技术特征：
1.一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法，其特征在于：包括以下步骤：s1：将完全相干矢量光束加载涡旋相位后调控为高阶庞加莱球的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；s2：将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光合成为高阶庞加莱球上的矢量偏振光，并通过调节产生一高阶庞加莱球的偏振矩阵；s3：降低矢量偏振光的空间相干性，并经过整形得到随机电磁光束，同时，提取偏振矩阵中的偏振信息并转移到随机电磁光束的空间关联张量中；s4：将所述随机电磁光束传输到远场，在远场中，偏振信息从空间关联张量中转移到随机电磁光束的偏振矩阵中，得到具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态。2.如权利要求1所述的一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法，其特征在于：所述步骤s1具体包括以下步骤：s11：完全相干矢量光束通过空间光调制器进行加载高阶涡旋相位，产生具有高阶涡旋相位的正极线偏振光和负极线偏振光；s12：从正极线偏振光和负极线偏振光中滤出正一级涡旋线偏振光和负一级涡旋线偏振光并调控为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别为高阶庞加莱球的南极点和北极点。3.如权利要求2所述的一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法，其特征在于：所述步骤s2具体包括以下步骤：s21：将高阶庞加莱球的南极点和北极点作为基模，即l阶庞加莱球的北极和南极的电场表示为：
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（1）
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（2）其中，表示北极电场，表示南极电场，表示光束的束腰宽度，表示空间位置矢量，为矢量坐标，l表示庞加莱球的阶数，也是涡旋相位的拓扑荷数，i为虚数单位；s22：基模叠加合成整个高阶庞加莱球上任一点的偏振光，高阶庞加莱球上任一点电场e的叠加方式满足以下表达式：
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（3）其中，和分别表示高阶庞加莱球的俯仰角和偏向角，分别由两个基模的强度比和合成光束x方向与y方向分量之间的相位差来调控；s23：得到的高阶庞加莱球的偏振矩阵为：
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（4）其中，、、、是偏振矩阵的四个矩阵元，分别由x方向电场取绝对值的平方、y
方向电场取绝对值的平方、x方向电场复共轭与y方向电场乘积、y方向电场复共轭与x方向电场乘积得到，具体表示为：
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（5）
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（6）
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（7）
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（8）其中，a、b是与拓扑荷有关的参数，m、n是与庞加莱球俯仰角和偏向角有关的参数，具体为：
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（9）
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（10）
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（11）
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（12）s24：通过选取拓扑荷数l、俯仰角和偏向角得到高阶庞加莱球上任一点的偏振光，即得到对应的一偏振矩阵。4.如权利要求1所述的一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法，其特征在于：所述步骤s3具体包括以下步骤：s31：偏振矩阵通过聚焦后加载旋转随机相位屏，得到非相干光束；s32：非相干光束经过傅里叶变换和高斯振幅滤波整形得到随机电磁光束；其中，旋转随机相位屏提取偏振矩阵中的偏振信息并转移到随机电磁光束的空间关联张量中，包括以下步骤：在空间-频率域中，空间一点处的随机电磁光束的交叉谱张量：
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（13）其中，表示的坐标，、、、是交叉谱张量的四个元素，、表示在空间的两个位置点，每个元素均写成各方向电场分量之间的系综平均：
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（14）其中，，x和y表示随机电磁光束的两个互相正交的方向，和分别表示在空间点处分量和点处分量的随机电场，表示复共轭，表示和的系综平均；根据正定条件，随机电磁光束交叉谱张量的元素表示为：
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（15）其中，表示从偏振矩阵中提取到的矩阵元，表示空间位置矢量，、分别代表空间两点处的位置矢量，表示狄拉克函数； 或
表示为，表示从加载旋转随机相位屏到高斯振幅滤波后表面的响应函数，固定为如下傅里叶变换的形式：
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（16）其中，为高斯振幅滤波的透过率函数，为高斯振幅滤波的光束束腰宽度；为波长，为焦距；将公式（16）代入公式（15）中得到随机电磁光束交叉谱张量的另一种表达式：
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（17）其中，表示随机电磁光束的空间关联张量，空间关联张量和偏振矩阵之间存在如下关系：
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（18）即偏振矩阵中包含的偏振信息转移到空间关联张量中。5.如权利要求1所述的一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法，其特征在于：所述步骤s4中随机电磁光束在远场的传输，满足矢量柯林斯积分公式：
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（19）其中，表示远场平面上的空间位置矢量，、分别代表远场平面上两点的空间位置矢量，表示波数，a、b、c、d表示传输abcd光学系统的元素，表示为：
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（20）将公式（17）、（18）和公式（20）代入公式（19）中，已知偏振矩阵和交叉谱张量之间存在的关系：，经过运算，得到远场光束某一点处偏振矩阵的卷积表达式：
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（21）其中，为振幅函数的傅里叶变换，是空间关联张量的傅里叶变换，表示卷积运算，因此根据公式（21），得到具有鲁邦性的高阶庞加莱球偏振态。6.一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生系统，其特征在于：包括：偏振光产生组件，用于将完全相干矢量光束加载涡旋相位后调控为高阶庞加莱球的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；偏振矩阵产生组件，用于将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光合成为高阶庞加莱球上的矢量偏振光，并通过调节产生一高阶庞加莱球的偏振矩阵；
随机电磁光束产生组件，用于降低矢量偏振光的空间相干性，并经过整形得到随机电磁光束，同时，提取偏振矩阵中的偏振信息到随机电磁光束的空间关联张量中；高阶庞加莱球偏振态产生组件，用于将随机电磁光束传输到远场，在远场中，偏振信息从空间关联张量中转移到随机电磁光束的偏振矩阵中，得到具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态。7.如权利要求6所述的一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生系统，其特征在于：所述偏振光产生组件包括依次设置的激光器、线偏振片、第一空间光调制器、第一透镜、第一遮光板、衰减片、第二透镜和四分之一波片；所述激光器产生的完全相干矢量光束通过所述线偏振片调控后产生线偏振激光；所述线偏振激光通过所述第一空间光调制器加载高阶涡旋相位，产生带有正、负极高阶涡旋相位的线偏振光；所述线偏振光依次经过第一透镜、第一遮光板、衰减片、第二透镜和四分之一波片，所述第一遮光片从线偏振光中滤出正、负一级衍射光束，所述四分之一波片与所述线偏振片通过角度调整将正、负一级衍射光束调整为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；其中，所述衰减片用于控制正、负一级衍射光束的强度比，所述第一透镜和所述第二透镜构成4f光学系统。8.如权利要求7所述的一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生系统，其特征在于：所述偏振矩阵产生组件包括依次设置的朗奇光栅、第二遮光板、第一半波片和第二半波片；所述左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过所述4f光学系统聚焦到所述朗奇光栅，通过调节所述朗奇光栅的位置和所述第一空间光调制器加载高阶涡旋相位的周期合成出高阶庞加莱球上的一矢量偏振光；所述矢量偏正光经过所述第二遮光板分离出中心光束，所述中心光束通过调节衰减片的衰减程度比以及所述第一半波片和第二半波片之间的夹角得到一高阶庞加莱球的偏振矩阵。9.如权利要求8所述的一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生系统，其特征在于：所述随机电磁光束产生组件包括依次设置的第三透镜、第二空间光调制器、第四透镜和高斯振幅滤波片；所述偏振矩阵经过所述第三透镜聚焦后产生的偏振光束进入所述第二空间光调制器，所述第二空间光调制器用于降低偏振光束的空间相干性并提取偏振矩阵中的偏振信息；所述偏振光束通过第四透镜进行傅里叶变换后经过所述高斯振幅滤波片整形，得到随机电磁光束，其中，偏振信息转移到随机电磁光束的空间关联张量中。10.如权利要求9所述的一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生系统，其特征在于：所述高阶庞加莱球偏振态产生组件包括第五透镜和光束分析仪；所述第五透镜将所述随机电磁光束聚焦传输到远场，在远场中，偏振信息从空间关联张量中转移到随机电磁光束的偏振矩阵中，根据随机电磁光束的偏振矩阵得到高阶庞加莱球偏振态；所述光束分析仪设置于第五透镜在远场中的聚焦处，用于测量得到具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态。
技术总结
本发明公开了一种具有鲁棒性的高阶庞加莱球偏振态产生方法及系统，包括以下步骤：将完全相干矢量光束加载涡旋相位后调控为高阶庞加莱球的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光合成为高阶庞加莱球上的矢量偏振光，并通过调节产生一高阶庞加莱球的偏振矩阵；降低偏振光的空间相干性，并经过整形得到随机电磁光束，同时，提取偏振矩阵中的偏振信息到随机电磁光束的空间关联张量中；将随机电磁光束传输到远场，在远场中，偏振信息从空间关联张量中转移到随机电磁光束的偏振矩阵中，得到具有鲁棒特性的高阶庞加莱球偏振态。本发明解决现有高阶庞加莱球偏振光束难以产生、不具备鲁棒特性、容易被外界环境破坏的问题。破坏的问题。破坏的问题。
技术研发人员：董震 孙曦 谭世磊 陈亚红 王飞 蔡阳健
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2021.12.22
技术公布日：2022/1/21