一种阶次可调的半腔内生成矢量光束的方法与系统

摘要

本发明公开了一种阶次可调的半腔内生成矢量光束的方法与系统。本发明提供的矢量光束生成系统，由主机、泵浦源和谐振腔以及腔外转化部分组成。其原理在于使用主机控制泵浦源和谐振腔，使谐振腔发射涡旋光束，同时由主机控制腔外转化部分，将涡旋光束转化为矢量光束。本发明系统结构稳定，利于操作，只需改变主机输入指令，即可实现不同阶次，不同偏振态分布的矢量光束的生成。相比现有矢量光束生成技术具有较大的进步。

说明书

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种阶次可调的半腔内生成矢量光束的方法与系统。

背景技术

矢量光束是一种新型的光束。与常见的光束不同，矢量光束的光场横截面处的偏振态分布是各向异性的，常见的矢量光束有径向偏振光和角向偏振光等。具有轴对称偏振态分布的矢量光束是麦克斯韦方程组在柱坐标系下的本征解。因此也可将其称为偏振涡旋光束和轴对称偏振光束等。矢量光束的横截面光强分布也与常见的激光光束不同，其呈一中空环状，中心处由于具有偏振奇点而无光强。

矢量光束的这些特性，使得其在很多领域都有诸多应用。不同阶次的矢量光束由于携带有不同的偏振信息量，可进行编码，实现数据的传输，同时其具有平面波前结构，相比于涡旋光束，在自由空间中传播时具有较大的优势。矢量光束也可应用在高分辨率成像技术中，这是由于其独特的光束结构使其在高数值孔径透镜的聚焦下，聚焦光斑可以突破衍射极限，并且在焦点附近具有很强的纵向电场分量。在表面等离子体波的激发技术中，对于旋转对称光学系统，径向偏振矢量光束可激发最优的等离子共振。

科研人员在矢量光束的生成技术领域做了大量的研究，目前主要有两种生成方法，即腔内生成法和腔外转化法。

腔内生成法即在激光谐振腔中插入某些光学元件如轴向双折射或轴向二向色性器件等，通过模式选择使得激光器以矢量光束模式振荡输出。这种方法调节起来较为复杂，同时不同阶次的矢量光束间的切换输出也比较麻烦。

腔外转化法即在谐振腔外通过涡旋光束或厄米高斯光束的相干合成，实现矢量光束的生成。我们一般采用涡旋光束的相干合成来生成矢量光束，其原理在于，一左旋圆偏振涡旋光束与一携带有相反轨道角动量的右旋圆偏振涡旋光束合束后可以生成矢量光束，该生成过程可表示为：

上式中，Φ表示角向坐标，l为涡旋光束的角量子数。上式同时表明，生成的矢量光束的阶次为入射涡旋光束角量子数的绝对值。

目前常见的合束方法，有渥拉斯通棱镜法，泰曼格林干涉仪法等。渥拉斯通棱镜法采用将两束角量子数相反，且偏振态相互正交的线偏振涡旋光束入射至渥拉斯通棱镜，合束后的光束再经一快轴方向与水平方向呈45°的四分之一波片，则出射光为所生成的矢量光束。泰曼格林干涉仪法只需一路涡旋光束，干涉仪出射光即为矢量光束，通过改变装置中光调制器加载的螺旋相位片的阶次实现生成矢量光束阶次的改变，操作相比渥拉斯通棱镜法更为简单。总的来说，腔外转化法生成的矢量光束纯度较高，但其装置较为复杂，调节比较困难，仍不利于实际应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种阶次可调的半腔内生成矢量光束的方法与系统。其目的在于，解决腔内生成法调节困难，不同阶次矢量光束的切换输出不易实现等问题。

其目的亦在于，解决腔外转化法装置复杂，调节精度要求较高的问题。

本发明提供的一种半腔内生成矢量光束的方法与系统，采用腔内生成涡旋光束，腔外附加偏振调制的方法，实现矢量光束的生成。同时，改变主机输入模块中的输入指令，即可快速实现生成的矢量光束的不同阶次的切换，亦可实现生成的矢量光束的偏振态分布的快速改变(径向偏振变为角向偏振，角向偏振变为径向偏振)。

本发明的一种半腔内生成矢量光束的系统，其具备：

主机，用于将使用者的指令转化为控制信号，控制激光系统生成不同阶次，不同偏振态分布的矢量光束；

泵浦源与激光谐振腔，受主机控制，生成不同阶次的线偏振涡旋光束；

腔外调制部分，用于实现线偏振涡旋光束的偏振调制，将涡旋光束转化为矢量光束。

本发明具有以下有益效果：

(1)装置稳定，无需重复调节，若光路有微小偏离，只需通过软件调节，无需调节硬件；

(2)可生成任意阶次的矢量光束，且生成矢量光束的阶次与偏振态分布可任意改变。

附图说明

图1(a)为不同阶次的径向偏振矢量光束及其偏振态分布。

图1(b)为不同阶次的角向偏振矢量光束及其偏振态分布。

图2为本发明的实施方式构成图。

图3为本发明的阶次可调的半腔内生成矢量光束的系统中，主机的内部构成图。

图4为本发明的阶次可调的半腔内生成矢量光束的系统中，泵浦源与激光谐振腔的内部构成图，其中，401-泵浦源，402-45°镜，403-布儒斯特窗，404-液晶空间光调制器，405-晶体，406-输出镜，407-45°镜，408-水冷系统，409-泵浦光，410-谐振激光。

图5为本发明的阶次可调的半腔内生成矢量光束的系统中，腔外调制部分的内部构成图，其中，501-半波片，502-光隔离器，503-分光棱镜，504-液晶空间光调制器，505-四分之一波片，506-半波片组，507-半波片组控制器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做一详细的描述。

本发明主要用于生成矢量光束。与常规的偏振光不同，矢量光束是一种具有偏振态按特定规律分布的新型光束，常见的偏振态分布方式有径向偏振和角向偏振。矢量光束可用琼斯矩阵表示为：

式中，l为矢量光束的阶次，当l＝0时，上式表示线偏振光。r为径向坐标，为角向坐标。Φ₀为时的初始偏振方向，当Φ₀＝0时，表示径向偏振矢量光束，当Φ₀＝π/2时表示角向偏振矢量光束。矢量光束由于偏振态呈一定规律分布，因此通过加一个旋转偏振片即可确定其偏振态分布。径向和角向矢量光束的光场分布、偏振态分布以及加不同角度偏振片后的光场分布如图1(a)和图1(b)所示。

本发明的核心原理可由下式表示为：

即一左旋圆偏振涡旋光束与一携带有相反轨道角动量的右旋圆偏振涡旋光束合束后可以生成径向偏振矢量光束。上式中，Φ表示角向坐标，l为涡旋光束的角量子数。

本发明采用腔内生成涡旋光束，腔外根据上式对涡旋光束进行偏振调制，实现矢量光束的生成。

下面结合图2，简要介绍本发明的具体实施方式构成。

本发明的具体实施构成包括主机，泵浦源和激光谐振腔，腔外调制部分。

主机，用于将使用者的指令转化为控制信号，控制激光系统生成不同阶次，不同偏振态分布的矢量光束。如图3所示，包括指令输入模块，温控模块，判断模块，计算处理模块，输出模块。其中：

所述指令输入模块，用于将接收使用者输入的操作指令，包括需要生成的矢量光束的阶次，晶体的理想工作温度，生成的矢量光束为径向偏振还是角向偏振等；

温控模块，用于监测并控制激光谐振腔中晶体的温度；

判断模块，用于实时分析温控模块传来的晶体温度数据，若温度正常，则开启泵浦源(401)，若温度超过晶体工作的理想温度的正负5度时，通过输出模块将控制信号传输至泵浦源(401)，并关闭泵浦源(401)；

计算处理模块，用于计算并生成加载在谐振腔内液晶空间光调制器(404)和腔外调制部分的液晶空间光调制器(504)的全息光栅图，其计算依据为输入模块输入的生成矢量光束的阶次，其中，加载在调制器(404)上的全息光栅用于腔内调制生成与待生成矢量光束阶次相同的涡旋光束，加载在调制器(504)上的全息光栅为阶次为谐振腔生成的涡旋光束的角量子数的相反数的二倍的螺旋相位片；

输出模块，用于将主机的控制指令输出到相应的器件。

泵浦源与激光谐振腔，受主机控制，生成不同阶次的线偏振涡旋光束。如图4所示，包括泵浦源，两个45°镜，布儒斯特窗，液晶空间光调制器，晶体，输出镜。其中：

所述泵浦源用于产生泵浦光，给谐振腔中注入能量；

所述第一个45°镜(402)置于泵浦源发射的泵浦光的光路中，其对泵浦光高透，对谐振激光高反，用于实现谐振腔中泵浦光的注入；

所述液晶空间光调制器(404)作为谐振腔的反射镜，置于45°镜(402)下方的光路中，用于加载全息光栅，实现腔内模式调制，进而生成涡旋光束；

所述布儒斯特窗置于液晶空间光调制器(404)与45°镜(402)中间的光路中，用于实现谐振腔内的p光谐振，其原因在于，液晶空间光调制器(404)只对p光有相位调制作用；

所述晶体置于置于45°镜(402)后方的光路中，为谐振腔的工作物质；

所述输出镜置于晶体后方的光路中，用于实现谐振激光的输出；

所述第二个45°镜(407)置于输出镜的后方光路中，其表面镀膜，对泵浦光高透，对生成的涡旋光束高反，用于实现生成的涡旋光束与泵浦光的分离。

腔外调制部分，用于实现线偏振涡旋光束的偏振调制，将涡旋光束转化为矢量光束。如图5所示，包括半波片，光隔离器，分光棱镜，液晶空间光调制器，四分之一玻片，半波片组和半波片组控制器。其中：

所述半波片(501)的快轴方向与水平面呈22.5°放置，用于将谐振腔输出的水平线偏振涡旋光束转化为偏振方向与水平面呈45°的线偏振涡旋光束；

所述光隔离器置于半波片(501)后方的光路中，用于确保涡旋光束的单向传播，保护泵浦源与谐振腔中的光学器件；

所述分光棱镜置于光隔离器后方的光路中，用于分光；

所述液晶空间光调制器(504)置于分光棱镜的透射光路中，用于将偏振方向与水平面呈45°的线偏涡旋光束转化为两束角量子数相反且偏振方向相互正交的水平和垂直线偏振涡旋光束的合束。其原理在于，其加载的螺旋相位片的阶次为入射涡旋光束的的角量子数的相反数的二倍，由于其只对水平偏振分量有调制作用，对垂直偏振分量无调制作用，故水平偏振分量受调制，角量子数变为原来的相反数，但由于反射一次，实际反射光角量子数未变。竖直偏振分量不受调制，但由于反射一次，角量子数变为原来的相反数。

所述四分之一波片置于液晶空间光调制器(504)后方的光路中，用于将两束角量子数相反且偏振方向相互正交的水平和垂直线偏振涡旋光束的合束转化为两束角量子数相反且偏振方向分别为左旋圆偏振与右旋圆偏振涡旋光束的合束，即生成了径向矢量光束。

所述半波片组(506)受控制器(507)控制，当主机传来的指令为输出径向偏振矢量光束时，控制器将半波片组移出控制电路；当主机传来的指令为输出角向偏振矢量光束时，控制器将半波片组移入控制电路。半波片组由一快轴方向与水平方向呈0°和一快轴方向与水平方向呈45°的半波片组成，其可将径向偏振矢量光束转化为角向偏振矢量光束。该过程可由琼斯矩阵表示为：

综上，本发明以半腔内生成矢量光束的方式，可迅速、快捷的生成任意阶次的矢量光束。该系统操作简单，不同阶次的切换只需改变主机的输入指令，无需其他操作，相比现有技术具有较大进步。

以上内容虽然详细地描述了本发明，但本领域技术人员应知本发明不限于上述的描述。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。