本發(fā)明涉及光場調(diào)控的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙折射相位片的單光路矢量光場產(chǎn)生方法。

背景技術(shù)：

近年來隨著研究的不斷深入，激光的偏振態(tài)在研究光子的本質(zhì)屬性及光與物質(zhì)的相互作用中起到了越來越重要的作用。對偏振態(tài)非均勻分布的光場的研究越來越多，這里將偏振態(tài)在空間中呈非均勻分布的光場稱為矢量光場。光場的矢量特性對光波的衍射和時空演化有著重要的影響，由此產(chǎn)生了很多不同于標量光場的新穎特性。

2000年，美國Rochester大學Brown小組發(fā)現(xiàn)徑向偏振的矢量光場在緊聚焦的條件下獲得了超衍射極限的聚焦效果，且具有很強的縱向場。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使得矢量光場開始應(yīng)用于光捕獲、激光加工、超分辨顯微、光通信、粒子加速、熒光成像、產(chǎn)生二次諧波以及拉曼光譜等領(lǐng)域。矢量光場所具有的新穎的光學特性大大推動了各個領(lǐng)域的或多或少的發(fā)展。而在這些研究領(lǐng)域中，如何將一束高斯光束調(diào)制為一束偏振態(tài)按需求分布的矢量光場是一項十分重要的基礎(chǔ)研究工作。

矢量光場的產(chǎn)生主要分為腔內(nèi)主動和腔外被動生成兩大類。腔內(nèi)主動生成方法是指在激光諧振腔中完成矢量光場的產(chǎn)生。其中以在腔內(nèi)加入雙折射材料為主，1972年，實驗室內(nèi)首次在激光腔內(nèi)加入雙折射材料方解石生成矢量光場，目前腔內(nèi)主動生成法還有利用軸向二向性光學元件、棱鏡對、光子晶體光柵和金屬光柵結(jié)構(gòu)等。腔內(nèi)主動生成法具有高效穩(wěn)定的優(yōu)點，但當激光諧振腔結(jié)構(gòu)確定后，其產(chǎn)生的光場單一，結(jié)構(gòu)改變也變得復(fù)雜。相對于腔內(nèi)主動生成法，腔外被動生成法以其靈活性高的優(yōu)點備受科研人員的推崇。最初的腔外被動生成法主要采用Mach-Zehnder干涉光路。該方法的提出猶如拋磚引玉，科研人員在Mach-Zehnder干涉光路的基礎(chǔ)上，加入了衍射元件、Dove棱鏡、圓柱形格蘭棱鏡等具有特殊光學效應(yīng)的光學元件，改進了Mach-Zehnder干涉光路，產(chǎn)生了更高質(zhì)量的矢量光場。然而用干涉光路產(chǎn)生矢量光場，光路系統(tǒng)較為復(fù)雜，光路中的意外擾動很容易帶來偏差?？萍嫉陌l(fā)展總會推動各類型的新器件的出現(xiàn)，液晶型空間光調(diào)制器(SLM)隨著電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)以及半導(dǎo)體器件的高速發(fā)展，其效率、調(diào)控度和穩(wěn)定性越發(fā)完善，這使得矢量光場的產(chǎn)生更具靈活性，大大推動了矢量光場的發(fā)展。2007年，Maurer等人利用空間光調(diào)制器實現(xiàn)了任意分布的矢量光場的產(chǎn)生。王慧田課題組提出一種基于4f系統(tǒng)的共路干涉產(chǎn)生矢量光場的方法。該方法最大的優(yōu)點在于可以克服光路中意外擾動所帶來的偏差。但受SLM像素數(shù)少和像元大的限制，其產(chǎn)生的矢量光場的連續(xù)性分辨率偏低，當SLM達到一定精度時，略微提升其成像質(zhì)量就會大大增加制作成本與難度，另外，液晶的損傷閾值較低，不利于實際應(yīng)用。因此偏振態(tài)連續(xù)性好、高能量利用率、結(jié)構(gòu)簡單的矢量光場產(chǎn)生方法成為急待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決技術(shù)問題為：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用單光路獲得矢量光場的方法，其為偏振態(tài)連續(xù)性好、高能量利用率、結(jié)構(gòu)簡單的矢量光場產(chǎn)生方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于雙折射相位片的單光路矢量光場產(chǎn)生方法，該方法所涉及的結(jié)構(gòu)主要由一片雙折射相位片和相位解調(diào)模組組成，偏振光依次通過雙折射相位片和相位解調(diào)之后，獲得所要求的矢量光場。

其中，所產(chǎn)生的矢量光場分布主要由雙折射相位片上的面形分布決定。

其中，雙折射相位片的材料為具有雙折射效應(yīng)的材料。

其中，目標矢量光場偏振態(tài)分布為：

其中θ(x,y)的分布為任意的，它的分布決定著E(x,y)的分布，此時，目標矢量光場偏振分布與相位片深度分布有著如下關(guān)系：

其中，n_e和n_o分別為雙折射材料對o光和e光的折射率，利用該一一對應(yīng)關(guān)系可以獲得針對目標矢量光場分布的雙折射相位片結(jié)構(gòu)。

其中，雙折射相位片是通過深度分布來實現(xiàn)入射光的相位調(diào)制。

其中，相位解調(diào)模組是根據(jù)目標光場分布與雙折射相位片產(chǎn)生光場之間的關(guān)系推導(dǎo)獲得的。

其中，雙折射相位片，相位解調(diào)模組均可以采用光刻的方法制備獲得。

本發(fā)明的有益效果在于：利用該方法產(chǎn)生矢量光場，不需要復(fù)雜的光路，其中只包含三個元件既可以實現(xiàn)該功能，是一種高集成度的實現(xiàn)方法。該方法采用純相位調(diào)制以實現(xiàn)入射光偏振態(tài)的調(diào)制，其連續(xù)的面形保證了衍射次級的不存在，理論上衍射效率可以達到100％。該方法采用的材料具有高激光損傷閾值，可用于產(chǎn)生高功率的矢量光場。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中所采用的方法結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例中所要獲得的矢量光場示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例中根據(jù)目標矢量光場計算獲得的雙折射相位片面形分布示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中光通過雙折射相位片，1/2玻片，1/4玻片之后的仿真光場分布。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施方式詳細介紹本發(fā)明。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員即可以實現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。

具體實施例中一種基于雙折射相位片的單光路矢量光場產(chǎn)生方法如圖1所示，該方法所涉及的結(jié)構(gòu)主要由一片雙折射相位片和相位解調(diào)模組組成，偏振光依次通過雙折射相位片和相位解調(diào)之后，獲得所要求的矢量光場。所產(chǎn)生的矢量光場分布主要由雙折射相位片上的面形分布決定。雙折射相位片的材料為具有雙折射效應(yīng)的材料。目標矢量光場偏振態(tài)分布為：

其中θ(x,y)的分布為任意的，它的分布決定著E(x,y)的分布，此時，目標矢量光場偏振分布與相位片深度分布有著如下關(guān)系：

h(x,y)＝Aλθ(x,y)/π(n_e-n_o)

其中，A為常數(shù)，n_e和n_o分別為雙折射材料對o光和e光的折射率，利用該一一對應(yīng)關(guān)系可以獲得針對目標矢量光場分布的雙折射相位片結(jié)構(gòu)。

雙折射相位片是通過深度分布來實現(xiàn)入射光的相位調(diào)制。相位解調(diào)模組是根據(jù)目標光場分布與雙折射相位片產(chǎn)生光場之間的關(guān)系推導(dǎo)獲得的。雙折射相位片，相位解調(diào)模組均可以采用光刻的方法制備獲得。

圖2為目標矢量光場分布，其偏振態(tài)為線偏振沿徑向分布，工作波長為532nm；

圖3為根據(jù)目標光場分布計算所得的雙折射相位片面形，其中雙折射相位片所采用的材料為釩酸釔，其對o光和e光的折射率分別為：1.9929和2.2154，計算得到其面形呈雙螺旋分布，最深處深度為2.39um；

圖4為光通過雙折射相位片，1/2玻片，1/4玻片之后的仿真光場分布，光場接收面距離出射面0.25m，其中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)中所對應(yīng)的偏振解調(diào)模組與x軸的角度θ分別為：(a)無檢偏器；(b)θ＝0；(c)θ＝90；(d)θ＝45；(e)θ＝135。