本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生矢量渦旋光束的方法和裝置，屬于矢量渦旋光束
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：矢量渦旋光束是指在光束橫截面內(nèi)同時(shí)具有非均勻偏振態(tài)和螺旋位相結(jié)構(gòu)的新型光束。矢量渦旋光束相比與其他光束，具有很多特殊的性質(zhì)，在超分辨成像、激光精密加工、微粒操縱、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和遙感等領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)矢量渦旋光束的產(chǎn)生方法研究更是備受關(guān)注。同時(shí)也提出了許多新的產(chǎn)生方法，如腔內(nèi)Sagnac干涉法、錐形布儒斯特棱鏡法、螺旋相位板法、分區(qū)延遲法、干涉法和亞波長(zhǎng)光柵法等。國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所李建郎首次發(fā)表了基于空心光束泵浦的微片激光器中直接輸出矢量渦旋光束的研究[IEEEJ.Sel.TopQuantumElectron，21，1600406，2015；Appl.Phys.B，117，219，2014；China.Opt.Lett，13，031405，2015]。盡管出現(xiàn)了很多產(chǎn)生方法，但是大多數(shù)都只是針對(duì)某一種特定的矢量渦旋光束而設(shè)計(jì)的，在實(shí)際使用過(guò)程中往往會(huì)受限制。因此，近幾年開(kāi)始將重點(diǎn)集中于任意矢量渦旋光束產(chǎn)生方法的研究，國(guó)內(nèi)南京大學(xué)和山東師范大學(xué)結(jié)合液晶空間光調(diào)制器構(gòu)成共光路干涉儀裝置，實(shí)現(xiàn)了任意矢量渦旋光束的產(chǎn)生[Opt.Lett，32(24):3549-51,2008]。但是這種共光路干涉儀裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)光路中光學(xué)元件的位置精度要求非常高，所需的衍射光學(xué)元件不易獲得，成本高。近幾年來(lái)，針對(duì)矢量渦旋光束產(chǎn)生方法提出了很多新方法，專(zhuān)利CN105182547A提出一種基于雙折射偏振分束器產(chǎn)生矢量拉蓋爾-高斯光束的方法及裝置，采用4f空間濾波成像光路，并結(jié)合計(jì)算全息圖實(shí)現(xiàn)矢量光束的輸出。該方法最顯著的特點(diǎn)是：在計(jì)算全息圖和雙折射分束器之間不需要任何其他元件，但是這種方法最大的缺點(diǎn)是產(chǎn)生的矢量拉蓋爾-高斯光束的偏振態(tài)沒(méi)法調(diào)控。專(zhuān)利US7599069B2與專(zhuān)利CN102289080A相類(lèi)似，均是采用相干疊加的方法獲得矢量光束，不同的是US7599069B2中采用的是衍射光學(xué)元件對(duì)光束進(jìn)行位相編碼，雖然可以提高產(chǎn)生的矢量光束的相對(duì)質(zhì)量，但該方法裝置同樣也對(duì)光路要求很高，衍射元件需要進(jìn)行特定設(shè)計(jì)，制作過(guò)程復(fù)雜，成本較高。綜上所述，如何采用較為簡(jiǎn)單的方法和裝置產(chǎn)生矢量渦旋光束，同時(shí)還能保證光束質(zhì)量，這仍然是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明為了解決如何采用較為簡(jiǎn)單的方法和裝置產(chǎn)生高質(zhì)量的矢量渦旋光束的問(wèn)題，提出一種可以產(chǎn)生矢量渦旋光束的方法和裝置。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種產(chǎn)生矢量渦旋光束的裝置，其特征是，該裝置中激光器、擴(kuò)束鏡、針孔、準(zhǔn)直鏡、孔徑光闌、起偏器、消偏振分束器和反射式純位相液晶空間光調(diào)制器依次同軸設(shè)置，PC控制端與反射式純位相液晶空間光調(diào)制器相連；1/4波片、徑向分析器、偏振旋轉(zhuǎn)器、會(huì)聚鏡和CCD相機(jī)與消偏振分束器的入射光軸垂直的方向同軸設(shè)置；激光器出射的激光光束經(jīng)擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直鏡后準(zhǔn)直擴(kuò)束，在擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直鏡的之間焦點(diǎn)位置設(shè)置針孔，對(duì)激光光束濾波；準(zhǔn)直擴(kuò)束后經(jīng)過(guò)孔徑光闌選擇入射光束直徑，光束再正入射到起偏器，產(chǎn)生的線偏振光入射到消偏振分束器，經(jīng)過(guò)消偏振分束器透射的線偏振光到達(dá)反射式純位相液晶空間光調(diào)制器的作用窗口，通過(guò)PC控制端加載灰度圖對(duì)線偏振光進(jìn)行位相調(diào)制，獲得相應(yīng)的渦旋光束；反射式純位相液晶空間光調(diào)制器出射渦旋光，渦旋光經(jīng)過(guò)消偏振分束器后光路反射，反射光經(jīng)過(guò)1/4波片后變?yōu)閳A偏振光入射到徑向分析器，產(chǎn)生徑向偏振渦旋光束；徑向偏振渦旋光束再經(jīng)過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)器獲得所需要的矢量渦旋光束；矢量渦旋光束經(jīng)過(guò)會(huì)聚鏡，對(duì)矢量渦旋光束進(jìn)行聚焦到達(dá)CCD相機(jī)上，形成中空?qǐng)A環(huán)狀的光強(qiáng)分布。所述的消偏振分束器是一種將入射光束分為兩支相互垂直傳播的出射光束，且不改變?nèi)肷涔馐钠駪B(tài)，消偏振分束器的分光比為1:1。所述的反射式純位相液晶空間光調(diào)制器的有效液晶尺寸大于等于入射平行光束的直徑，且所述的起偏器的出射偏振態(tài)與反射式純位相液晶空間光調(diào)制器所要求的入射光束偏振態(tài)相一致。所述的徑向分析器是將偏振空間均勻分布的入射光束轉(zhuǎn)換為偏振空間非均勻分布的矢量光束，且采用準(zhǔn)直圓偏振光作為入射光束。所述的偏振旋轉(zhuǎn)器是由第一1/2波片和第二1/2波片組成；通過(guò)改變兩個(gè)1/2波片的快軸之間的夾角實(shí)現(xiàn)對(duì)光束偏振方向進(jìn)行對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)徑向偏振矢量光束與角向偏振渦旋光束或廣義矢量渦旋光束之間的連續(xù)轉(zhuǎn)換。產(chǎn)生矢量渦旋光束的方法，其特征是，該方法包括如下步驟：步驟一，激光器出射的激光光束經(jīng)擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直鏡后準(zhǔn)直擴(kuò)束，在擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直鏡的之間焦點(diǎn)位置設(shè)置針孔，對(duì)激光光束濾波；準(zhǔn)直擴(kuò)束后的光束經(jīng)過(guò)孔徑光闌選擇入射光束直徑，光束再正入射到起偏器，其透射光將獲得水平線偏振光；步驟二，步驟一中產(chǎn)生的線偏振光入射到消偏振分束器，經(jīng)過(guò)消偏振分束器的透射光仍為線偏振光，到達(dá)反射式純位相液晶空間光調(diào)制器的作用窗口，正入射到反射式純位相液晶空間光調(diào)制器進(jìn)行位相調(diào)制；步驟三，通過(guò)PC控制端將加載位相調(diào)制灰度圖到反射式純位相液晶空間光調(diào)制器，根據(jù)灰度值與位相之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)入射的水平線偏振光進(jìn)行相應(yīng)的位相調(diào)制，經(jīng)反射式純位相液晶空間光調(diào)制器調(diào)制后，獲得所需要的渦旋光束；步驟四，調(diào)制后獲得的渦旋光束，經(jīng)過(guò)消偏振分束器發(fā)生反射，將光路折轉(zhuǎn)90°，但光束的偏振態(tài)仍為線偏振光，再經(jīng)過(guò)1/4波片對(duì)光束偏振態(tài)進(jìn)行作用，將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光；步驟五，圓偏振光入射到徑向分析器，出射產(chǎn)生徑向偏振矢量渦旋光束；步驟六，上述所得徑向偏振矢量渦旋光束經(jīng)過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)器，通過(guò)調(diào)整其中的第一1/2波片和第二1/2波片快軸之間的夾角大小，對(duì)徑向偏振矢量渦旋光束進(jìn)行偏振方向調(diào)制，獲得最終所需要的矢量渦旋光束；步驟七，產(chǎn)生的矢量渦旋光束經(jīng)過(guò)會(huì)聚鏡聚焦到達(dá)CCD相機(jī)，在光敏面上得到矢量渦旋光束所具有的中空?qǐng)A環(huán)狀光強(qiáng)分布。本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：1、本發(fā)明基于反射式純位相液晶空間光調(diào)制器和偏振旋轉(zhuǎn)器，提出一種產(chǎn)生矢量渦旋光束的方法和裝置，具有很好的通用性。2、本發(fā)明采用“雙調(diào)制”的方法，分別對(duì)光束的位相調(diào)制和偏振方向調(diào)制，這種產(chǎn)生矢量渦旋光束的方法不僅實(shí)時(shí)性好，而且還可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。3、本發(fā)明采取的是在PC控制端加載不同的灰度圖調(diào)控產(chǎn)生的渦旋光束又或是旋轉(zhuǎn)偏振旋轉(zhuǎn)器對(duì)矢量渦旋光束的偏振方向進(jìn)行調(diào)控，根據(jù)實(shí)際需要，采取二選一或者是二者同時(shí)調(diào)控，即可獲得所需的矢量渦旋光束，同時(shí)還能保證產(chǎn)生的矢量渦旋光束的質(zhì)量，該方法靈活性強(qiáng)。4、本發(fā)明提出的產(chǎn)生矢量渦旋光束的方法和裝置，所涉及到的光學(xué)元器件都是最基本的，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行、光路穩(wěn)定性好、實(shí)用性強(qiáng)。這種產(chǎn)生矢量渦旋光束的方法和裝置對(duì)矢量渦旋光束在工程中的應(yīng)用和推廣具有重要意義。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明產(chǎn)生矢量渦旋光束的裝置示意圖。圖2是本發(fā)明所述偏振旋轉(zhuǎn)器的原理示意圖。其中，1、激光器；2、擴(kuò)束鏡；3、針孔；4、準(zhǔn)直鏡；5、孔徑光闌；6、起偏器；7、消偏振分束器；8、反射式純位相液晶空間光調(diào)制器；9、PC控制端；10、1/4波片；11、徑向分析器RA；12、偏振旋轉(zhuǎn)器；12-1、第一1/2波片；12-2、第二1/2波片；13、會(huì)聚鏡；14、CCD相機(jī)。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)敘述。如圖1所示，一種產(chǎn)生矢量渦旋光束的裝置，該裝置是由激光器1、擴(kuò)束鏡2、針孔3、準(zhǔn)直鏡4、孔徑光闌5、起偏器6、消偏振分束器7、反射式純位相液晶空間光調(diào)制器8、PC控制端9、1/4波片10、徑向分析器11、偏振旋轉(zhuǎn)器12、會(huì)聚鏡13和CCD相機(jī)14組成。激光器1、擴(kuò)束鏡2、針孔3、準(zhǔn)直鏡4、孔徑光闌5、起偏器6、消偏振分束器7和反射式純位相液晶空間光調(diào)制器8依次同軸設(shè)置，PC控制端9與反射式純位相液晶空間光調(diào)制器8相連；1/4波片10、徑向分析器11、偏振旋轉(zhuǎn)器12、會(huì)聚鏡13和CCD相機(jī)14與消偏振分束器7的入射光軸垂直的方向同軸設(shè)置。激光器1出射的激光光束經(jīng)針孔3濾波，經(jīng)擴(kuò)束鏡2和準(zhǔn)直鏡4后準(zhǔn)直擴(kuò)束，準(zhǔn)直擴(kuò)束后經(jīng)過(guò)孔徑光闌（5）選擇入射光束直徑，光束再正入射到起偏器6，產(chǎn)生的線偏振光入射到消偏振分束器7，經(jīng)過(guò)消偏振分束器7透射的線偏振光到達(dá)反射式純位相液晶空間光調(diào)制器8的作用窗口，通過(guò)PC控制端9加載灰度圖對(duì)線偏振光進(jìn)行位相調(diào)制，獲得相應(yīng)的渦旋光束，反射式純位相液晶空間光調(diào)制器8出射渦旋光，渦旋光經(jīng)過(guò)消偏振分束器7后光路反射，反射光經(jīng)過(guò)1/4波片10后變?yōu)閳A偏振光入射到徑向分析器11，產(chǎn)生徑向偏振渦旋光束。如圖2所示，偏振旋轉(zhuǎn)器12是由第一1/2波片12-1和第二1/2波片12-2組成；通過(guò)改變兩個(gè)1/2波片的快軸之間的夾角實(shí)現(xiàn)對(duì)光束偏振方向進(jìn)行對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)徑向偏振矢量光束與角向偏振渦旋光束或廣義矢量渦旋光束之間的連續(xù)轉(zhuǎn)換。矢量渦旋光束經(jīng)過(guò)會(huì)聚鏡13，對(duì)矢量渦旋光束進(jìn)行聚焦到達(dá)CCD相機(jī)14上，形成中空?qǐng)A環(huán)狀的光強(qiáng)分布。所述的消偏振分束器7是一種將入射光束分為兩支相互垂直傳播的出射光束，且不改變?nèi)肷涔馐钠駪B(tài)。消偏振分束器7的分光比為1:1。所述的反射式純位相液晶空間光調(diào)制器8的有效液晶尺寸大于等于入射平行光束的直徑，且所述的起偏器6的出射偏振態(tài)與反射式純位相液晶空間光調(diào)制器8所要求的入射光束偏振態(tài)相一致。所述的徑向分析器11是將偏振空間均勻分布的入射光束轉(zhuǎn)換為偏振空間非均勻分布的矢量光束。一般都采用準(zhǔn)直圓偏振光作為入射光束。所述的起偏器6，用于產(chǎn)生反射式純位相液晶空間光調(diào)制器8所需的入射偏振態(tài)。所述的1/4波片10是將經(jīng)起偏器6產(chǎn)生的線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，圓偏振光入射到徑向分析器11產(chǎn)生徑向偏振渦旋光束。產(chǎn)生矢量渦旋光束的方法，具體步驟如下：步驟一，激光器1出射的激光光束經(jīng)擴(kuò)束鏡2和準(zhǔn)直鏡4后準(zhǔn)直擴(kuò)束，在擴(kuò)束鏡2和準(zhǔn)直鏡4的之間焦點(diǎn)位置設(shè)置針孔3，對(duì)激光光束濾波；準(zhǔn)直擴(kuò)束后的光束經(jīng)過(guò)孔徑光闌（5）選擇入射光束直徑，光束再正入射到起偏器6，其透射光將獲得水平線偏振光，表達(dá)為瓊斯矢量為：步驟二，步驟一中產(chǎn)生的線偏振光入射到消偏振分束器7，經(jīng)過(guò)消偏振分束器7透射的線偏振光到達(dá)反射式純位相液晶空間光調(diào)制器8的作用窗口，正入射到反射式純位相液晶空間光調(diào)制器8進(jìn)行純位相調(diào)制，瓊斯矢量仍為：步驟三，通過(guò)PC控制端9將加載位相調(diào)制灰度圖到反射式純位相液晶空間光調(diào)制器8，根據(jù)灰度值與位相之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)入射的水平線偏振光進(jìn)行相應(yīng)的位相調(diào)制，獲得拉蓋爾-高斯渦旋光束，其位相調(diào)制函數(shù)可表達(dá)為：其中l(wèi)、p分別為角向指數(shù)和徑向指數(shù)，為拉蓋爾多項(xiàng)式，w0為束腰半徑，θ為單位階躍函數(shù)。經(jīng)反射式純位相液晶空間光調(diào)制器8調(diào)制后，獲得相應(yīng)的拉蓋爾-高斯渦旋光束，其表達(dá)式為：upl(r,φ,z)=(-1)pwz·2π·p!(p+|l|)!·(2rwz)|l|·Lp|l|(2r2wz2)·exp(-r2wz2)×exp(-ir2·zwz2·zR)·exp(-i(2P+|l|+1)·tan-1(zzR))·exp(ilφ)]]>其中，為Gouy位相，zR為瑞利距離，exp(ilφ)為拉蓋爾-高斯光束的螺旋位相項(xiàng)。步驟四，調(diào)制后獲得的拉蓋爾-高斯渦旋光束，經(jīng)過(guò)消偏振分束器7發(fā)生反射，將光路折轉(zhuǎn)90°，但光束的偏振態(tài)仍為線偏振光，再經(jīng)過(guò)1/4波片10對(duì)光束偏振態(tài)作用，其1/4波片10的瓊斯作用矩陣為：J1=121ii1]]>其中1/4波片10的快軸方向與x軸成-45°；由此可獲得左旋圓偏振光，其瓊斯矢量為：進(jìn)行歸一化處理，并轉(zhuǎn)換為在極坐標(biāo)系的表達(dá)形式，即其中和分別為直角坐標(biāo)系的單位矢量，和為極坐標(biāo)系的單位矢量。步驟五，圓偏振光入射到徑向分析器11，調(diào)制產(chǎn)生徑向偏振拉蓋爾-高斯渦旋光束，其表達(dá)式為：步驟六，若需要獲得其它偏振分布形式的拉蓋爾-高斯渦旋光束，則通過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)器12對(duì)偏振方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)制，即調(diào)整兩個(gè)快軸方向成一定夾角的第一1/2波片12-1和第二1/2波片12-2，偏振旋轉(zhuǎn)器12的瓊斯作用矩陣為：當(dāng)時(shí)，即第一1/2波片12-1和第二1/2波片12-2快軸之間的夾角旋轉(zhuǎn)至45°時(shí)，經(jīng)過(guò)徑向分析器11之后獲得的徑向偏振拉蓋爾-高斯渦旋光束再經(jīng)過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)器12后，獲得的光束的瓊斯矢量為：由此可得，當(dāng)?shù)谝?/2波片12-1和第二1/2波片12-2快軸之間的夾角旋轉(zhuǎn)至45°時(shí)，徑向偏振拉蓋爾-高斯渦旋光束經(jīng)過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)器12可以轉(zhuǎn)換為角向偏振拉蓋爾-高斯渦旋光束。上述獲得的角向偏振拉蓋爾-高斯光束經(jīng)過(guò)會(huì)聚鏡13聚焦到達(dá)CCD相機(jī)14，在光敏面上形成中空?qǐng)A環(huán)狀的光強(qiáng)分布。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要獲得其它的矢量渦旋光束，如角向偏振渦旋光束或廣義矢量渦旋光束等，因此，本發(fā)明綜合考慮多種因素，提出可以采用在PC控制端9加載不同的灰度圖調(diào)控產(chǎn)生的渦旋光束又或是旋轉(zhuǎn)偏振旋轉(zhuǎn)器12對(duì)矢量渦旋光束的偏振方向進(jìn)行調(diào)控，根據(jù)實(shí)際需要，采取二選一或者是二者同時(shí)調(diào)控，即可獲得所需的矢量渦旋光束。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3