[发明专利]几何相位元件及其光轴设计方法和任意矢量光场产生装置

说明书

本发明公开了一种几何相位元件及其光轴设计方法和任意矢量光场产生装置。上述光轴设计方法包括：获得目标空间光强分布与目标空间二值相位分布；根据微元阵列对应的第一琼斯矩阵、所述微元阵列中对应微元的快慢轴之间的相对相位差值以及待调控偏振态对应的第二琼斯矩阵，获得调控后出射光场的第三琼斯矩阵；对第三琼斯矩阵进行偏振滤波获得调控后出射光场的电矢量；根据目标空间光强分布与调控后出射光场的电矢量及微元坐标，获得每个微元对应的光轴第一和第二指向，其中第一与第二指向相差π/2；以及针对微元阵列中对应第一相位的微元，将对应的第一指向作为其光轴指向；针对微元阵列中对应第二相位的微元，将对应的第二指向作为其光轴指向。

技术领域

本发明涉及光学与光电子技术领域，尤其是一种几何相位元件及其光轴设计方法和任意矢量光场产生装置。

背景技术

矢量光场是指其振幅、相位及偏振具有特定空间结构分布的傍轴光场，具有可调控的空间强度、相位及偏振分布使得矢量光场具有多种新奇光学特性，在超精密测量、光镊微操、生物超分辨显微、量子信息编码等现代光子学研究及应用中具有重大意义。由于任意矢量光场的波函数都可描述为一对正交空间模式(如厄米高斯、拉盖尔高斯、因斯高斯模式等)与正交偏振态构成的不可分离态(即光学自旋-轨道耦合态)，因此，制备矢量光场需要对调控光场在某一对正交偏振态下分别实施独立的空间复振幅(即振幅及相位)调制。

然而，目前，任意矢量光场的产生技术在现阶段仍有着较大的局限性。一种是构建含有空间光调制器(SLM)的偏振干涉仪：干涉仪中的SLM，如硅基液晶(LCoS)或数字微镜(DMD)，对两路正交偏振光做空间复振幅调制，最终在偏振干涉仪的输出端得到任意目标矢量光场。例如2007年《New Journal of Physics》第9卷发表的《Tailoring of arbitraryoptical vector beams》论证的技术原理。另一种是利用基于几何相位原理的二元光学元件：基于空间变取向液晶(LC)或介电超表面(Meta-surface)技术制备的空间变取向波片，该元件可对调控光场赋予光学偏振手性依赖的空间几何相位(即光学自旋-轨道耦合)，此过程等价于对调控光场的左、右旋偏振分量分别施加正交手性波前延迟。即2006年《Physical Review Letters》第96卷第16期发表的《Optical Spin-to-Orbital AngularMomentum Conversion in Inhomogeneous Anisotropic Media》中所论述原理。上述两种技术路线中都存在显著缺点：方案一需要LCoS或DMD主动式空间光调制设备，成本高且无法实现紧凑、易集成的光学结构；方案二虽然可实现紧凑的透射或反射式二元光学元件，然而其只具备空间相位调制能力，无法实现精确的空间复振幅调控，限制了应用范围。因此，设计出一种具备空间复振幅调制能力的新型二元光学几何相位元件是实现高效、高精确产生任意矢量光场的关键。

发明内容

为此，本发明提供了一种几何相位元件及其光轴设计方法和任意矢量光场产生装置，以力图解决或者至少缓解上面存在的至少一个问题。