基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，其特征在于：将光源由液晶元件衍射的正负一级引入迈克尔逊干涉仪系统，同时迈克尔逊干涉仪中的两面反射镜进行改进：其一更换为全反射棱镜实现正负衍射级次传播光路的对调，并在全反射棱镜前放置空间滤波器选出所需的±1级衍射；另一面反射镜变为仅反射一个级次，这样可以在一套光路中同时完成对于位相和偏振的控制，从而实现了多通道的空间光场生成装置。同时另一方面，对于相干叠加调控偏振的方法来说，可以直接通过移除和加入四分之一波片(或其他相位光学元件如螺旋位相片等)的方法来简便快捷的实现基矢的切换，方便后续广泛地应用于各种对光源偏振和位相有特定需求的实验中。
【专利说明】基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装 置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空间光场生成新技术，设计实现了一套可同时调控光场偏振和位相的 多通道空间结构光场生成装置。
【背景技术】
[0002] 与传统光场不同，空间结构光场是振幅、偏振和位相在空间中有特定分布的光场。 其偏振和位相的特殊性，带来一系列新颖的光学性质，从而可W应用于光通信、光捕获和光 学制造等，空间结构光场的生成技术与应用研究已经引起了广泛关注。
[0003] 空间结构光场中具有特殊偏振分布的光场被称作矢量光场，它是一种偏振态随着 空间位置而变化的特殊光场。生成矢量光场的方法主要有两大类；其一，通过设计激光器 内部的腔结构，引入特殊的光学元件，直接获得特定模式的矢量光场输出；其二为干涉的方 法，W鹿加莱球偏振合成理论为基础，利用互相正交的一对偏振基矢相干叠加得到不同的 矢量光场。对于第一种方法，最大的缺点是缺乏灵活性，当激光器腔结构设计确定W后，只 能得到其对应的特定模式的光场。相对而言，第二种方法生成的矢量光场更具灵活性，并且 借助液晶空间光调制器（SpatialLi曲tMo化lator，SLM)几乎可W得到任意形式的矢量光 场。
[0004]另一方面，空间结构光场中具有特殊相位分布的光场如润旋光场和无衍射光 场等，由于其位相特征带来的中也奇异点、可控的轨道角动量和空间传播的稳定性等特 点，在光通信、光学操纵等领域具有巨大的应用潜力。1995年，实验上便已有人观测到 润旋光束的轨道角动量可W与微小粒子相互作用值irect化serrationofTransfer ofAngularMomentumtoAbsorptiveParticlesfromaLaserBeamwithaPhase Singularity,Phys.Rev.Lett. ,1995,75(5) :826-829.)，从而引起光致旋转。目前光学 润旋已经被广泛应用于光学微操纵技术中，如微小粒子的光学旋转、囚禁、和引导等。而 通过位相调控得到的无衍射光场是1987年由DurninJ提出的巧xactsolutions化r nondiffractingbeams(I);Thescalartheory.JOSAA, (4), 651-654(1987))，该种光束在 传播过程中光斑横向分布保持不变，使它在激光加工、光学准直和光綴等领域有着良好的 应用前景。
[0005] 关于矢量光场生成的方法，早在2007年因斯布鲁克医科大学的StefanBernet 等人便基于液晶空间光调制器装置提出了一种利用Wollaston棱镜分光的干涉光路 (Tailoringofarbitraryopticalvectorbeams.NewJ.Phys. , 2007, 9.)生成复杂拉盖 尔-高斯矢量光场；Wollaston棱镜将入射光等幅分成两束后，再分别控制两束光的偏振 使其相互正交形成一对基矢，入射到空间光调制器的液晶面板的左右部分，分别获得相反 的润旋位相后再反射回Wollaston棱镜上合束，实现了复杂拉盖尔-高斯光束的生成。由 于该方法的液晶面板被划分为左右两个区域，分别加载不同的位相分布，从而大大降低了 液晶调制位相的分辨率。在此基础上，南开大学的王慧田小组同样借助液晶空间光调制器 成功搭建了一套用于生成任意偏振分布的矢量光场的4F系统（Generationofarbitrary vectorbeamswithaspatiallightmodulatorandacommonpathinterferometric arrangement.OpticsLetters,Vol. 32,Issue24,卵.3549-3551 (2007));包含螺旋位相的 全息光栅直接加载在液晶面板上，入射光经液晶面衍射，其±1级即满足相干叠加的条件， 再利用两个相互正交放置的四分之一波片进一步调节±1级的偏振方向，使其形成一对正 交基矢。相较StefanBernet等人的工作，该套光路充分利用了液晶面板的分辨率，但是该 种方法的缺点在于由于全息光栅周期较大，在光栅频谱面上±1级的空间距离非常靠近， 因此其中作为滤波元件的狭缝间距非常小，且在两个狭缝的背后需要分别放置两个四分之 一波片并调节波片角度，操作难度大。其最后是利用光栅对调控后的±1级衍射光再合 束，该要求该合束光栅同SLM所加载的全息图要匹配，限制了其灵活性。西北工业大学赵 建林小组进一步改进了其生成光路，提出了一种基于Sagnac干涉仪的矢量光场生成系统 (Generationofarbitraryspatiallyvariantpolarizationbeamswithatrapezoid Sagnacinterferometer,OpticsExpress,Vol. 20,Issue19,pp. 21715-21721 (2012)):光 路中利用一个偏振分束元件将入射光直接分为两束相互正交的偏振光，再入射至事先加载 了全息光栅的液晶面板上W获得所需的螺旋位相，从而解决了之前方法中狭缝背后控制光 束偏振的四分之一波片不易调节和合束难度大的问题。但是由于光路中的引入了偏振分束 元件，增加了调节难度，特别是该光路切换基矢时较为复杂。W上所有的方法仅仅针对光场 的偏振特性进行调控，而对于光场的位相调控也是空间光场调控中很重要的一环，如果希 望实现对于光束偏振和位相的分别调控则十分困难，需要另外搭建位相调制的光路，针对 现有方法存在的基矢切换不便、光路稳定性差、无法实现位相偏振同时调控等缺点，我们发 明了基于改进型的迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于，针对先前方法的不足，提出并实现了一套基于改进型迈克尔 逊干涉仪的多通道空间光场生成方法及装置。该装置具有集成度高（基矢切换方便）、多通 道（一个偏振调控通道和两个位相调控通道）、自由度高（输出通道为开放光路，可引出用 于多方面的应用中）等重要特点。
[0007] 本发明由W下技术方案来实现，一种基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结 构光场生成装置，将迈克尔逊干涉仪中的一面反射镜更换为全反射棱镜，使两个级次光路 对换。
[0008] 进一步的，使原本迈克尔逊干涉仪中的另一面反射镜仅仅反射一个级次。
[0009] 进一步的，全反射棱镜和另一面反射镜结合起来使两个级次光路分离调控W实现 多通道生成光场，可W产生一个偏振生成通道和两个位相调控通道。
[0010] 进一步的，当生成特殊偏振的矢量光场时，切换基矢仅需要插入或移去四分之一 波片即可实现，方便快捷。
[0011] 进一步的，偏振通道利用干涉合成的方法得到矢量光场。
[0012] 进一步的，位相通道可利用全息光学的原理得到润旋光场、贝塞尔光场和其他复 杂位相特征的无衍射光束。
[0013] 进一步的，位相通道为偏振通道中所干涉合成的矢量光场的基矢，可通过对两个 位相通道的探测实现对矢量光场的无干扰检测。
[0014] 进一步的，该装置具体为；半导体激光器出射的光束经由偏振片变为水平方向偏 振的线偏光，入射到液晶空间光调制器上，被液晶面板上预先加载的全息光栅衍射出若干 级次，在经过分束镜之后，两束光的传播光路完全重合，选取±1级衍射作为所需的基矢， 此时±1级携带所需的相反的位相，经透镜变成沿平行方向传播进入所述的改进型的迈克 尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，当衍射级次穿过透镜后，经过光轴斜45°放 置的四分之一波片变成两束手性相同的圆偏振光，之后，经由分束镜分束，其中一半能量的 光束直接透过分束镜经由空间滤波片选出所需要的±1级，此时利用一个全反射的直角棱 镜使得空间中传播的±1级对换光路，被直角棱镜反射回来的+1级会沿着-1级次传播路 线的反方向回到分束镜处，同时-1级的光束被分束镜反射至上方放置的反射镜处，而被反 射镜反射回的-1级会与被全反射棱镜反射的+1级相遇，同时到达下方的接收屏处形成同 轴干涉，该光路中包含一块二分之一波片用于将+1级圆偏光的偏振旋转方向改变或将线 偏光偏振方向旋转至正交方向，此即为偏振调制通道，而此时，由于反射镜未能将被分束镜 向上反射的+1级反射回光路，被全反射棱镜反射的-1级在被分束镜向下反射后无法与+1 级相遇，从而此时在偏振调制通道的右侧会出现位相调制通道，最终形成了由± 1级同轴 干涉形成的偏振调控通道和仅有-1级光束的位相调制通道，下方的接收屏也可W换成探 测器CCD或者借助反射镜将所得到的光束引出后续光路中，光路调节过程中，需要精密调 节反射镜的前后位置，使相互干涉的两个级次的光束走过的光程完全一致方能实现偏振调 制。
[0015] 进一步的，通过移除光路中的四分之一波片即可实现基矢的切换，当光路中有四 分之一波片时，为两束旋转方向相反的圆偏光叠加，移除四分之一波片后变成两束振动方 向正交的线偏光叠加。
[0016] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0017] (1)多通道，系统具有H个光路通道（两个位相调制通道和一个偏振调制通道）， 配合液晶空间光调制器，在一套光路中同时实现了对于位相和偏振的任意调控。H个通道 的光路之间相互独立，而光场又相互关联。可W通过对于位相通道的探测实现对偏振通道 光场的无干扰检测。
[0018] (2)集成度高，偏振调控时基矢切换方便，当加入四分之一波片时基矢为圆偏光， 移除四分之一波片即可切换成为线偏光基矢。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的基于改进型迈克尔逊干涉仪的空间光场生成光路示意图。
[0020] 图2为全息图及产生的衍射± 1级。
[0021] 图3为本发明实例中所生成的非衍射韦伯抛物线（WeberPar油olic)光场示意 图，左边为实验中CCD采集图像，右边为理论计算图像。
【具体实施方式】
[0022] 如图1所示，半导体激光器1出射的光束经由偏振片2变为水平方向偏振的线偏 光，入射到液晶空间光调制器4上，被液晶面板上预先加载的全息光栅衍射出若干级次（光 路中+1级光路用实线表示，-1级光路用虚线表示，实际光路中，在经过分束镜之后，两束光 的传播光路完全重合，图示中稍稍分开W示区别），我们选取±1级衍射作为所需的基矢， 此时± 1级携带我们所需的相反的位相，经透镜5变成沿平行方向传播进入改进的迈克尔 逊干涉仪系统3。当衍射级次穿过透镜5后，经过光轴斜45°放置的四分之一波片变成两 束手性相同的圆偏振光，之后，经由分束镜8分束，其中一半能量的光束直接透过分束镜经 由空间滤波片11选出所需要的±1级，此时利用一个全反射的直角棱镜12使得空间中传 播的±1级对换光路。被直角棱镜12反射回来的+ 1级会沿着-1级次传播路线的反方向 回到分束镜8处，同时-1级的光束被分束镜反射至上方放置的反射镜7处（此处选取较小 或附加光阔的反射镜使其只反射回-1级次）。而被反射镜7反射回的-1级会与被棱镜12 反射的+1级相遇，同时到达下方的接收屏9处形成同轴干涉，该光路中包含一块二分之一 波片10用于将+1级圆偏光的偏振旋转方向改变（或将线偏光偏振方向旋转至正交方向）， 此即为"偏振调制通道"13 ;而此时，由于反射镜7未能将被分束镜8向上反射的+1级反射 回光路，被棱镜12反射的-1级在被分束镜8向下反射后无法与+1级相遇，从而此时在偏 振调制通道的右侧会出现"位相调制通道14";最终形成了由±1级同轴干涉形成的偏振调 控通道13和仅有-1级光束的位相调制通道14。下方的接收屏9也可W换成探测器CCD或 者借助反射镜将所得到的光束引出后续光路中。光路调节过程中，需要精密调节反射镜7 的前后位置，使相互干涉的两个级次的光束走过的光程完全一致方能实现偏振调制。更进 一步的，通过移除光路中的四分之一波片6即可实现基矢的切换，当光路中有四分之一波 片时，为两束旋转方向相反的圆偏光叠加。移除四分之一波片后变成两束振动方向正交的 线偏光叠加。
[0023] 对于位相通道14,由于借助了液晶空间光调制器，其液晶面板上每一个像素背后 对应一个电极，通过电压可W控制每个像素点上的液晶分子取向，从而控制每个像素点的 位相延迟。我们在计算机中可W导入8位的256灰阶的灰度图对入射光进行0?2n的位 相调制。对于矢量光场的生成光路来说，位相通道所得到的光束即为偏振通道所需的基矢 光。
[0024] 对于偏振通道13,干涉合成的原理如下：光路中的液晶空间光调制器事先加载我 们所需的全息光栅的位相分布图。此时全息光栅的透过率函数可W写作：
[00巧]t(x, y)={1+Y cos(231f〇x+5 (X, y)]}/2,
[002引其中5为由全息光栅带来的附加位化y为调制深度，f。为空间载频。全息光栅 的透过率函数可W通过软件编码任意调控。当入射的线偏振光被液晶空间光调制器所衍射 后，产生的正负一级经过四分之一波片后会变成圆偏振光，其中+1级再经过一个二分之一 波片从而旋转方向翻转，此时的正负一级可W表示为：
[0027] 巧=4)也-沾}.).6巧
[0028] 与巧
[0029] A。为振幅项，和S、,为直角坐标系下的基矢。正负一级在偏振通道合束后相干叠 力口，可表示为：
[0030] E= 24)(cos+sindk,)
[0031] 由于5的形式可W任意选取，故此时可W得到任意偏振态空间分布的矢量光场。
[0032] 下面结合附图对本发明的实施例进行描述。
[0033] 本发明中基于改进型迈克尔逊干涉仪的空间光场生成装置的光路图如图1所示。 首先将液晶空间光调制器上加载我们所需要生成的新型空间光场所对应的全息位相图，当 加载如图2左所示全息位相图后可得到图2右中两个正负一级衍射光斑。进一步的，W近年 来研究的非衍射光束中的韦伯抛物线光束（WeberPar油olicbeam)为例。与柱坐标下的 贝塞尔光束炬esselbeam)，楠圆坐标下的马修光束（Mathieubeam)相对应，韦伯抛物线光 束（WeberPar油olicbeam)是一种抛物线坐标系下的非衍射光束。抛物线坐标（n,S，Z) 可由直角坐标系（x，y，z)变换得到，其定义如下：
[0034] x+iy= (n+iS) 2/2,Z=Z,
[00巧]此时可将韦伯抛物线光束（WeberPar油olicbeam)的偶数和奇数横向稳态表达 式写为：
【权利要求】
1. 一种基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置，其特征在于：将 迈克尔逊干涉仪中的一面反射镜更换为全反射棱镜，使两个级次光路对换。
2. -种如权利要求1所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成 装置，其特征在于：使原本迈克尔逊干涉仪中的另一面反射镜（7)仅仅反射一个级次。
3. -种如权利要求1或2所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生 成装置，其特征在于：全反射棱镜和另一面反射镜（7)结合起来使两个级次光路分离调控 以实现多通道生成光场，可以产生一个偏振生成通道和两个位相调控通道。
4. 一种如权利要求1或2所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生 成装置，其特征在于：当生成特殊偏振的矢量光场时，切换基矢仅需要插入或移去四分之一 波片即可实现，方便快捷。
5. -种如权利要求1或2所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生 成装置，其特征在于：偏振通道利用干涉合成的方法得到矢量光场。
6. -种如权利要求1或2所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生 成装置，其特征在于：位相通道可利用全息光学的原理得到涡旋光场、贝塞尔光场和其他复 杂位相特征的无衍射光束。
7. -种如权利要求1或2所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生 成装置，其特征在于：位相通道为偏振通道中所干涉合成的矢量光场的基矢，可通过对两个 位相通道的探测实现对矢量光场的无干扰检测。
8. -种如权利要求1或2所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场 生成装置，其特征在于：该装置具体为：半导体激光器（1)出射的光束经由偏振片（2)变为 水平方向偏振的线偏光，入射到液晶空间光调制器（4)上，被液晶面板上预先加载的全息 光栅衍射出若干级次，在经过分束镜之后，两束光的传播光路完全重合，选取±1级衍射作 为所需的基矢，此时±1级携带所需的相反的位相，经透镜（5)变成沿平行方向传播进入 所述的改进型的迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置（3)，当衍射级次穿过透 镜（5)后，经过光轴斜45°放置的四分之一波片变成两束手性相同的圆偏振光，之后，经由 分束镜（8)分束，其中一半能量的光束直接透过分束镜经由空间滤波片（11)选出所需要的 ± 1级，此时利用一个全反射的直角棱镜（12)使得空间中传播的± 1级对换光路，被直角棱 镜（12)反射回来的+1级会沿着-1级次传播路线的反方向回到分束镜（8)处，同时-1级 的光束被分束镜反射至上方放置的反射镜（7)处，而被反射镜（7)反射回的-1级会与被全 反射棱镜（12)反射的+1级相遇，同时到达下方的接收屏（9)处形成同轴干涉，该光路中包 含一块二分之一波片（10)用于将+1级圆偏光的偏振旋转方向改变或将线偏光偏振方向旋 转至正交方向，此即为偏振调制通道（13);而此时，由于反射镜（7)未能将被分束镜（8)向 上反射的+1级反射回光路，被全反射棱镜（12)反射的-1级在被分束镜（8)向下反射后无 法与+1级相遇，从而此时在偏振调制通道的右侧会出现位相调制通道（14);最终形成了由 ±1级同轴干涉形成的偏振调控通道（13)和仅有-1级光束的位相调制通道（14);下方的 接收屏（9)也可以换成探测器CCD或者借助反射镜将所得到的光束引出后续光路中，光路 调节过程中，需要精密调节反射镜（7)的前后位置，使相互干涉的两个级次的光束走过的 光程完全一致方能实现偏振调制。
9. 一种如权利要求8所述的基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成 装置，其特征在于：通过移除光路中的四分之一波片（6)即可实现基矢的切换，当光路中有 四分之一波片时，为两束旋转方向相反的圆偏光叠加，移除四分之一波片后变成两束振动 方向正交的线偏光叠加。
【文档编号】G02B27/28GK104375277SQ201410653494
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】毛磊, 鲁拥华, 臧天阳, 王沛 申请人:中国科学技术大学