美重合，得到效果更好的空间结构矢量光场。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于光束叠加原理的复杂空间结构光场生成装置，由激光器(1)、激光强度控制器(2)、激光扩束器(3)、空间光调制器(4)、第一凸透镜(5)、空间滤波器(6)、1/2波片(7)、第二凸透镜(8)、朗奇光栅(9)和偏振态调控器(10)组成，其特征在于，沿所述激光器(1)出射激光束的方向，依次连接激光强度控制器(2)、激光扩束器(3)和空间光调制器(4)，所述空间光调制器(4)位于所述第一凸透镜(5)的前焦面，所述空间滤波器(6)与空间光调制器(4)对应设置，其位于第一凸透镜(5)的后焦面与第二凸透镜(8)的前焦面，所述1/2波片(7)紧贴于空间滤波器(6)的一级小孔，所述朗奇光栅(9)位于第二凸透镜(8)的后焦面后方，其后端设置偏振态调控器(10)；
2.根据权利要求1所述的复杂空间结构光场生成装置，其特征在于，所述激光强度控制器(2)包括半波片(201)和偏振分束器(202)，所述半波片(201)布置在所述偏振分束器(202)前。
3.根据权利要求1所述的复杂空间结构光场生成装置，其特征在于，所述1/2波片(7)的光轴与水平线夹角为45°。
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。