一种基于纯相位型液晶空间光调制器的一维周期结构光场产生方法

摘要

本发明一种基于单光束的偏振调制产生一维周期结构光场的方法。实验装置如摘要附图所示。由纯相位型液晶空间光调制器3调节入射线偏振光，则可产生一维圆偏振度正弦周期分布的光场。而此光场再透过偏振片4，则可产生一维强度正弦周期分布的光场。与传统的双光束相干迭加产生这样分布的光场的方法对比，本发明的产生方法具有实验装置简单，产生的周期结构光场稳定，计算机控制、参数调节容易等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种一维周期结构的光场产生方法。其特点是利用纯相位型空间光调制器直接调制光束的偏振态分布，产生强度和圆偏振度一维周期变化的光场。在半导体输运动力学测量和微结构光刻制做领域具有重要应用价值。

背景技术

一维周期结构光场在现代科学技术领域具有广泛的应用价值。传统的产生方法是使用两束非平行传播的线偏振光束的相干迭加，在交迭区域产生一维周期结构的光场，而周期由两束光的夹角决定。两束偏振平行的光迭加能够产生光强度一维周期变化的光场。这种周期光场在一维正弦型光栅的光刻制作、半导体中电子双极输运动力学测量方面得到应用。两束偏振正交或垂直的光迭加能够产生圆偏振度或偏振态一维周期变化的光场。这种周期光场在半导体中电子自旋输运动力学测量方面得到应用。然而，这种双光束相交迭加产生方法的缺点是明显的，需要两束光，增加了光路的复杂性。此外，产生的周期结构容易受到两束光之间的光程差波动而漂动。同时，对于飞秒脉冲激光束，还需要精确调节两束光的光程，使之几乎相等，因为容许的光程误差仅几十微米。这些缺点，限制了这种双光束相干迭加产生一维周期结构光场方法的广泛应用，增加了设备的复杂性和实验操作难度。因而，发明新的、简单的一维周期光场产生方法是非常必要的。

发明内容

本发明发展了一种简单的、基于纯相位型液晶空间光调制器调制单光束产生一维周期结构光场的方法。产生方法的原理如图1所示。与目前报道的双光束相干迭加产生一维周期结构光场方法对比，本发明的新方法具有如下四个优点。第一，实验装置结构简单；因为只需要一束光。第二，产生的一维周期结构光场稳定；因为不存在双光束相干迭加中两束光的光程抖动引起的一维周期结构漂动。第三，不需要光程匹配调节。即使对飞秒激光脉冲，也不涉及光程匹配调节问题，因为使用单光束。第四，计算机控制，容易改变周期光场的参数。

本发明的光学原理如图1所示。其关键特征在于引入纯相位型液晶体空间光调制器3。众所周知，纯相位型液晶空间光调制器(PPLCSLM)中液晶分子同向排列，并且液晶分子具有双折射效应。设正入射穿过PPLCSLM的光，其寻常和非寻常光分量的偏振方向分别沿X，Y方向。非寻常光的折射率n_e随施加电压而变化，而寻常光的折射率n₀不随施加电压而变化。所以，当在PPLCSLM的某一空间单元或象素上施加电压V时，通过该象素的光的非寻常和寻常光分量之间的相位差φ为：

$\phi (x,y,V)=\frac{2\pi }{\lambda }[n_e(x,y,V)-n_0]d---\left(1\right)$

式中x，y为象素单元的位置坐标，V为该象素上的施加电压，也是坐标x，y的函数，必要时可以明确写为V(x，y)，λ为光波长，d为液晶层的厚度。

如图1所示，当起偏器2的偏振方向与Y轴成45度角，而其透射的线偏振光的振幅为A时，此线偏振光透过PPLCSLM后，对应坐标为(x，y)的象素的透射光场E可表示为：

$E(x,y,V)=\left(\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right)=\frac{A}{\sqrt{2}}\left(\begin{array}{c}1\\ e^{\mathrm{i\phi }(x,y,V)}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中E_x，E_y分别表示光场的X，Y分量。

上式描述一个任意的光偏振态。通过控制施加电压V(x，y)，使相位差φ(x，y，V)分别等于0，π/2，π和3π/2，则可以分别对应地获得线偏振，右旋圆偏振，旋转90度的线偏振和左旋圆偏振光。显然，相位φ(x，y，V)变化2π，这些偏振态重复出现。所以，控制不同象素的施加电压V(x，y)，使φ(x，y，V)随坐标x周期变化，则可以产生偏振态一维周期变化的光场。

附图说明

图1一维周期结构光场产生装置原理图

图1中，1为入射光束；2为偏振片，用于将入射光束1转换为线偏振光；如1已是线偏振光，则应将其偏振方向调节到与2的偏振方向一致，以便光能量损失最小；2中斜线表示容许通过的线偏振方向，与Y轴成45度角；3为纯相位型液晶空间光调制器，由计算机控制；4为偏振片，其中斜线表示偏振方向，与Y轴成45度角；虚线框表示4是可以依据产生不同性质的一维周期结构光场需要而增减的。

具体实施方式

依据上述原理，本发明已具体实施了两个实例，分别产生一维强度正弦周期分布和一维圆偏振度正弦周期分布光场。

实例一 一维圆偏振度正弦周期分布光场产生

实验装置原理图如图1所示，但偏振片4需拆除。通过控制PPLCSLM上各列象素上的电压随x周期变化，就能产生沿X轴圆偏振度正弦周期分布的光场。

假设要产生周期为Λ个象素宽度的一维圆偏振度正弦周期分布的光场，而对应方程(1)的相位差为0和2π的施加电压分别为V₀和V_2π，则当通过计算机，向PPLCSLM中各象素列上施加如下电压

$V(x,y)=V_0+\frac{V_0-V_{2\pi }}{\Lambda }\mathrm{RMod}\left(\frac{x}{\Lambda }\right)---\left(3\right)$

时，各象素列产生的相位差为：

$\phi (x,y,V)=\frac{2\pi }{\Lambda }\mathrm{RMod}\left(\frac{x}{\Lambda }\right)---\left(4\right)$

式中函数RMod()表示两整数相除，取余数。引入此函数是考虑到液晶的双折射相位差的电压可调范围有限，所以，本实例中只使用0-2π范围的相位差；x＝0，1，…，M-1，为PPLCSLM阵列的列指标；M为PPLCSLM中象素阵列的列数。

此时透过PPLCSLM的光场由方程(2)描述。此偏振态的圆偏振度P为：

P(x，y)＝sin(φ(x，y，V))                          (5)

因为相位差φ由方程(4)给出，是x坐标的线性函数；所以，方程(5)表明光场的圆偏振度随x正弦周期变化，即产生了一维圆偏振度正弦周期分布的光场。这样的光场在半导体中电子自旋输运动力学测试中具有重要应用价值。它激发半导体，能够产生瞬态自旋光栅。而目前的实验中，是使用两束偏振正交的线偏振光迭加产生这样的光场，导致实验装置复杂。

实例二 一维强度正弦周期分布光场产生

实验装置原理图如图1所示。现在需要保留偏振片4，并且它的偏振方向与Y轴成45度角。透过空间光调制器3的光场由方程(2)描述。此光场透过4后，可表示为：

E_P(x，y)＝E_x(x，y)sin45+E_y(x，y)cos45               (6)

式中EP为透过偏振片4的光场；Ex，Ey分别表示入射光场的x，y分量，它们由方程(2)给出。

将方程(2)中各分量代入(6)式得：

$E_P(x,y)=\frac{A}{\sqrt{2}}[\sin 45+e^{\mathrm{i\phi }(x,y,V)}\cos 45]=\frac{A}{2}[1+e^{\mathrm{i\phi }(x,y,V)}]---\left(7\right)$

光强度为：

$I_P(x,y)={\left|E_P(x,y)\right|}^2=\frac{I_0}{2}[1+\cos (\phi (x,y,V)]---\left(8\right)$

式中I₀＝A²。

当PPLCSLM上各象素列施加电压由方程(3)决定时，各象素的相位差如方程(4)所示。这时，相位差φ(x，y，V)是x坐标的线性函数；所以，方程(8)表明光场的强度随x正弦周期变化，即产生了一维强度正弦周期分布的光场。这样的光场在正弦周期光栅的光刻制作和半导体中电子双极输运动力学测量中都具有重要应用价值。而目前的实验测试中，是使用两束偏振平行的线偏振光相交迭加产生这样的光场，导致实验装置复杂。