一種可以產生高階龐加萊球光束的級連模式轉換器及方法
2024-04-15 08:45:05
1.本發明涉及結構光場領域，具體涉及一種可以產生高階龐加萊球光束的級連模式轉換器及方法。
背景技術：
2.與傳統龐加萊球所描述的均勻偏振光不同，高階龐加萊球統一了矢量光束的幾何表示，高階龐加萊球光束橫向光強為環形分布，橫截面上的偏振方向隨角度變化的倍數稱為高階龐加萊球的階數。
3.高階龐加萊球光束因為其獨特的光強和偏振分布被廣泛應用於各個領域，如粒子操控、材料加工、光通信、等離子體激發、超分辨成像等領域。
4.目前產生高階龐加萊球光束的方法大多基於超表面、空間光調製器和渦旋波片等，而前兩種方法成本高，且結構複雜，渦旋波片成了產生高階龐加萊球光束最受歡迎的器件，但是渦旋波片的光軸在製作過程中已經固定，也就是說渦旋波片的階數無法改變，通常一種階數的渦旋波片只能產生一種階數的高階龐加萊球光束。
技術實現要素：
5.本發明的技術解決問題：克服背景技術中所描述的不足，提出一種可以產生高階龐加萊球光束的級聯模式轉換器，具有結構簡單、穩定性好，模式和階數可調等特點。
6.本發明解決其技術問題的技術方案為：
7.第一方面，本發明的提供一種產生高階龐加萊球光束的級連模式轉換器，包括，雷射器、偏振調節模塊、模式轉換模塊，其中：
8.所述雷射器，用於產生初始光源；
9.所述偏振調節模塊，由線偏振片、1/2波片和1/4波片級聯構成，所述線偏振片用於產生線偏振光；所述1/2波片用於改變偏振光的主軸方向；所述1/4波片用於改變偏振光的橢圓率；雷射器產生的初始光源通過偏振調節模塊，產生基本龐加萊球上的任意偏振狀態；
10.所述模式轉換模塊由渦旋波片和1/2波片級聯組成，所述渦旋波片的光軸方向隨角度變化，所述1/2波片用來調製渦旋波片的幾何相位，從偏振調節模塊出射的光束經過模式轉換模塊，控制渦旋波片和1/2波片的組合順序實現渦旋波片階數的相加或者相減，從而產生不同階數的高階龐加萊球光束。
11.進一步，所述產生不同階數的高階龐加萊球光束的過程為：在多個渦旋波片之間插入1/2波片，使渦旋波片階數相加，兩個渦旋波片後加上一個1/2波片，使兩個渦旋波片的階數相減，如此能夠控制的產生多種不同階數的高階龐加萊球光束。
12.進一步，所述渦旋波片為基於液晶材料的q波片或是在矽玻璃上用雷射熔融雕刻的s波片。
13.第二方面，本發明提供一種產生高階龐加萊球光束的級連模式轉換方法，實現為：雷射器產生初始光源，初始光源通過偏振調節模塊，產生基本龐加萊球上的任意偏振狀態；
從偏振調節模塊出射的光束再經過模式轉換模塊，控制渦旋波片和1/2波片的組合順序實現渦旋波片階數的相加或者相減，產生不同階數的高階龐加萊球光束。
14.本發明與現有技術相比的優點在於：相比之前報導，具有結構簡單、穩定性好，模式和階數可調等優點。渦旋波片可以實現均勻偏振光到高階龐加萊球光束的轉換，通常一種階數的渦旋波片只能產生一種階數的龐加萊球光束。通過在多個渦旋波片之間適當的位置插入1/2波片，可以實現渦旋波片階數的任意相加減，在渦旋波片數量有限的情況下，實現了更高和更多種階數的高階龐加萊球光束產生，其中階數種類實現了指數倍的增長。且該模式轉換器具有結構簡單，穩定性好，模式和階數可調等優點。
附圖說明
15.下面將對所提出的實施例中所使用的附圖作簡要介紹，以便更清楚地說明本發明實施例的技術方案，顯然，下面所描述的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。
16.圖1為本發明的一種可以產生高階龐加萊球光束的級聯模式轉換器模塊圖。
17.圖中附圖標記含義為：1為雷射器，2為偏振調節模塊，3為偏振轉換模塊。
18.圖2為本發明的一種可以產生高階龐加萊球光束的級聯模式轉換器結構圖。
19.圖中，1為雷射器，21為線偏振片，22為1/2波片，23為1/4波片，31為渦旋波片的級聯相加部分，32為渦旋波片的級聯相減部分，311和322為渦旋波片，312和321為1/2波片。
具體實施方式
20.下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明。
21.如圖1所示，本發明的一種可以產生高階龐加萊球光束的級連模式轉換器，雷射器1、偏振調節模塊2、模式轉換模塊3，其中：
22.所述雷射器，可以為半導體雷射二極體，用於產生初始光源；
23.所述偏振調節模塊，可以為線偏振片、1/2波片和1/4波片構成，所述線偏振片用於產生線偏振光；所述1/2波片用於改變偏振光的主軸方向；所述1/4波片用於改變偏振光的橢圓率；所述偏振調節模塊可以產生基本龐加萊球上的所有偏振態，從而改變最終偏振態在高階龐加萊球上的位置；
24.所述模式轉換模塊，可以為渦旋波片和1/2波片組成，所述渦旋波片具有隨角度變化的光軸方向，可以是基於液晶材料的q波片，也可以是在矽玻璃上用雷射熔融雕刻的s波片；所述1/2波片，用來調製渦旋波片的幾何相位，實現渦旋波片階數的相加或者相減；所述模式轉換模塊，為階數可切換的級聯模式轉換器，能把基本龐加萊球光束轉換為不同階數的高階龐加萊球光束。
25.所述的一種可產生高階龐加萊球光束的級聯模式轉換器實現如下：雷射器產生初始光源，初始光源通過偏振調節模塊，可以產生基本龐加萊球上的任意偏振狀態；從偏振調節模塊出射的光束再經過模式轉換模塊，控制渦旋波片和1/2波片的組合順序，可以產生不同階數的高階龐加萊球光束。
26.本發明實施例中所採用的渦旋波片是一種空間變化的相位延遲器，可以是基於液晶材料q波片，也可以是在矽玻璃上用雷射熔融雕刻的s波片，或者基於其他材料的具有相
同功能的器件。渦旋波片的光軸隨角度變化的倍數稱為渦旋波片的階數，通過改變入射光的偏振狀態，m階渦旋波片可以實現基本龐加萊球到m階高階龐加萊球上的偏振狀態的一一對應的轉換。渦旋波片的階數在製作過程中是固定不變的，通過在多個渦旋波片之間的特定位置插入1/2波片，例如兩個渦旋波片中間插入一個1/2波片可以使其階數相加，兩個渦旋波片後加上一個1/2波片可以使兩個渦旋波片的階數相減，如此可以有控制的產生多種不同階數的高階龐加萊球光束。如果有n個渦旋波片的階數分別為m1、m2、
……mn
,則組合能得到的高階龐加萊的階數可以取-(m1+m2+m3……
)到(m1+m2+m3……
)中的任意一個整數。從最優組合的角度考慮，可以取n個渦旋波片的階數分別為1、3、
……
、3
n-1
，通過不同的組合可以得到3n種不同階數的高階龐加萊球光束，其階數取
–
(3
n-1)/2到(3
n-1)/2中的任意一個整數。上述渦旋波片的階數取值為最優，但不是唯一取值。任意階數的渦旋波片都可以藉助1/2波片組合實現更多的級數種類，如n個波片取值為1、2、
……2n-1
時，組合得到的的階數可取(2
n+1-1)到-(2
n+1-1)之間的任意一個整數。
27.通過以上理論分析，本發明通過用1/2波片來調製渦旋波片的幾何相位，實現階數可切換的高階龐加萊球光束的產生。
28.下面參照實施例圖，對本發明的實施方式進行詳細的描述
29.如圖2所示，雷射器1產生近線偏的初始光源，光束通過線偏振片21成為線偏光，1/2波片22用於改變偏振光的振動方向，1/4波片23用於改變偏振光的橢圓率，通過旋轉1/2波片22和1/4波片23的光軸的角度，即可得到基本龐加萊球上的任意偏振狀態。模式轉換模塊3由渦旋波片的級聯相加部分31和渦旋波片的級聯相減部分32組成，可以根據需要增加渦旋波片的級聯相加部分31和渦旋波片的級聯相減部分32的個數，也可以任意調整渦旋波片的級聯相加部分31和渦旋波片的級聯相減部分32的排列順序。從偏振調節模塊2出射的光經過模式轉換模塊3就可以得到不同階數的高階龐加萊球光束。
30.總之，本發明的創新解決了一種階數的渦旋波片只能產生一種階數的龐加萊球光束的問題，在渦旋波片個數有限的情況下，實現了更高和更多種階數的高階龐加萊球光束產生，其中階數種類實現了指數倍的增長。且該模式轉換器具有結構簡單，穩定性好，模式和階數可調等優點。
31.儘管已經詳細描述了本發明及其優點，但應當理解，在不背離由所附的權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以進行各種變化、替換及改造。此外，不意味著本技術的範圍限於說明書中描述的工藝、設備、製造、以及物質組成、手段、方法和步驟的特定實施例。本領域技術人員從本發明的公開內容將很容易意識到那些現在存在的或以後發現的工藝、設備、製造、物質組成、手段、方法或步驟，其與這裡描述的根據本發明相應實施所使用的完成基本上相同的功能或達到基本上相同的結果。因此，期望所附的權利要求將這樣的工藝、設備、製造、物質組成、手段、方法或步驟包括在它們的範圍內。