專利名稱：基于梯形塞納克干涉儀產(chǎn)生任意矢量光場(chǎng)的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用梯形塞納克干涉儀和計(jì)算全息圖產(chǎn)生任意矢量光場(chǎng)的方法及裝置，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
矢量光場(chǎng)是一種偏振態(tài)隨著橫向空間位置不同而變化的光場(chǎng)，其中一種特例就是偏振態(tài)呈空間柱對(duì)稱分布，故稱為柱矢量光場(chǎng)。由于偏振態(tài)的空間非均勻性以及奇異性，矢量光場(chǎng)經(jīng)高數(shù)值孔徑透鏡緊聚焦時(shí)，將產(chǎn)生具有獨(dú)特角動(dòng)量和偏振態(tài)的焦場(chǎng)。特別是通過(guò)衍射光學(xué)元件調(diào)制后，可以產(chǎn)生出光針、光籠、光鏈等奇異形狀的焦場(chǎng)。矢量光場(chǎng)的這些聚焦特性，在基礎(chǔ)科學(xué)研究和實(shí)際工程應(yīng)用中，例如超分辨成像、超精細(xì)加工、等離子體聚焦、光學(xué)微操控等，將有可能扮演重要的角色。目前，人們提出了多種產(chǎn)生矢量光場(chǎng)的方法。這些方法主要可分為兩類直接法和間接法。所謂直接法，是通過(guò)設(shè)計(jì)光學(xué)元件，比如液晶、亞波長(zhǎng)光柵、相位光學(xué)元件、扇形半波片、螺旋相位延遲器等，將傳統(tǒng)激光器輸出光束的偏振態(tài)直接轉(zhuǎn)換為柱對(duì)稱偏振態(tài)；所謂間接法，則主要是由兩束或多束偏振態(tài)和相位經(jīng)過(guò)調(diào)制的光場(chǎng)，通過(guò)同軸疊加形成矢量光場(chǎng)，故通常又稱為干涉法。干涉法盡管穩(wěn)定性稍差，但其靈活性很高，調(diào)節(jié)方便，故更加適合產(chǎn)生具有復(fù)雜偏振態(tài)分布的光場(chǎng)。利用干涉法產(chǎn)生矢量光場(chǎng)時(shí)，一般可通過(guò)兩束振動(dòng)方向相互正交的線偏振光、或旋向相反的圓偏振光疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于兩束圓偏振光，它們的瓊斯矢量分別為[l，_i]T。如果分別給它們附加相移\和S2，則兩束光的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量E1和E2可分別表示為
「I]「I_E1= A exp(i J1) JE, =A exp(iS2)
U」" _ L_i其中，A是兩束光的振幅。則兩束光的疊加光場(chǎng)表不為
_ S1-S-
(s I s \ COS -E = E,+E. ^2Aexp i」^ c
" I 2 J - S1-S2 v7 sm —--
L 2 _上式可表不偏振態(tài)任意分布的光場(chǎng)。上述具有附加相移的光場(chǎng)，可通過(guò)特殊設(shè)計(jì)一幅計(jì)算全息圖，并通過(guò)對(duì)其進(jìn)行全息再現(xiàn)而獲得。為了實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光場(chǎng)相移，計(jì)算全息圖可加載在一個(gè)空間光調(diào)制器上。產(chǎn)生矢量光場(chǎng)的干涉法中，線偏振光疊加法對(duì)初始光束模式質(zhì)量的要求較高，且時(shí)間穩(wěn)定性較差，光束的同軸性也較難滿足；圓偏振光疊加時(shí)，盡管穩(wěn)定性得到改善，但同軸性調(diào)節(jié)所需條件仍然較為苛刻。例如，公開(kāi)號(hào)為CN101178484的專利中，通過(guò)朗琴(Ronchi)光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)兩束圓偏振光的同軸疊加。然而，這要求該光柵周期與計(jì)算全息圖匹配，從而限制了該方法的靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問(wèn)題針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一基于梯形塞納克干涉儀產(chǎn)生矢量光場(chǎng)的方法及裝置。
技術(shù)方案一種基于梯形塞納克干涉儀產(chǎn)生任意矢量光場(chǎng)的方法，其特征在于步驟如下步驟I :將激光器發(fā)出的線偏振光束的偏振方向旋轉(zhuǎn),使其偏振方向與水平方向夾角為45° ;步驟2 :將步驟I得到的光束分為強(qiáng)度相同、偏振方向分別沿水平和豎直方向的的兩束線偏振光束s分量和p分量；步驟3 :使兩束線偏振光束分別由計(jì)算全息圖的前后兩側(cè)相向通過(guò)，且兩束線偏振光束所通過(guò)的路徑長(zhǎng)度完全相等；步驟4 :將通過(guò)計(jì)算全息圖的s分量和p分量同軸疊加，并使兩束線偏振光束s分量和P分量分別轉(zhuǎn)化為左旋和右旋的圓偏振光束；步驟5 :對(duì)左旋和右旋的圓偏振光束進(jìn)行光學(xué)傅里葉變換，得到左旋和右旋的圓偏振光束的頻譜；步驟6 :對(duì)頻譜進(jìn)行濾波，使得+1級(jí)衍射光分量通過(guò)；步驟7 :在全息圖的共軛像平面上得到矢量光場(chǎng)。一種實(shí)現(xiàn)所述基于梯形塞納克干涉儀產(chǎn)生任意矢量光場(chǎng)的方法的裝置，其特征在于包括光源I、梯形塞納克干涉儀2、傅里葉變換透鏡3、小孔濾波器4和圖像采集系統(tǒng)5 ;光源I的輸出光的光軸上設(shè)有梯形塞納克干涉儀2，梯形塞納克干涉儀2輸出端的光軸上按順序設(shè)有傅里葉變換透鏡3和小孔濾波器4，經(jīng)過(guò)小孔濾波器4后得到+1級(jí)衍射光分量，調(diào)整圖像采集系統(tǒng)5使其位于全息圖的共軛像平面上，采集所形成的矢量光場(chǎng)；所述梯形塞納克干涉儀包括半波片6、偏振分光棱鏡7、第一反射鏡8、第二反射鏡9、第三反射鏡10、計(jì)算全息圖11和四分之一波片12 ;偏振分光棱鏡7、第一反射鏡8、第二反射鏡9和第三反射鏡10置于直角梯形的四個(gè)頂點(diǎn)處，沿著入射光的光軸順序排列為半波片6、偏振分光棱鏡7和第三反射鏡10 ;半波片6旋轉(zhuǎn)激光器出射的線偏振光束的偏振方向，使其偏振方向與水平方向夾角為45° ,然后偏振分光棱鏡7將光束分為強(qiáng)度相同、偏振方向相互正交的兩束線偏振光束s分量和p分量；在偏振光束s分量的光軸上設(shè)有第一反射鏡8,光束s分量由反射鏡8反射后，經(jīng)過(guò)計(jì)算全息圖11到達(dá)第二反射鏡9，然后經(jīng)過(guò)第三反射鏡10到達(dá)偏振分光棱鏡7 ；p分量依次經(jīng)過(guò)第三反射鏡10、第二反射鏡9、計(jì)算全息圖11和第一反射鏡8后到達(dá)偏振分光棱鏡7 ;偏振光束s分量和p分量分別經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡7的反射和透射,從同一方向上同軸出射；在出射方向上設(shè)有四分之一波片12,四分之一波片12將兩個(gè)線偏振分量分別轉(zhuǎn)化為左旋和右旋的圓偏振光束作為梯形塞納克干涉儀的輸出光束。所述+1級(jí)衍射光分量為梯形塞納克干涉儀2中計(jì)算全息圖的+1級(jí)衍射光分量。所述計(jì)算全息圖11具有光柵狀結(jié)構(gòu)，刻制在透明介質(zhì)平板上或直接顯示在一個(gè)空間光調(diào)制器上。所述圖像采集系統(tǒng)5為電荷耦合器件。
所述光源I為單模激光器，包括氬離子激光器、氦氖激光器或半導(dǎo)體激光器。有益效果本發(fā)明提出一基于梯形塞納克干涉儀產(chǎn)生矢量光場(chǎng)的方法及裝置，所用器件簡(jiǎn)單，不僅可以改善光束的穩(wěn)定性，也簡(jiǎn)化了光束疊加時(shí)的同軸性調(diào)節(jié)過(guò)程，同時(shí)，也可以方便地實(shí)現(xiàn)具有任意偏振態(tài)分布的矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，I-光源，2-梯形塞納克干涉儀，3-傅里葉變換透鏡，4-小孔濾波器,5-圖像米集系統(tǒng),6-半波片,7-偏振分光棱鏡,8-第一反射鏡,9-第二反射鏡，10-第三反射鏡，11-計(jì)算全息圖，12-四分之一波片。圖2為塞納克干涉光路中計(jì)算全息圖位置的示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例I所用計(jì)算全息圖及其空間頻譜示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例2所用計(jì)算全息圖及其空間頻譜疊加示意圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述本發(fā)明實(shí)施例提出產(chǎn)生矢量光場(chǎng)的方法如圖I所示，豎直偏振的線偏振光束由光源I發(fā)出，經(jīng)半波片6后轉(zhuǎn)化為偏振方向與水平方向夾角45°的線偏振光束,再由偏振分光棱鏡7分為兩束強(qiáng)度相同、偏振方向相互正交的線偏振光束s分量和p分量。為了使兩束線偏振光在通過(guò)計(jì)算全息圖后所經(jīng)過(guò)的路徑相同，將計(jì)算全息圖置于如圖2所示的e處,使ab+bc+ce=ad+de。兩個(gè)線偏振的s分量和p分量通過(guò)計(jì)算全息圖11后，再分別由偏振分光棱鏡7反射和透射，從同一方向上同軸出射。通過(guò)調(diào)節(jié)任一反射鏡的角度即可對(duì)兩束線偏振光的同軸性進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)偏振分光棱鏡7的出射光束由四分之一波片12分別轉(zhuǎn)化為左旋和右旋的圓偏振光束。兩束光在透鏡3的傅里葉變換平面上經(jīng)小孔濾波器4濾波，僅讓全息圖對(duì)它們的+1級(jí)衍射光分量通過(guò)。另外，傅里葉變換透鏡3也對(duì)計(jì)算全息圖11成像，在全息圖的共軛像平面上由圖像采集系統(tǒng)5采集，獲得矢量光場(chǎng)。實(shí)施例I本實(shí)施例使用如圖3左圖所示的一維計(jì)算全息圖，其光柵周期沿豎直方向。假設(shè)計(jì)算全息圖的透射函數(shù)可表示為t(x, J)=丄 I + COS] + S )
V 2[ I D JJ其中，D為光柵周期，5為附加相移。此時(shí)，計(jì)算全息圖對(duì)s分量和p分量的透射函數(shù)分別為
「 II(2ny ^jl I「 (Iizy )t —— I + COS--h S tt =— I + COS —-—S
2|_ I D JJ " 2L I D其中，5=5 (-X, y)。通過(guò)對(duì)計(jì)算全息圖11的位置進(jìn)行左右微調(diào)，可調(diào)節(jié)s分量和P分量的相位差兩束光的空間頻譜如圖3右圖所示，它們的+1級(jí)和-I級(jí)空間位置剛好重合。如果使用小孔濾波器進(jìn)行濾波，僅讓+1級(jí)衍射光通過(guò)，則兩束圓偏振光附加的相移分別為<%=<5L+%那么，疊加光場(chǎng)為
r /c , C 丄 /01 |"cos[(j-J -^0 )/2]
sin — o — (pQ)/ 2 J上式可以表不任意線偏振矢量光束，且光束局域的偏振方向取決于S。但是，所產(chǎn)生的光場(chǎng)會(huì)附加相位分布(&&+御)/2。為消除該相位分布的影響，可設(shè)計(jì)全息圖，使HUci，其中S^為常數(shù)。例如，采用傳統(tǒng)的渦旋相位，即(爐.為柱坐標(biāo)系的極化角，m為拓?fù)浜芍?，則^>-/ 料WTT+而，此時(shí)形成矢量光束的偏振態(tài)為
( win + c n cos m(p---
V 2 J
.( mn +sm m(p---
_ V2 )_實(shí)施例2本實(shí)施例使用如圖4左上圖所示的二維計(jì)算全息圖。假設(shè)計(jì)算全息圖的透射函數(shù)可表示為 ，+丄{2 + COS^fc±^] + COS^^2 11
、"41 L D 1J L D 2-JJ其中，5 2 = 62(-x, y)。它可以看作如圖4所示兩個(gè)相互正交的傾斜一維計(jì)算全息圖(透射函數(shù)分別為{l+cos[2 31 (x+y)/D+S J}/4 和{l+cos[2 n (x+y)/D+S 2_]}/4)的疊力口，其中，\和S 2_分別表示全息圖I和全息圖2的附加相移。同時(shí)，二維全息圖的空間頻譜也可看作這兩個(gè)一維全息圖空間頻譜的疊加。對(duì)于傾斜的一維全息圖，梯形塞納克干涉儀產(chǎn)生的兩束光(s分量和P分量)的空間頻譜也相互錯(cuò)開(kāi)，如圖4下排所示，其中兩個(gè)分量的±1級(jí)頻譜分別用±13和±lp表示。很明顯，全息圖I的+Ip級(jí)頻譜(附加相移為S1)與全息圖2的+Is級(jí)頻譜(附加相移為S2)剛好重合。通過(guò)小孔濾波器濾波(如圖4左下圖中的虛線圓圈所示)，并調(diào)節(jié)兩束光的相位差例=0，可獲得疊加光場(chǎng)為
_ K
/ o , o \ COS2A exp i —-- ^ e
I 2 J-O1 -8,
、J sm —--
_ 2 _上式可以表不附加了任意相位分布的任意線偏振矢量光束，光束的相位取決于S汴S 2，光束的偏振方向取決于S1-S215例如,要產(chǎn)生攜帶一階潤(rùn)旋相位爐的角向矢量光
場(chǎng)，則
S1+S、 3.- S、
2 = <p, 2 " =V + n那么，可得戎=2^71/2，S2=TIil依照二維全息圖的透射函數(shù)，即可通過(guò)數(shù)值計(jì)算構(gòu)造所需全息圖。
權(quán)利要求
1.一種基于梯形塞納克干涉儀產(chǎn)生任意矢量光場(chǎng)的方法，其特征在于步驟如下 步驟I:將激光器發(fā)出的線偏振光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)，使其偏振方向與水平方向夾角為 45° ; 步驟2:將步驟I得到的光束分為強(qiáng)度相同、偏振方向分別沿水平和豎直方向的的兩束線偏振光束s分量和p分量； 步驟3:使兩束線偏振光束分別由計(jì)算全息圖的前后兩側(cè)相向通過(guò)，且兩束線偏振光束所通過(guò)的路徑長(zhǎng)度完全相等； 步驟4 :將通過(guò)計(jì)算全息圖的s分量和p分量同軸疊加，并使兩束線偏振光束s分量和P分量分別轉(zhuǎn)化為左旋和右旋的圓偏振光束； 步驟5 :對(duì)左旋和右旋的圓偏振光束進(jìn)行光學(xué)傅里葉變換，得到左旋和右旋的圓偏振光束的頻譜； 步驟6 :對(duì)頻譜進(jìn)行濾波，使得+1級(jí)衍射光分量通過(guò)； 步驟7 :在全息圖的共軛像平面上得到矢量光場(chǎng)。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求I所述基于梯形塞納克干涉儀產(chǎn)生任意矢量光場(chǎng)的方法的裝置，其特征在于包括光源(I)、梯形塞納克干涉儀(2)、傅里葉變換透鏡(3)、小孔濾波器(4)和圖像采集系統(tǒng)(5);光源(I)的輸出光的光軸上設(shè)有梯形塞納克干涉儀(2)，梯形塞納克干涉儀(2)輸出端的光軸上按順序設(shè)有傅里葉變換透鏡(3)和小孔濾波器(4)，經(jīng)過(guò)小孔濾波器(4)后得到+1級(jí)衍射光分量，調(diào)整圖像采集系統(tǒng)(5)使其位于全息圖的共軛像平面上，采集所形成的矢量光場(chǎng)；所述梯形塞納克干涉儀包括半波片(6)、偏振分光棱鏡(7)、第一反射鏡(8)、第二反射鏡(9)、第三反射鏡(10)、計(jì)算全息圖(11)和四分之一波片(12);偏振分光棱鏡(7)、第一反射鏡(8、第二反射鏡(9)和第三反射鏡(10)置于直角梯形的四個(gè)頂點(diǎn)處，沿著入射光的光軸順序排列為半波片(6)、偏振分光棱鏡(7)和第三反射鏡(10);半波片(6)旋轉(zhuǎn)激光器出射的線偏振光束的偏振方向，使其偏振方向與水平方向夾角為45° ,然后偏振分光棱鏡(7)將光束分為強(qiáng)度相同、偏振方向相互正交的兩束線偏振光束s分量和P分量；在偏振光束s分量的光軸上設(shè)有第一反射鏡(8),光束s分量由反射鏡(8)反射后，經(jīng)過(guò)計(jì)算全息圖(11)到達(dá)第二反射鏡(9)，然后經(jīng)過(guò)第三反射鏡(10)到達(dá)偏振分光棱鏡(7) ;p分量依次經(jīng)過(guò)第三反射鏡(10)、第二反射鏡(9)、計(jì)算全息圖(11)和第一反射鏡(8)后到達(dá)偏振分光棱鏡(7 ;偏振光束s分量和p分量分別經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡(7)的反射和透射，從同一方向上同軸出射；在出射方向上設(shè)有四分之一波片(12),四分之一波片(12)將兩個(gè)線偏振分量分別轉(zhuǎn)化為左旋和右旋的圓偏振光束作為梯形塞納克干涉儀的輸出光束。所述+1級(jí)衍射光分量為梯形塞納克干涉儀(2)中計(jì)算全息圖的+1級(jí)衍射光分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于調(diào)整計(jì)算全息圖(11)的位置，使得兩束光在通過(guò)計(jì)算全息圖后所經(jīng)過(guò)的路徑相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的裝置，其特征在于所述計(jì)算全息圖(11)具有光柵狀結(jié)構(gòu)，刻制在透明介質(zhì)平板上或直接顯示在一個(gè)空間光調(diào)制器上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述圖像采集系統(tǒng)(5)為電荷耦合器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述光源(I)為單模激光器，包括氬離子激光器、氦氖激光器或半導(dǎo)體激光器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用梯形塞納克干涉儀和計(jì)算全息圖產(chǎn)生任意矢量光場(chǎng)的方法及裝置，其特征在于光源的輸出光的光軸上設(shè)有梯形塞納克干涉儀，梯形塞納克干涉儀輸出端的光軸上按順序設(shè)有傅里葉變換透鏡和小孔濾波器，經(jīng)過(guò)小孔濾波器后得到+1級(jí)衍射光分量，調(diào)整圖像采集系統(tǒng)使其位于全息圖的共軛像平面上，采集所形成的矢量光場(chǎng)。本發(fā)明提出的方法及裝置，所用器件簡(jiǎn)單，不僅可以改善光束的穩(wěn)定性，也簡(jiǎn)化了光束疊加時(shí)的同軸性調(diào)節(jié)過(guò)程，同時(shí)，也可以方便地實(shí)現(xiàn)具有任意偏振態(tài)分布的矢量光場(chǎng)的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)G02B27/28GK102749718SQ201210245259
公開(kāi)日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月16日
發(fā)明者劉圣, 彭濤, 李鵬, 趙建林 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)