一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件

摘要

本发明公开了一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，包括两个非偏振透射层和两个偏振透射层(2)；其中，一个非偏振透射层与对应的一个偏振透射层(2)相互连接形成一个整体，两个非偏振透射层和两个偏振透射层(2)分别相向排列，且两个偏振透射层(2)位于内侧设置。本发明利用单一偏振的涡旋光，对其偏振基底进行调制，由于生成的矢量涡旋光的模式只与入射光有关，所以对于不同的入射光可以生成对应的不同矢量光模式，入射光允许有径向结构，且改变入射光时本发明保持不变。

权利要求

1.一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，其特征在于，包括两个非偏振透射层和两个偏振透射层(2)；其中，一个非偏振透射层与对应的一个偏振透射层(2)相互连接形成一个整体，两个非偏振透射层和两个偏振透射层(2)分别相向排列，且两个偏振透射层(2)位于内侧设置；

非偏振透射层选用平凸柱状透镜或菲涅尔相位片(1)；平凸柱状透镜或菲涅尔相位片(1)能够给入射光附加焦距为f的会聚作用，偏振透射层(2)的作用是对左旋圆偏振附加焦距为f的会聚作用，对右旋圆偏振附加焦距为-f的发散作用；运用零距离放置时的透镜焦距合成公式 可得每一侧的组合的总焦距为fL＝f/2，fR＝+∞；

两个偏振透射层(2)之间还设置有连接层(5)，当连接层(5)的长度为d＝nf，式中n为连接层材料的折射率，对于左旋圆偏振构成一个π古伊相位转换器，对于右旋圆偏振则无转换器作用，当连接层(5)的长度为d＝nsin(Θ/2)f时，其中Θ为该器件引入的古伊相位，对于左旋圆偏振实现任意的古伊相位转换器。

2.根据权利要求1所述的一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，其特征在于，该器件对左旋圆偏振成分实现|l>至|-l>的翻转，|l>和|-l>分别表示拓扑荷为l和-l的涡旋光，涡旋光拓扑荷取任意整数；对右旋圆偏振成分无翻转作用。

3.根据权利要求1所述的一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，其特征在于，该器件能够生成单模矢量涡旋光，其表达式为：式中，|L>表示左旋圆偏振，|R>表示右旋圆偏振，γ为相对相位。

说明书

一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件

技术领域

[0001] 本发明属于光学技术领域，具体涉及一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件。

背景技术

[0002] 涡旋光是具有螺旋波前的结构光。一般涡旋光的偏振分布是均匀的，如线偏振、圆偏振等，又称作标量涡旋光。矢量涡旋光的偏振分布则是随横向空间的位置按一定规律变化，一般呈轴对称分布，又称作柱对称矢量光场。

[0003] 研究表明，柱对称的矢量涡旋光经高数值孔径透镜紧聚焦时，可以得到最小的聚焦球对称点，可以用来提高成像分辨率，用于等离子聚焦，纳米粒子操控等，其中在高分辨成像领域的应用价值尤为突出，在共聚焦显微技术、双光子显微技术、二阶谐振生成显微、暗场成像等技术中均有体现。此外，矢量涡旋光在激光加工、遥感技术、太赫兹技术、奇点光学、数据存储等领域也有值得期待的应用前景。

[0004] 量涡旋光有多种产生方法，对产生方法的改进和创新是领域内的研究热点之一。一种典型的思路是在激光腔内加入预设的腔装置使激光腔输出矢量涡旋光模式的谐振波。
这种腔装置可以是轴向双折射器件或者轴向双向色性元件，其作用是提供模式选择功能以去除基模成分，最早在1972年就已有相关研究，然而当时鲜有矢量涡旋光的应用开发，很少有人关注矢量涡旋光的产生。近些年来，矢量涡旋光的应用潜力逐渐被发掘，主动矢量涡旋光生成再次引起关注。应用腔内轴向双折射器件的产生方法被重新提出和进一步改良。新的提供偏振模式选择的器件，如锥形透镜轴向双向色性器件、布儒斯特角反射装置等也被开发出来。

[0005] 另外一种思路是通过转化那些普通的空间均匀偏振(如线偏振)光来产生空间不均匀的矢量涡旋光。因此，在这类方案中往往需要一个拥有空间变化的偏振性质的器件，使经过的光束被径向或角向偏振化。这类器件可以由很多种平面加工技术制作，如电子束刻蚀、灰度刻蚀等。现今一些成品级的元件已可以在光学元件制造商处购买。这类器件的缺点是一个定制好的器件只能生成一类矢量涡旋光。

[0006] 除了上述用空间变化的偏振装置产生的方法外，干涉法也是一种常见产生矢量涡旋光的方法。这类方法用马赫-曾德尔干涉仪或者萨格纳克干涉仪和螺旋相位片或者空间光调制器液晶产生的螺旋相位结合，用两个单偏振涡旋叠加得到矢量涡旋光。但是此类方法不可避免地受到干涉稳定性的限制，同时由于涉及面板型器件，在光束质量上也受器件分辨率限制。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，其可实现利用单偏振涡旋光产生矢量涡旋光的功能。此器件产生的矢量涡旋光的模式只与入射光有关，因此一个器件可以应用于多数矢量涡旋光的生成。此器件不包含路径干涉装置，在稳定性上有较大优势。

[0008] 本发明采用如下技术方案来实现的：

[0009] 一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，包括两个非偏振透射层和两个偏振透射层；其中，一个非偏振透射层与对应的一个偏振透射层相互连接形成一个整体，两个非偏振透射层和两个偏振透射层分别相向排列，且两个偏振透射层位于内侧设置。

[0010] 本发明进一步的改进在于，非偏振透射层选用平凸柱状透镜或菲涅尔相位片。

[0011] 本发明进一步的改进在于，平凸柱状透镜或菲涅尔相位片可以给入射光附加焦距为f的会聚作用。偏振透射层对左旋圆偏振光附加焦距为f的会聚作用，对右旋圆偏振光附加焦距为-f的发散作用。运用零距离放置时的透镜焦距合成公式 可得每一侧的组合的总焦距为fL＝f/2，fR＝+∞。

[0012] 本发明进一步的改进在于，左右两部分对向放置的距离d＝f时，对于左旋圆偏振构成一个π古伊相位转换器。π古伊相位转换器的效果即为实现|l>至|-l>的翻转，|l>和|-l>分别表示拓扑荷为l和-l的涡旋光，涡旋光拓扑荷取任意整数；对右旋圆偏振成分无翻转作用。

[0013] 本发明进一步的改进在于，该器件能够生成单模矢量涡旋光，其表达式为：

[0014]

[0015] 式中，|L>表示左旋圆偏振，|R>表示右旋圆偏振，γ为相对相位。

[0016] 本发明进一步的改进在于，两个偏振透射层之间还设置有连接层，且连接层的长度为d＝nf，式中n为连接层材料的折射率。

[0017] 本发明具有如下有益的技术效果：

[0018] 1、通用性：利用单一偏振的涡旋光，对其偏振基底进行调制，由于生成的矢量涡旋光的模式只与入射光有关，所以对于不同的入射光可以生成对应的不同矢量光模式，入射光允许有径向结构，且改变入射光时本发明保持不变；

[0019] 2、稳定性：器件由原理上不需要进行路径分束合束操作，系统中无干涉仪，因此在实际运用中在稳定性上优于各种干涉仪方法。更进一步的可以设计成一体化的器件使其更加稳定。

[0020] 3、可线性叠加：基于线性光学设计，器件实现的物理过程可以叠加，使其不但适用于单一矢量涡旋光的生成，还可以适用于混态和叠加态。

[0021] 4、可逆向使用：基于线性光学设计，器件可以逆向使用，实现矢量涡旋光向均匀偏振涡旋光的变换。

附图说明

[0022] 图1为本发明所述器件的结构和对左旋圆偏振的会聚作用示意图；

[0023] 图2为本发明所述器件的结构和对右旋圆偏振的作用示意图；

[0024] 图3为本发明所述器件的三维结构图和作用效果示意；

[0025] 图4为本发明所述器件的一种紧凑型结构三维图；

[0026] 图5为偏振透射层快轴排布示意图；

[0027] 图6为含光源的矢量涡旋光生成装置示意。

[0028] 附图标记说明：

[0029] 1、平凸柱状透镜或菲涅尔相位片；2、偏振透射层；3、均匀偏振光的偏振分布；4、矢量涡旋光的偏振分布；5、连接层。

具体实施方式

[0030] 以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

[0031] 本发明提供的一种基于古伊相位的矢量涡旋光生成器件，由两个非偏振透射层和两个偏振透射层2组成。非偏振透射层以平凸柱状透镜1为例。如图1所示，排列方式为两个平凸柱状透镜和两个偏振透射层分别相向排列。

[0032] 非偏振透射层以平凸柱状透镜1为例，平凸柱状透镜可以给入射光附加焦距为f的会聚作用，本发明所述焦距均为柱状透镜的焦距，即只对横向平面的单一方向有会聚作用。

[0033] 偏振透射层2的作用是对左旋圆偏振光附加焦距为f的会聚作用，对右旋圆偏振光附加焦距为-f的发散作用。运用零距离放置时的透镜焦距合成公式 可得每一侧的组合的总焦距为fL＝f/2，fR＝+∞。图1和图2分别展示了器件对左旋圆偏振和右旋圆偏振的会聚作用。

[0034] 在图1-3中，左右两部分对向放置的距离d＝f时，对于左旋圆偏振构成一个π古伊相位转换器。π古伊相位转换器的效果即为实现|l>至|-l>的翻转。对于右旋圆偏振则无转换器作用。

[0035] 本发明在改变左右两部分对向放置的距离d时，还可以实现任意的古伊相位转换器，其中d＝sin(Θ/2)f，其中Θ为该器件引入的古伊相位。

[0036] 本发明作用可以概括为|l,L>→|-l,L>，|l,R>→|l,R>，式中|L>表示左旋圆偏振，|R>表示右旋圆偏振。

[0037] 一般的单模矢量涡旋光可写为 式中γ为相对相位。而对于均匀偏振的涡旋光，可以表示为 的形式，按照本发明的作
用可以被转化为 即生成了单模矢量涡旋光。器件的三维结构
和作用效果如图3所示，图中1为平凸柱状透镜或菲涅尔相位片，2为偏振透射层，3为均匀偏振光的偏振分布，4为矢量涡旋光的偏振分布。

[0038] 本发明所述器件的拓展形式即一种紧凑式结构如图4所示，图中1为平凸柱状透镜层，2为偏振透射层，5为连接层。各层之间用非破坏型的技术连接，如低功率照射的光学胶。在傍轴薄透镜且空气折射率按1计算的情况下，根据斯涅尔定律n1sinθ1＝n2sinθ2，当连接层折射率为n，θ1、θ2分别为无、有连接层时折射光与界面法线的夹角，根据傍轴近似下sinθ≈θ,tanθ≈θ，有θ1≈nθ2，再根据几何关系 连接层内光通过的实际距离，即连接层5的长度可近似为d＝nf，式中n为连接层材料的折射率。本发明对比同样效果的干涉装置更加方便小型化设计。本发明应用薄透镜近似计算组合焦距并确定左右两部分之间的距离，但是当不符合近似条件时需按照折射理论严格计算。

[0039] 本发明不局限于构成一个π古伊相位转换器，在d满足一定条件时可以构成任意古伊相位转换器，在分离式结构中d＝sin(Θ/2)f，在紧凑式结构中d＝nsin(Θ/2)f，其中Θ为该器件引入的古伊相位。

[0040] 本发明设计思想并不限制径向结构，因此也适用于有径向结构的矢量涡旋光。含有径向结构的矢量涡旋光的特征为在无径向结构的矢量涡旋光的基础上加入径向结构。因为在极坐标系中径向和角向基矢互相正交，本发明内容中讨论的无径向结构矢量涡旋光只涉及角向坐标，因此加入与其正交的径向坐标不会影响前文讨论。

[0041] 本发明中偏振透射层可以用液晶聚合物、纳米面板等材料实现，其特征为对两个正交基底分别引入共轭的相位调制，此类模型可以由快轴的空间排布来表示。快轴与水平参考方向的夹角所引入的相位调制为φ＝2Φ，其中Φ＝Φ(y)为晶轴与水平方向的夹角，y为平面纵坐标。本发明所需的偏振透射层实现的偏振调制相位应有类似柱状透镜的会聚作用，可以写为 因此快轴的空间排布可以表示为 图5所示为快轴排布示意图。

[0042] 完整的矢量涡旋光生成光路图如图6所示。光源部分可以是激光器，或基模高斯光和空间光调制器的组合等可以生成涡旋光的装置。光源经过本发明所述器件后可直接生成对应的矢量涡旋光。

[0043] 本发明所述器件为线性光学器件，根据电磁场的叠加原理，也适用于叠加态和混态矢量涡旋光的产生。

[0044] 进一步的，本发明的逆向使用可以实现矢量涡旋光到均匀偏振涡旋光的变换。

[0045] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。