一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統
1.本發明涉及光學領域，具體涉及到一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統。
背景技術：
2.眾所周知，激光具有很多物理屬性，因此承擔了信息傳遞的重要角，目前已廣泛應用在醫療、工業以及光通信等領域，比如振幅，影響人們觀察物體的強度；頻率，影響顏的觀察；相位分布，影響光與物質相互作用的形式等。當今在光子學領域，有關光學渦旋以及光子軌道角動量的報道浩如煙海。尤其自1992年allen等人揭示了拉蓋爾高斯光束可攜帶軌道角動量的概念以后，各種攜帶軌道角動量的新型空間光場逐步進入人們視線。特別的，將光子的渦旋結構與偏振態兩個自由度以一種不可分離的方式耦合而成的二維矢量光場，具有更多維度新穎獨特的矢量操控特性，引起了人們對光場矢量調控的廣泛興趣。
3.目前，關于矢量光場的研究主要聚焦在光場的橫向與縱向矢量特性調控：其中光場橫向調控包括光場強度、偏振態、相位等信息橫向分布調控；矢量光場的縱向調控大多局限在特定條件下矢量光場偏振特性所展現的新穎性質研究，比如，在緊聚焦條件下，徑向偏振分布的矢量光場所具備的超強緊聚焦力，在材料微加工等領域應用潛力巨大。矢量光場多樣化的相位分布，能夠為光與物質提供多樣化作用方式，尤其在自由傳輸條件下，靈活調控光場的相位傳輸特性，對微小粒子操控領域意義重大。然而到目前為止，靈活操控光場自由傳輸過程中的相位信息還是亟待解決的問題。
技術實現要素：
4.為了克服上述現有技術中的缺陷，本發明提供了一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統，能夠利用圓艾里渦旋矢量光場的拓撲荷調控實現光場相位旋轉角度可調控。
5.技術方案
6.一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統，包括從左至右依次設置的高斯光源、擴束裝置、對角線方向線偏振光生成器、任意結構矢量光束的產生系統以及檢測裝置，所述產生系統中設有數字調控光場參數的數字微鏡器件dmd。
7.進一步的，所述擴束裝置包括焦距為20mm的第一透鏡、焦距為200mm的第二透鏡，所述擴束裝置可實現光束準直且尺寸十倍擴大。
8.進一步的，所述對角線方向線偏振光生成器包括用于調整輸出光束的偏振態為對角線45度的二分之一波片。
9.進一步的，所述產生系統包括沃拉斯頓棱鏡。
10.進一步的，所述產生系統還包括四分之一波片，所述產生系統還包括焦距為150mm的第三透鏡、焦距為150mm的第四透鏡。
11.進一步的，所述產生系統還包括所述數字微鏡器件dmd，所述數字微鏡器件dmd所
加載的全息圖包含數字光柵，通過調節光柵系數，可實現左、右旋圓偏振兩束光沿同一傳輸路徑傳輸。
12.進一步的，所述產生系統所產生的圓艾里渦旋矢量光束表示為：
[0013][0014]
其中，cosθ、為權重因子，(r,φ)為柱坐標參數，和為左、右旋圓偏振基失，另外，為兩個偏振基失之間存在的相位差，與作為兩正交空間模式基失，分別為攜帶軌道角動量的圓艾里渦旋光束，為普朗克常量。
[0015]
進一步的，所述圓艾里渦旋光束可表示為：
[0016][0017]
其中ai()表示艾里函數；r是半徑，r0是光束主環半徑；a是截止因子；ω是束腰半徑；m是拓撲荷；v是初始發射角參量。
[0018]
進一步的，通過所述數字微鏡器件dmd調控所述圓艾里渦旋矢量光束的拓撲荷參量，從而操控光束模間相位隨光束傳輸的旋轉角度。
[0019]
進一步的，所述檢測裝置包括旋轉角度可調的檢偏器。
[0020]
進一步的，所述檢測裝置還包括ccd接收裝置。
[0021]
進一步的，將產生的光束通過角度分別調節為0
°
、45
°
、90
°
以及135
°
的所述檢偏器8，再利用所述ccd接收裝置9記錄不同條件下四個光束的光強ih、id、iv和ia。
[0022]
進一步的，通過所獲的四個光強ih、id、iv和ia，可獲得斯托克斯參數s1,s2，具體關系為：
[0023]
s1＝i
h-iv,s2＝i
d-ia[0024]
進一步的，通過斯托克斯參數s1和s2可獲得所產生矢量光束的模間相位分布，具體關系為：
[0025]
φ＝arctan(s2/s1)
[0026]
進一步的，通過對光束模間相位的觀察，隨著光束的傳輸距離增加，模間相位發生旋轉，且旋轉角度與所述光束的拓撲荷參量有關，具體關系為：
[0027][0028]
進一步的，圓艾里渦旋矢量光束在不改變光路的前提下，僅通過改變所述數字微鏡器件dmd上加載的圓艾里渦旋矢量光束中的拓撲荷參數，可實現基于拓撲荷調制的矢量光場模間相位角度隨距離調控。
[0029]
有益效果
[0030]
本發明與現有技術相比，具有以下有益效果：
[0031]
不需要加工具有特殊結構的材料，具有適用范圍廣、靈活性高、數字化操控簡單等特點；除此之外，本發明結構簡單、價格成本低，能夠在不借助任何光學元器件的前提下，計
算機操控dmd改變目標矢量光束參數即可靈活操控光場模間相位旋轉角度。
附圖說明
[0032]
圖1為本發明一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統的結構示意圖；
[0033]
圖2為拓撲荷{m1,m2}分別為{1,-1}、{1,0}以及{1,-2}時的圓艾里渦旋矢量光束，其模間相位隨光束傳輸角度旋轉示意圖，分別對應圖(a)(b)(c)。
[0034]
附圖標記
[0035]
高斯光源a、擴束裝置b、對角線方向線偏振光生成器c、產生系統d、檢測裝置e、第一透鏡1、第二透鏡2、沃拉斯頓棱鏡3、四分之一波片4、第三透鏡5、第四透鏡6、數字微鏡器件dmd7、檢偏器8、ccd接收裝置9。
具體實施方式
[0036]
為更好地說明闡述本發明內容，下面結合附圖和實施實例進行展開說明：
[0037]
有圖1-圖2所示，一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統，包括從左至右依次設置的高斯光源a、擴束裝置b、對角線(45
°
)方向線偏振光生成器c、任意結構矢量光束的產生系統d以及檢測裝置e，所述產生系統d中設有數字調控光場參數的數字微鏡器件dmd7。
[0038]
進一步的，所述擴束裝置b包括焦距為20mm的第一透鏡1、焦距為200mm的第二透鏡2，所述擴束裝置b可實現光束準直且尺寸十倍擴大。
[0039]
進一步的，所述對角線方向線偏振光生成器c包括用于調整輸出光束的偏振態為對角線45度的二分之一波片(未示出)。
[0040]
進一步的，所述產生系統d包括沃拉斯頓棱鏡3，用于將+45
°
線偏振光沿水平、豎直兩個偏振方向等光強投影成兩個光束，且兩個具有正交偏振態的光束的傳輸夾角為1.5
°
。
[0041]
進一步的，所述產生系統d還包括四分之一波片4，用于改變水平、豎直線偏振態分別為左旋、右旋圓偏振，所述產生系統d還包括焦距為150mm的第三透鏡5、焦距為150mm的第四透鏡6。
[0042]
進一步的，所述產生系統d還包括所述數字微鏡器件dmd7，所述數字微鏡器件dmd7所加載的全息圖包含數字光柵，通過調節光柵系數，可實現左、右旋圓偏振兩束光沿同一傳輸路徑傳輸。
[0043]
進一步的，所述產生系統d所生成的圓艾里渦旋矢量光束表示為：
[0044][0045]
其中，cosθ、為權重因子，(r,φ)為柱坐標參數，和為左、右旋圓偏振基失，另外，為兩個偏振基失之間存在的相位差，與作為兩正交空間模式基失，分別為攜帶軌道角動量的圓艾里渦旋光束，為普朗克常量。
[0046]
進一步的，所述圓艾里渦旋光束可表示為：
[0047][0048]
其中ai()表示艾里函數；r是半徑，r0是光束主環半徑；a是截止因子；ω是束腰半徑；m是拓撲荷；v是初始發射角參量。
[0049]
進一步的，在不移動任何光學元器件的前提下，圓艾里渦旋光場可通過所述數字微鏡器件dmd7，通過計算機對目標光場拓撲荷參量進行調控，從而實現模間相位角度隨光束傳輸距離調控。
[0050]
進一步的，所述檢測裝置e包括角度可調節的檢偏器8及ccd接收裝置9，通過記錄不同條件下的光強，重構光束的模間相位分布，從而實現光束模間相位角度隨光束傳輸發生旋轉的觀察。
[0051]
進一步的，將產生的光束通過角度分別調節為0
°
、45
°
、90
°
以及135
°
的所述檢偏器8，再利用所述ccd接收裝置9記錄不同條件下四個光束的光強ih、id、iv和ia。
[0052]
進一步的，通過四個光強ih、id、iv和ia值，獲得斯托克斯參量s1和s2。
[0053]
進一步的，通過斯托克斯參量s1和s2，重建所獲得的目標光場的橫向模間相位分布，從而觀察相位隨著光束的傳輸發生角度旋轉。
[0054]
進一步的，通過對光束拓撲荷參數的調制與傳輸過程中光束模間相位的測量，可實現模間相位隨距離旋轉角度的操控。
[0055]
具體地，高斯光源a為532nm的激光源，將其調制成圓艾里渦旋矢量光場可以實現光場模間相位隨傳輸距離旋轉角度可控；
[0056]
圖2表明了三種具有不同拓撲荷參數{m1,m2}的圓艾里渦旋矢量光場在傳輸距離分別為z＝0mm，z＝720.0mm以及z＝783.0mm三種不同條件下的橫向模間相位圖，光束的其他參數為a＝0.4，ω＝0.1,r0＝1,v1＝v2＝0，隨著傳輸距離的增加，拓撲荷參數為{1,-1}的渦旋光場模間相位不發生旋轉，即δφ＝0如圖(a)；拓撲荷參數為{1,0}的渦旋光場模間相位順時針旋轉π/2，即如圖(b)；拓撲荷參數為{1,-2}的渦旋光場模間相位逆時針旋轉π/3，即如圖(c)；模間相位旋轉角度與拓撲荷參數的關系滿足：因此，可以通過數字微鏡器件dmd7對目標矢量光束的拓撲荷參數進行調控，從而控制光場模間相位隨距離的旋轉角度。
[0057]
最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明技術方案進行了詳細的說明，本領域的技術人員應當理解，其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行同等替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神與范圍。
技術特征：
1.一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統，其特征在于：包括從左至右依次設置的高斯光源(a)、擴束裝置(b)、對角線方向線偏振光生成器(c)、任意結構矢量光束的產生系統(d)以及檢測裝置(e)，所述擴束裝置(b)包括焦距為20mm的第一透鏡(1)、焦距為200mm的第二透鏡(2)，所述對角線方向線偏振光生成器(c)包括二分之一波片，所述產生系統(d)包括沃拉斯頓棱鏡(3)、用于改變光束偏振狀態的四分之一波片(4)、焦距為150mm的第三透鏡(5)、焦距為150mm的第四透鏡(6)、數字調控光場參數的數字微鏡器件dmd(7)，所述檢測裝置(e)包括檢偏器(8)及ccd接收裝置(9)。2.根據權利要求1所述的一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統，其特征在于：所述產生系統(d)所生成的圓艾里渦旋矢量光束表示為：其中，cosθ、為權重因子，(r,φ)為柱坐標參數，和為左、右旋圓偏振基失，另外，為兩個偏振基失之間存在的相位差，與作為兩正交空間模式基失，分別為攜帶軌道角動量的圓艾里渦旋光束，為普朗克常量。3.根據權利要求2所述的一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統，其特征在于：所述圓艾里渦旋光束可表示為：其中ai()表示艾里函數；r是半徑，r0是光束主環半徑；a是截止因子；ω是束腰半徑；m是拓撲荷；v是初始發射角參量。4.根據權利要求3所述的基于拓撲荷調制的矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統，其特征在于：在不移動任何光學元器件的前提下，圓艾里渦旋光場可通過所述數字微鏡器件dmd(7)，通過計算機對目標光場進行數字化二進制編碼，產生滿足需求的任一圓艾里渦旋矢量光束。5.根據權利要求4所述的一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統，其特征在于：通過調節所述檢偏器(8)的角度分別為0
°
、45
°
、90
°
以及135
°
，再利用所述ccd接收裝置(9)記錄對應的光強，即可獲得斯托克斯參量s1和s2，具體關系為：s1＝i
h-i
v
,s2＝i
d-i
a
6.根據權利要求5所述的一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統，其特征在于：利用所獲得的斯托克斯參量s1和s2，可重構矢量光場模間相位分布，從而實現所獲光束模間相位角度隨光束的傳輸發生旋轉的觀察，具體關系為：φ＝arctan(s2/s1)7.根據權利要求6所述的一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統，其特征在于：通過選取兩空間模式與中不同的拓撲荷m1、m2，能夠實現所獲光束模間相位角度旋轉可調控的操作，具體關系為：
8.根據權利要求7所述的一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統，其特征在于：通過所述數字微鏡器件dmd(7)可實現對目標光束的拓撲荷參數進行數字調控，從而實現基于拓撲荷調制的矢量光場模間相位旋轉角度隨傳輸距離靈活調控。
技術總結
本發明公開了一種矢量光場模間相位旋轉角度隨距離可調系統，包括高斯光源、擴束裝置、對角線方向線偏振光生成器、任意結構矢量光束的產生系統以及檢測裝置，所述矢量光束產生系統中設有數字微鏡器件DMD，可實現不借助任何特殊加工的光學元件，僅通過拓撲荷調制，實現矢量光場模間相位旋轉角度隨距離的傳輸靈活調控，這些結果在微小粒子操控以及量子光學等相關領域具有潛在的應用前景，該裝置具有調控靈活、價格低廉、刷新速度快、適用范圍廣以及易集成等特點。集成等特點。集成等特點。
