技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可同時生成多路矢量渦旋光束的方法與裝置。

背景技術(shù)：
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矢量渦旋光束是一種新型的結(jié)構(gòu)光束，由于它可由雜合邦加球上的任意一點來描述，因此也被稱為雜合邦加球光束。矢量渦旋光束實際上是一種包含矢量光束與渦旋光束特性的普遍形式，在其橫截面上同時具有各向異性的偏振態(tài)分布和螺旋形相位，具有幾何拓撲荷并攜帶有軌道角動量。矢量渦旋光束的這一獨特性質(zhì)，使得其在高分辨率成像、光通信、光子糾纏、激光加工、粒子操縱、表面等離子體激發(fā)等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用價值，近年來，正受到越來越多的關(guān)注。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在矢量渦旋光束的生成領(lǐng)域做了大量的工作，并開發(fā)出了多種矢量渦旋光束的生成方法。比如腔內(nèi)法[如nat.photon.10,327–332(2016)等]、亞波長光柵法[如opt.lett.29,1718–1720(2004)等]、q波片法[如photon.res.5,15-21(2017)等]、干涉法[如opt.lett.40,1775-1778(2015).]等方法。然而，這些方法只能生成單一模式的矢量渦旋光束，對于同時獲得多路不同模式的矢量渦旋光束無能為力。然而，在許多應(yīng)用中，同時需要不同模式的多路矢量渦旋光束。例如，在結(jié)構(gòu)光束編碼通信技術(shù)[opt.lett.40,4843-4846(2015)]中，同時需要多路不同模式的矢量渦旋光束來進行編碼；在激光加工中，多路不同模式的矢量渦旋光束使得多點加工成為可能。因此，同時生成多路不同模式的矢量渦旋光束是十分必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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有鑒于此，本發(fā)明提供了一種可同時生成多路矢量渦旋光束的方法與裝置。其目的在于，解決當(dāng)前無法同時生成多路不同模式的矢量渦旋光束的問題。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，只需通過給兩個液晶空間光調(diào)制器加載不同的特殊設(shè)計的相位光柵，即可同時在不同的衍射級獲得任意模式且模式可控的矢量渦旋光束。另外，矢量渦旋光束的模式，以及其所處的衍射級均由液晶空間光調(diào)制器調(diào)制所加載的相位光柵來控制，在生成不同的矢量渦旋光束陣列時無需調(diào)整任何硬件，具有很好的可操作性。

本發(fā)明的一種可同時生成多路矢量渦旋光束的裝置，包括激光光源，起偏器，兩個液晶空間光調(diào)制器，兩個焦距相同的平凸透鏡，二分之一波片和四分之一波片。其中：

所述激光光源用于產(chǎn)生基模高斯光束；

所述起偏器置于激光光源后方的激光光路中，其主軸方向與水平面呈一定角度放置，且該角度既非0°也非90°，用于將激光光源產(chǎn)生的基模高斯光束轉(zhuǎn)化為斜向線偏振基模高斯光束；

所述兩個液晶空間光調(diào)制器分別置于由所述兩個焦距相同的平凸透鏡構(gòu)成4-f成像系統(tǒng)的物點和像點處，同時，它們構(gòu)成的系統(tǒng)置于偏振片后方的激光光路中，其中，第一個液晶空間光調(diào)制器用于對線偏振高斯光束的水平分量進行調(diào)制，第二個液晶空間光調(diào)制器用于對線偏振高斯光束的初始豎直分量進行調(diào)制，4-f成像系統(tǒng)可將第一個液晶空間光調(diào)制器上加載的相位光柵1：1地成像在第二個液晶空間光調(diào)制器上；

所述二分之一波片置于4-f成像系統(tǒng)中兩個平凸透鏡的中心位置，其快軸方向與水平面呈45°放置，用于將由第一個液晶空間光調(diào)制器調(diào)制好的水平偏振分量轉(zhuǎn)化為豎直偏振分量，將第一個液晶空間光調(diào)制器無法調(diào)制的豎直偏振分量轉(zhuǎn)化為水平偏振分量，進而實現(xiàn)第二個液晶空間光調(diào)制器對初始豎直偏振分量的調(diào)制；

所述四分之一波片置于第二個液晶空間光調(diào)制器后方的激光光路中，其快軸方向與水平面呈45°放置，用于將水平和豎直線偏振分量分別調(diào)制好的光束合束轉(zhuǎn)化為多路不同模式的矢量渦旋光束。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明實現(xiàn)了多路不同模式的矢量渦旋光束的同時生成，且他們分別位于不同的衍射級；

2、生成的矢量渦旋光束的模式，以及其所處的衍射級均由液晶空間光調(diào)制器調(diào)制所加載的相位光柵來控制，在生成不同的矢量渦旋光束陣列時無需改變?nèi)魏斡布蜻M行任何的硬件操作，具有很好的可操作性。

附圖說明：

圖1為m＝1，n＝3時的雜合邦加球。

圖2為本發(fā)明的可同時生成多路矢量渦旋光束的裝置構(gòu)成圖，圖中，1-激光光源，2-起偏器，3-液晶空間光調(diào)制器，4-平凸透鏡，5-二分之一波片，6-平凸透鏡，7-液晶空間光調(diào)制器2，8-四分之一波片。

圖3為在±1衍射級分別生成具有相同經(jīng)緯坐標(0,0)但不同階次的矢量渦旋光束的實驗結(jié)果圖。

圖4為在±1衍射級分別生成具有相同階次和緯度坐標但不同經(jīng)度坐標的矢量渦旋光束的實驗結(jié)果圖。

圖5為在±1衍射級分別生成具有相同階次和經(jīng)度坐標但不同緯度坐標的矢量渦旋光束的實驗結(jié)果圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明做一詳細描述。

矢量渦旋光束由于在光束橫截面內(nèi)同時具有各項異性的偏振態(tài)分布和螺旋相位，其模式僅僅采用偏振階次或幾何拓撲荷來描述均是不完善的。通常，矢量渦旋光束的模式由雜合邦加球球面上點的位置來描述。本發(fā)明中所生成的矢量渦旋光束均采用雜合邦加球的描述方法。

由于矢量渦旋光束的表達中含有螺旋相位項、各向異性的偏振項等，十分復(fù)雜。為了簡便起見，本說明書中將采用相對簡單的狄拉克符號|ψ>來表示矢量渦旋光束。任意矢量渦旋光束|ψ>均可正交分解為不同復(fù)系數(shù)和下的右旋和左旋標量渦旋光束的疊加：

其中，{rm,ln}是一對正交基底，分別表示角量子數(shù)為m和n的右、左旋圓偏振標量渦旋光束：

上式中，表示角向坐標，^t表示轉(zhuǎn)置。直角坐標系下，雜合邦加球由雜合斯托克斯矢量：

來定義，其中為兩個復(fù)系數(shù)間的相位差。若以和作為直角坐標系下的三個坐標軸，為半徑做球，則可獲得雜合邦加球。特別的，圖1給出了以m＝1，n＝3為例的雜合邦加球及其上部分特殊點的矢量渦旋光束的光場和偏振態(tài)分布。這表明，任意矢量渦旋光束可由雜合邦加球上的任意一點來描述，且該點的經(jīng)緯坐標(θ,σ)可表示為：

本發(fā)明的一種可同時生成多路矢量渦旋光束的方法與裝置的原理可以理解為，由于矢量渦旋光束可以分解為不同復(fù)系數(shù)下的右旋和左旋標量渦旋光束的疊加，則反過來可通過分別生成左右旋不同階次的渦旋光束并將它們同軸疊加的方式來獲得矢量渦旋光束。對于多路矢量渦旋光束的同時生成，可利用兩個液晶空間光調(diào)制器加載特殊設(shè)計的光柵，來在不同的衍射級同時分別生成不同階次的左右旋渦旋光束，而后將它們分別同軸疊加來獲得。

本發(fā)明的一種可同時生成多路矢量渦旋光束的裝置，包括激光光源，起偏器，兩個液晶空間光調(diào)制器，兩個焦距相同的平凸透鏡，二分之一波片和四分之一波片，如圖2所示。

激光光源(1)產(chǎn)生的基模高斯光束，經(jīng)主軸方向與水平面呈一定角度放置的起偏器(2)后，轉(zhuǎn)化為斜向線偏振基模高斯光束。由于液晶空間光調(diào)制器對水平和豎直兩個偏振分量的光的反射率不同，因此在使用前需微調(diào)偏振片，直到裝置輸出端水平和豎直偏振分量的強度相同為止。

由于液晶空間光調(diào)制器只對水平線偏振分量有純相位調(diào)制作用，對豎直線偏振分量沒有影響，因此液晶空間光調(diào)制器(3)僅對線偏光的水平分量進行相位調(diào)制，對豎直分量則沒有影響。二分之一波片(5)的快軸方向與水平面呈45°放置，使得液晶空間光調(diào)制器(3)調(diào)制好的水平偏振分量轉(zhuǎn)化為豎直偏振分量，將液晶空間光調(diào)制器(3)無法調(diào)制的豎直偏振分量轉(zhuǎn)化為水平偏振分量，進而實現(xiàn)液晶空間光調(diào)制器(7)對初始豎直偏振分量的調(diào)制。

平凸透鏡(4)和(6)構(gòu)成4-f成像系統(tǒng)，同時兩個液晶空間光調(diào)制器(3)和(7)分別置于由4-f成像系統(tǒng)的物點和像點處。此時，4-f成像系統(tǒng)可將第一個液晶空間光調(diào)制器上加載的相位光柵1：1地成像在第二個液晶空間光調(diào)制器上，這使得分別經(jīng)兩個液晶空間光調(diào)制器調(diào)制后在不同的相對應(yīng)的衍射級上水平和豎直標量渦旋光束可同軸疊加。這些偏振正交同軸疊加后的標量渦旋光束經(jīng)快軸方向與水平面呈45°放置的四分之一波片(8)后，轉(zhuǎn)化為多路在不同衍射級中的不同模式的矢量渦旋光束。

本發(fā)明的關(guān)鍵是衍射光柵的設(shè)計，即設(shè)計一種可根據(jù)設(shè)定，在任意單個或多個衍射級產(chǎn)生任意強度、初始相位和角量子數(shù)的渦旋光束。對于相位型衍射光柵，其透過率函數(shù)p(y)可由傅里葉展開為：

其中，γ為含有光柵常數(shù)信息的參數(shù)，b為衍射級，cb為傅里葉展開系數(shù)。傅里葉展開系數(shù)中包括處于b衍射級的光束的振幅|cb|、初始相位τb和角量子數(shù)mb信息：

因此，可根據(jù)相位型衍射光柵的傅里葉展開式來設(shè)計相位光柵。綜上，本發(fā)明中，將經(jīng)過特殊設(shè)計的衍射光柵分別加載在圖2所示的液晶空間光調(diào)制器(3)和(7)上，實現(xiàn)對兩個線偏振分量的分別調(diào)制，進而通過四分之一波片(8)的偏振調(diào)制來實現(xiàn)多路不同模式的矢量渦旋光束在不同衍射級的同時生成。

實施例1：在±1衍射級分別生成具有相同經(jīng)緯坐標(0,0)但不同階次的矢量渦旋光束。

本實施例中，將在-1衍射級生成經(jīng)緯坐標(0,0)，m＝-1,n＝2的矢量渦旋光束，在+1衍射級生成經(jīng)緯坐標(0,0)，m＝2且n＝-2的矢量渦旋光束。加載在圖2所示的液晶空間調(diào)制器(3)上的光柵的參數(shù)設(shè)置為：，|c-1|＝|c+1|＝1，τ-1＝τ+1＝0，m-1＝-1，m+1＝2。加載在圖2所示的液晶空間調(diào)制器(7)上的光柵的參數(shù)設(shè)置為：|c-1|＝|c+1|＝1，τ-1＝τ+1＝0，n-1＝-2，n+1＝2。注意這里在調(diào)制器(7)上加載的光柵，其角量子數(shù)設(shè)置與為預(yù)定n值的相反數(shù)。這是由于本發(fā)明中使用的是反射式液晶空間光調(diào)制器，調(diào)制器(3)調(diào)制的水平偏振分量，其由于被兩個調(diào)制器反射兩次，其角量子數(shù)分布與光柵設(shè)定的是一致的。對于調(diào)制器(7)調(diào)制的豎直偏振分量，僅被第調(diào)制器(7)反射一次，因此在光柵設(shè)計角量子數(shù)n設(shè)定時，需為預(yù)期值的相反數(shù)。本實施例實驗結(jié)果如圖3所示，從左至右分別為生成的多路矢量渦旋光束，以及經(jīng)過不同角度放置的檢偏器下的光場分布。圖3表明，本實施例的實驗結(jié)果與預(yù)期吻合完好。

實施例2：在±1衍射級分別生成具有相同階次和緯度坐標但不同經(jīng)度坐標的矢量渦旋光束。

本實施例中，將在-1衍射級生成經(jīng)緯坐標(0,0)，m＝0,n＝2的矢量渦旋光束，在+1衍射級生成經(jīng)緯坐標(π,0)，m＝0andn＝2的矢量渦旋光束。加載在圖2所示的液晶空間調(diào)制器(3)上的光柵的參數(shù)設(shè)置為：，|c-1|＝|c+1|＝1，τ-1＝τ+1＝0，m-1＝m+1＝0。加載在圖2所示的液晶空間調(diào)制器(7)上的光柵的參數(shù)設(shè)置為：|c-1|＝|c+1|＝1，τ-1＝0，τ+1＝-π，n-1＝n+1＝-2。本實施例實驗結(jié)果如圖4所示，從左至右分別為生成的多路矢量渦旋光束，以及經(jīng)過不同角度放置的檢偏器下的光場分布。圖4表明，本實施例的實驗結(jié)果與預(yù)期吻合完好。

實施例3：在±1衍射級分別生成具有相同階次和經(jīng)度坐標但不同緯度坐標的矢量渦旋光束。

本實施例中，將在-1衍射級生成經(jīng)緯坐標(0,-π/6)，m＝1,n＝3的矢量渦旋光束，在+1衍射級生成經(jīng)緯坐標(0,π/6)，m＝1andn＝3的矢量渦旋光束。加載在圖2所示的液晶空間調(diào)制器(3)上的光柵的參數(shù)設(shè)置為：，|c-1|＝1，τ-1＝τ+1＝0，m-1＝m+1＝1。加載在圖2所示的液晶空間調(diào)制器(7)上的光柵的參數(shù)設(shè)置為：c+1|＝1，τ-1＝τ+1＝0，n-1＝n+1＝-3。本實施例實驗結(jié)果如圖4所示，從左至右分別為生成的多路矢量渦旋光束，以及經(jīng)過不同角度放置的檢偏器下的光場分布。圖5表明，本實施例的實驗結(jié)果與預(yù)期吻合完好。

以上三個實施例表明，本發(fā)明的一種可同時生成多路矢量渦旋光束的方法與裝置，可通過設(shè)計相位型衍射光柵并加載到兩個液晶空間光調(diào)制器的方式，十分方便的在不同衍射級生成不同的矢量渦旋光束。生成的矢量渦旋光束的模式，以及其所處的衍射級均由液晶空間光調(diào)制器調(diào)制所加載的相位光柵來控制，在生成不同的矢量渦旋光束陣列時無需改變?nèi)魏斡布?，具有很好的可操作性。本方法和裝置簡單而穩(wěn)定，可用于激光加工、結(jié)構(gòu)光通信等技術(shù)中。

綜上所述,以上僅為本發(fā)明的較佳實施實例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。