一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统
1.本发明涉及光学领域，具体涉及到一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统。
背景技术：
2.众所周知，激光具有很多物理属性，因此承担了信息传递的重要角，目前已广泛应用在医疗、工业以及光通信等领域，比如振幅，影响人们观察物体的强度；频率，影响颜的观察；相位分布，影响光与物质相互作用的形式等。当今在光子学领域，有关光学涡旋以及光子轨道角动量的报道浩如烟海。尤其自1992年allen等人揭示了拉盖尔高斯光束可携带轨道角动量的概念以后，各种携带轨道角动量的新型空间光场逐步进入人们视线。特别的，将光子的涡旋结构与偏振态两个自由度以一种不可分离的方式耦合而成的二维矢量光场，具有更多维度新颖独特的矢量操控特性，引起了人们对光场矢量调控的广泛兴趣。
3.目前，关于矢量光场的研究主要聚焦在光场的横向与纵向矢量特性调控：其中光场横向调控包括光场强度、偏振态、相位等信息横向分布调控；矢量光场的纵向调控大多局限在特定条件下矢量光场偏振特性所展现的新颖性质研究，比如，在紧聚焦条件下，径向偏振分布的矢量光场所具备的超强紧聚焦力，在材料微加工等领域应用潜力巨大。矢量光场多样化的相位分布，能够为光与物质提供多样化作用方式，尤其在自由传输条件下，灵活调控光场的相位传输特性，对微小粒子操控领域意义重大。然而到目前为止，灵活操控光场自由传输过程中的相位信息还是亟待解决的问题。
技术实现要素：
4.为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统，能够利用圆艾里涡旋矢量光场的拓扑荷调控实现光场相位旋转角度可调控。
5.技术方案
6.一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统，包括从左至右依次设置的高斯光源、扩束装置、对角线方向线偏振光生成器、任意结构矢量光束的产生系统以及检测装置，所述产生系统中设有数字调控光场参数的数字微镜器件dmd。
7.进一步的，所述扩束装置包括焦距为20mm的第一透镜、焦距为200mm的第二透镜，所述扩束装置可实现光束准直且尺寸十倍扩大。
8.进一步的，所述对角线方向线偏振光生成器包括用于调整输出光束的偏振态为对角线45度的二分之一波片。
9.进一步的，所述产生系统包括沃拉斯顿棱镜。
10.进一步的，所述产生系统还包括四分之一波片，所述产生系统还包括焦距为150mm的第三透镜、焦距为150mm的第四透镜。
11.进一步的，所述产生系统还包括所述数字微镜器件dmd，所述数字微镜器件dmd所
加载的全息图包含数字光栅，通过调节光栅系数，可实现左、右旋圆偏振两束光沿同一传输路径传输。
12.进一步的，所述产生系统所产生的圆艾里涡旋矢量光束表示为：
[0013][0014]
其中，cosθ、为权重因子，(r,φ)为柱坐标参数，和为左、右旋圆偏振基失，另外，为两个偏振基失之间存在的相位差，与作为两正交空间模式基失，分别为携带轨道角动量的圆艾里涡旋光束，为普朗克常量。
[0015]
进一步的，所述圆艾里涡旋光束可表示为：
[0016][0017]
其中ai()表示艾里函数；r是半径，r0是光束主环半径；a是截止因子；ω是束腰半径；m是拓扑荷；v是初始发射角参量。
[0018]
进一步的，通过所述数字微镜器件dmd调控所述圆艾里涡旋矢量光束的拓扑荷参量，从而操控光束模间相位随光束传输的旋转角度。
[0019]
进一步的，所述检测装置包括旋转角度可调的检偏器。
[0020]
进一步的，所述检测装置还包括ccd接收装置。
[0021]
进一步的，将产生的光束通过角度分别调节为0
°
、45
°
、90
°
以及135
°
的所述检偏器8，再利用所述ccd接收装置9记录不同条件下四个光束的光强ih、id、iv和ia。
[0022]
进一步的，通过所获的四个光强ih、id、iv和ia，可获得斯托克斯参数s1,s2，具体关系为：
[0023]
s1＝i
h-iv,s2＝i
d-ia[0024]
进一步的，通过斯托克斯参数s1和s2可获得所产生矢量光束的模间相位分布，具体关系为：
[0025]
φ＝arctan(s2/s1)
[0026]
进一步的，通过对光束模间相位的观察，随着光束的传输距离增加，模间相位发生旋转，且旋转角度与所述光束的拓扑荷参量有关，具体关系为：
[0027][0028]
进一步的，圆艾里涡旋矢量光束在不改变光路的前提下，仅通过改变所述数字微镜器件dmd上加载的圆艾里涡旋矢量光束中的拓扑荷参数，可实现基于拓扑荷调制的矢量光场模间相位角度随距离调控。
[0029]
有益效果
[0030]
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0031]
不需要加工具有特殊结构的材料，具有适用范围广、灵活性高、数字化操控简单等特点；除此之外，本发明结构简单、价格成本低，能够在不借助任何光学元器件的前提下，计
算机操控dmd改变目标矢量光束参数即可灵活操控光场模间相位旋转角度。
附图说明
[0032]
图1为本发明一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统的结构示意图；
[0033]
图2为拓扑荷{m1,m2}分别为{1,-1}、{1,0}以及{1,-2}时的圆艾里涡旋矢量光束，其模间相位随光束传输角度旋转示意图，分别对应图(a)(b)(c)。
[0034]
附图标记
[0035]
高斯光源a、扩束装置b、对角线方向线偏振光生成器c、产生系统d、检测装置e、第一透镜1、第二透镜2、沃拉斯顿棱镜3、四分之一波片4、第三透镜5、第四透镜6、数字微镜器件dmd7、检偏器8、ccd接收装置9。
具体实施方式
[0036]
为更好地说明阐述本发明内容，下面结合附图和实施实例进行展开说明：
[0037]
有图1-图2所示，一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统，包括从左至右依次设置的高斯光源a、扩束装置b、对角线(45
°
)方向线偏振光生成器c、任意结构矢量光束的产生系统d以及检测装置e，所述产生系统d中设有数字调控光场参数的数字微镜器件dmd7。
[0038]
进一步的，所述扩束装置b包括焦距为20mm的第一透镜1、焦距为200mm的第二透镜2，所述扩束装置b可实现光束准直且尺寸十倍扩大。
[0039]
进一步的，所述对角线方向线偏振光生成器c包括用于调整输出光束的偏振态为对角线45度的二分之一波片(未示出)。
[0040]
进一步的，所述产生系统d包括沃拉斯顿棱镜3，用于将+45
°
线偏振光沿水平、竖直两个偏振方向等光强投影成两个光束，且两个具有正交偏振态的光束的传输夹角为1.5
°
。
[0041]
进一步的，所述产生系统d还包括四分之一波片4，用于改变水平、竖直线偏振态分别为左旋、右旋圆偏振，所述产生系统d还包括焦距为150mm的第三透镜5、焦距为150mm的第四透镜6。
[0042]
进一步的，所述产生系统d还包括所述数字微镜器件dmd7，所述数字微镜器件dmd7所加载的全息图包含数字光栅，通过调节光栅系数，可实现左、右旋圆偏振两束光沿同一传输路径传输。
[0043]
进一步的，所述产生系统d所生成的圆艾里涡旋矢量光束表示为：
[0044][0045]
其中，cosθ、为权重因子，(r,φ)为柱坐标参数，和为左、右旋圆偏振基失，另外，为两个偏振基失之间存在的相位差，与作为两正交空间模式基失，分别为携带轨道角动量的圆艾里涡旋光束，为普朗克常量。
[0046]
进一步的，所述圆艾里涡旋光束可表示为：
[0047][0048]
其中ai()表示艾里函数；r是半径，r0是光束主环半径；a是截止因子；ω是束腰半径；m是拓扑荷；v是初始发射角参量。
[0049]
进一步的，在不移动任何光学元器件的前提下，圆艾里涡旋光场可通过所述数字微镜器件dmd7，通过计算机对目标光场拓扑荷参量进行调控，从而实现模间相位角度随光束传输距离调控。
[0050]
进一步的，所述检测装置e包括角度可调节的检偏器8及ccd接收装置9，通过记录不同条件下的光强，重构光束的模间相位分布，从而实现光束模间相位角度随光束传输发生旋转的观察。
[0051]
进一步的，将产生的光束通过角度分别调节为0
°
、45
°
、90
°
以及135
°
的所述检偏器8，再利用所述ccd接收装置9记录不同条件下四个光束的光强ih、id、iv和ia。
[0052]
进一步的，通过四个光强ih、id、iv和ia值，获得斯托克斯参量s1和s2。
[0053]
进一步的，通过斯托克斯参量s1和s2，重建所获得的目标光场的横向模间相位分布，从而观察相位随着光束的传输发生角度旋转。
[0054]
进一步的，通过对光束拓扑荷参数的调制与传输过程中光束模间相位的测量，可实现模间相位随距离旋转角度的操控。
[0055]
具体地，高斯光源a为532nm的激光源，将其调制成圆艾里涡旋矢量光场可以实现光场模间相位随传输距离旋转角度可控；
[0056]
图2表明了三种具有不同拓扑荷参数{m1,m2}的圆艾里涡旋矢量光场在传输距离分别为z＝0mm，z＝720.0mm以及z＝783.0mm三种不同条件下的横向模间相位图，光束的其他参数为a＝0.4，ω＝0.1,r0＝1,v1＝v2＝0，随着传输距离的增加，拓扑荷参数为{1,-1}的涡旋光场模间相位不发生旋转，即δφ＝0如图(a)；拓扑荷参数为{1,0}的涡旋光场模间相位顺时针旋转π/2，即如图(b)；拓扑荷参数为{1,-2}的涡旋光场模间相位逆时针旋转π/3，即如图(c)；模间相位旋转角度与拓扑荷参数的关系满足：因此，可以通过数字微镜器件dmd7对目标矢量光束的拓扑荷参数进行调控，从而控制光场模间相位随距离的旋转角度。
[0057]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。
技术特征：
1.一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统，其特征在于：包括从左至右依次设置的高斯光源(a)、扩束装置(b)、对角线方向线偏振光生成器(c)、任意结构矢量光束的产生系统(d)以及检测装置(e)，所述扩束装置(b)包括焦距为20mm的第一透镜(1)、焦距为200mm的第二透镜(2)，所述对角线方向线偏振光生成器(c)包括二分之一波片，所述产生系统(d)包括沃拉斯顿棱镜(3)、用于改变光束偏振状态的四分之一波片(4)、焦距为150mm的第三透镜(5)、焦距为150mm的第四透镜(6)、数字调控光场参数的数字微镜器件dmd(7)，所述检测装置(e)包括检偏器(8)及ccd接收装置(9)。2.根据权利要求1所述的一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统，其特征在于：所述产生系统(d)所生成的圆艾里涡旋矢量光束表示为：其中，cosθ、为权重因子，(r,φ)为柱坐标参数，和为左、右旋圆偏振基失，另外，为两个偏振基失之间存在的相位差，与作为两正交空间模式基失，分别为携带轨道角动量的圆艾里涡旋光束，为普朗克常量。3.根据权利要求2所述的一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统，其特征在于：所述圆艾里涡旋光束可表示为：其中ai()表示艾里函数；r是半径，r0是光束主环半径；a是截止因子；ω是束腰半径；m是拓扑荷；v是初始发射角参量。4.根据权利要求3所述的基于拓扑荷调制的矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统，其特征在于：在不移动任何光学元器件的前提下，圆艾里涡旋光场可通过所述数字微镜器件dmd(7)，通过计算机对目标光场进行数字化二进制编码，产生满足需求的任一圆艾里涡旋矢量光束。5.根据权利要求4所述的一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统，其特征在于：通过调节所述检偏器(8)的角度分别为0
°
、45
°
、90
°
以及135
°
，再利用所述ccd接收装置(9)记录对应的光强，即可获得斯托克斯参量s1和s2，具体关系为：s1＝i
h-i
v
,s2＝i
d-i
a
6.根据权利要求5所述的一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统，其特征在于：利用所获得的斯托克斯参量s1和s2，可重构矢量光场模间相位分布，从而实现所获光束模间相位角度随光束的传输发生旋转的观察，具体关系为：φ＝arctan(s2/s1)7.根据权利要求6所述的一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统，其特征在于：通过选取两空间模式与中不同的拓扑荷m1、m2，能够实现所获光束模间相位角度旋转可调控的操作，具体关系为：
8.根据权利要求7所述的一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统，其特征在于：通过所述数字微镜器件dmd(7)可实现对目标光束的拓扑荷参数进行数字调控，从而实现基于拓扑荷调制的矢量光场模间相位旋转角度随传输距离灵活调控。
技术总结
本发明公开了一种矢量光场模间相位旋转角度随距离可调系统，包括高斯光源、扩束装置、对角线方向线偏振光生成器、任意结构矢量光束的产生系统以及检测装置，所述矢量光束产生系统中设有数字微镜器件DMD，可实现不借助任何特殊加工的光学元件，仅通过拓扑荷调制，实现矢量光场模间相位旋转角度随距离的传输灵活调控，这些结果在微小粒子操控以及量子光学等相关领域具有潜在的应用前景，该装置具有调控灵活、价格低廉、刷新速度快、适用范围广以及易集成等特点。集成等特点。集成等特点。
