[發明專利]一種基于渦旋半波片制備多種混合龐加萊球光束的方法

在審

• 申請號: 202210185882.8
• 申請日: 2022-02-28
• 公開（公告）號: CN114660822A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 劉通;孫汝生;任元;王衛杰;劉政良;李瑞健;韓放
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍戰略支援部隊航天工程大學
• 主分類號: G02B27/28
• 分類號: G02B27/28
• 代理公司: 北京中政聯科專利代理事務所(普通合伙) 11489
• 代理人: 鄭久興

本發明涉及一種基于渦旋半波片制備多種混合龐加萊球光束的方法。在高階龐加萊球基礎上，引入線偏振渦旋相得出混合龐加萊球表達式。提出一種基于渦旋半波片的多種混合階龐加萊球上任意位置處柱矢量渦旋光束的制備方法。首先利用渦旋半波片和四分之一波片產生線偏振渦旋光；其次，利用半波片和四分之一波片調整渦旋光偏振方向和偏振橢圓率使其入射另一個渦旋半波片，產生具有柱矢量偏振態的渦旋光束。該光束對應混合龐加萊球上一點，通過轉動波片快軸能夠產生混合龐家萊球上任意位置處柱矢量渦旋光；最后，級聯渦旋半波片制備多混合龐加萊球。該方法可以實現拓撲荷數和偏振階數的獨立調制，對模式靈活可調的集成柱矢量渦旋光光源的設計有一定價值。

技術領域

本發明涉及一種基于渦旋半波片制備多種混合龐加萊球光束的方法，目前已有的傳統方法都是基于空間光調制器在干涉儀基礎上制備矢量渦旋光，或者采用非干涉方法組合使用空間光調制器、螺旋相位板、超表面等定制光學元件產生柱矢量渦旋光。本發明主要涉及微納光學、物理學，能夠減少定制光學元件種類，簡化制備光路系統，擴大制備柱矢量渦旋光束制備范圍，對模式靈活可調的集成柱矢量渦旋光光源的設計有一定價值。

技術背景

光束的偏振和相位是光場的基本屬性，從1969年，丹麥人巴塞林發現光的雙折射現象以及偏振消光現象，便開啟了標量偏振光場的研究。矢量光場定義為在某一時刻同一波振面不同位置具有不同偏振態分布的光場。柱矢量光束是一種偏振態呈軸對稱分布的特殊矢量光束，由于存在偏振奇點所以形成中空暗核，表現為形狀如同甜甜圈的環形光斑，其中徑向偏振矢量光束和角向偏振矢量光束是柱矢量光束的典型代表。近年來在柱矢量光束制備與偏振態檢測方面發展迅速，能夠制備高模式純度柱矢量光束。其在緊聚焦、光束整形、粒子加速和捕獲、激光材料加工、超分辨率技術和光學計量等領域具有重要的應用。最近的研究也證明了柱矢量光束在光通信、量子信息處理、自旋和軌道角動量效應、等離子體納米結構、光纖和集成光學等方面的潛在應用。

光場中相位可以按照一定規律變化，例如，渦旋光在傳輸過程中相位不斷變化并且具有螺旋波振面。若光束傳播一個周期，則波陣面正好繞光軸旋轉一周，相位也相應改變2π的整數倍。1992年，L.Allen發現了在近軸條件下帶有相位因子的渦旋光束具有軌道角動量，其中l為渦旋光軌道角動量拓撲荷數，為方位角；渦旋光在光通信、粒子微操控、運動探測、光學微測量等領域具有重要的應用價值。

柱矢量渦旋光束其偏振態在空間上呈現柱對稱分布，具有與拓撲荷數有關的螺旋形相位波前。柱矢量渦旋光束可以用混合龐加萊球上一點表示，隨著拓撲荷數和偏振階數的改變，對應的混合龐加萊球上的位置也隨之改變。柱矢量渦旋光能克服標量渦旋光束傳輸穩定性差的問題，包含與渦旋光和矢量光束類似的應用價值，同時特有矢量多普勒效應能夠探測物體運動信息, 對生物學顯微觀察具有一定幫助。

現有多種成熟技術和方法產生混合龐加萊球上光束，主要分為腔內轉換 (主動)和腔外轉換(被動)兩類。腔內轉換法是在激光器諧振腔內嵌入特殊的模式選擇器件，在泵浦激勵作用下配合選擇透過性介質直接產生所需光束。該方法光束質量好且轉化效率高，但是激光器諧振腔設計難度大，使用不夠靈活。腔外轉化法，可以利用空間光調制器在改進干涉儀的基礎上實現，這種方式光路設計復雜對穩定性和控制精度要求高，并且轉化效率較低。此外各向異性晶體、特殊結構相位板、液晶Q板和超表面等器件，可以將標量偏振激光轉化成柱矢量光束，可以用于柱矢量渦旋光束的制備。目前缺少，利用一種定制光學元件實現光束偏振與相位的獨立調控，并能制備多種混合龐加萊球上全域光束的方法。

渦旋半波片是一種常用于產生柱矢量光束的偏振光學元件。渦旋半波片在整個有效作用區域內具有一致的相位延遲π，但其快軸的方向圍繞中心按照一定規律不斷變化，因此可以認為是一種特殊的半波片。相比于液晶Q 板、超表面等具有類似功能的器件，渦旋半波片具有較高的透射率和轉換效率，在使用便捷性方面的優勢也很突出。而且，通過級聯應用兩個或多個渦旋半波片，能夠靈活地產生任意高階柱矢量光束。

發明內容