[发明专利]一种矢量光束的产生及动态调控装置及方法

说明书

本发明提供了一种矢量光束的产生及动态调控装置及方法，该装置包括沿光路依次设计的以下部件：激光光源用于产生线偏振高斯光束；功率调节模块用于光束能量调节并将线偏振高斯光束转变成偏振方向固定的线偏振高斯光束；扩束准直模块用于将偏振方向固定的线偏振高斯光束进行扩束和准直；光束调制模块包括液晶相位延迟器和非均匀偏振转换器，液晶相位延迟器用于将入射线偏振高斯光束调制输出为一般椭圆偏振高斯光束，非均匀偏振转换器用于将一般椭圆偏振高斯光束调制为高阶庞加莱球光束或杂化偏振矢量光束。本发明的技术方案结构简单，可提高光束的稳定性，并能实现高阶庞加莱球光束和杂化偏振矢量光束的动态调控功能。

技术领域

本发明属于信息光学技术领域，尤其涉及一种矢量光束的产生及动态调控装置及方法。

背景技术

众所周知，相位和偏振是光的两个重要属性，其中，相位的空间分布导致了光的轨道角动量，偏振特性则决定了自旋角动量，轨道角动量和自旋角动量的叠加则产生了矢量涡旋光束。如今，由于矢量涡旋光束的独特的相位结构和偏振分布，故在越来越多的技术领域，例如但不限于量子计算、信息加密、粒子操控、高分辨率显微成像、激光微纳加工等，受到了广泛关注，并逐渐开始发挥其独特优势。在光通信领域，研究表明，通过合理改变光的偏振特性可以影响激光在湍流大气中的传输特性，进而提高传输质量；另外，具有轨道角动量的矢量涡旋光束则可以实现高维信息编码，提高信息容量。

庞加莱球是一种偏振态的几何表示方法，其基态为正交的线偏振态。高阶庞加莱球可以描述广义矢量涡旋光束偏振态，其基态位于南北两极，包含自旋角动量和轨道角动量，分别表示正交的具有相反的拓扑荷的涡旋圆偏振态。高阶庞加莱球的赤道上表示的偏振态为传统柱矢量光束，如径向偏振和方位角偏振。偏振态可以由高阶庞加莱球上的点表示的光束被称为高阶庞加莱球光束。杂化偏振矢量光束区别于高阶庞加莱球光束，在杂化偏振矢量光束的波面上同时存在线偏振、椭圆偏振、圆偏振等多种偏振态，其椭圆率和手性均随空间位置改变而变化。

在目前已知的技术中，已发展了几种静态的高阶庞加莱球上任意偏振态的矢量光束的产生方法或装置，例如激光腔内轨道角动量与自旋角动量耦合方法(简称腔内法)、非对称式马赫-增德尔干涉方法、级联四分之一波片和组合波片(q波片)的方法等。然而，这几种方法在矢量光束的产生和调控方面仍然存在一些缺点。例如腔内法生成矢量光束需要在激光腔内置入特定的模式转换器件，且实现偏振态的转换需要特定光学元件的调整或更换；利用组合波片的方法虽然实现矢量光束相对简单方便，但在偏振态的调控过程中也需要相位延迟器、偏振器及组合波片的旋转或更换；干涉方法利用矢量叠加原理，涉及激光的分束及合束，这就大大增加了实验系统的复杂性，降低了合成光束的稳定性，而且限制了偏振态调控的灵活性。另外，利用上述矢量光束生成及调控方法均无法同时产生杂化偏振矢量光束。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种矢量光束的产生及动态调控装置，旨在解决现有的能产生高阶庞加莱球光束和杂化偏振矢量光束的装置结构复杂、光束稳定性低且动态调控不易的问题。

本发明提出一种矢量光束的产生及动态调控装置，包括沿光路依次设计的：

激光光源，用于产生线偏振高斯光束；

功率调节模块，用于对所述线偏振高斯光束进行起偏和激光能量调节，并转变成按预设方向偏振的偏振方向固定的线偏振高斯光束；

扩束准直模块，用于对所述偏振方向固定的线偏振高斯光束进行扩束和准直处理，转变成准直的入射线偏振高斯光束；以及，

光束调制模块，包括液晶相位延迟器和非均匀偏振转换器，所述液晶相位延迟器用于对所述入射线偏振高斯光束的水平分量进行调制，以将所述入射线偏振高斯光束调制为一般椭圆偏振高斯光束，所述非均匀偏振转换器用于对所述一般椭圆偏振高斯光束进行调制，以将所述一般椭圆偏振高斯光束调制为高阶庞加莱球光束或杂化偏振矢量光束。

可选地，所述功率调节模块包括依次沿光路设计的第一波片和偏振分束器；