，在無衍射區中加入徑向周期相位板，可實現在光軸不同 位置引入不同的相位延遲。同理，若無衍射區中的光束為貝塞爾型矢量光束，由于徑向周期 相位板的作用，通過一定的技術手段，在光軸的不同位置，對左旋偏振分量引入了附加相 位，則矢量光束的偏振態分布將會隨著傳播距離的改變而改變。徑向周期相位板的相位分 布如圖2(c)所示。
[0036]若設徑向周期相位板的相位變化周期為D，軸棱鏡的徑向周期為d，則由幾何光學 的相關原理，可得附加相位，.與傳輸距離z之間的函數關系式為：
[0038]式中，λ為光波長。進而可得生成三維矢量光束的空間周期為dD/λ。較佳的，D? 2.5d，且D應小于光調制器液晶屏最小尺寸的1 /3。
[0039] 圖3為三維矢量光束的生成裝置示意圖。該裝置包括激光器、偏振分光棱鏡、準直 器、兩個液晶空間光調制器、半波片以及四分之一波片。其中：
[0040] 所述偏振分光棱鏡置于激光器發出的光路中，用于生成水平偏振激光;所述準直 器置于偏振分光棱鏡后方的光路中，用于對水平偏振激光進行準直;所述第一個液晶空間 光調制器置于準直器后方的光路中，用于加載軸棱鏡與螺旋相位片疊加后的全息光柵，將 高斯光束轉化為攜帶有軌道角動量的貝塞爾光束;所述半波片置于第一個液晶空間光調制 器后方的光路中，且其快軸方向與水平面呈22.5°放置，用于將水平偏振貝塞爾光束轉化為 偏振方向與水平面呈45°的線偏振貝塞爾光束;所述第二個液晶空間光調制器置于半波片 后方的光路中，用于加載徑向周期相位與螺旋相位片疊加后的全息光柵，將偏振方向與水 平面呈45°的線偏振貝塞爾光束轉化為兩束偏振方向分別為水平和垂直且攜帶有相反軌道 角動量的線偏振貝賽爾光束的合束，同時水平偏振分量相比于垂直偏振分量有相位延遲； 所述四分之一波片置于第二個液晶空間光調制器后方的光路中，其快軸方向與水平面呈 45°，用于將兩束偏振方向為水平和垂直且攜帶有相反軌道角動量的線偏振貝賽爾光束的 合束轉化為兩束左旋和右旋且攜帶有相反軌道角動量的圓偏振貝賽爾光束的合束，同時左 旋圓偏振分量相比于右旋圓偏振分量有相位延遲。
[0041] 其原理可理解為，通過給第一臺反射式液晶空間光調制器加載將軸棱鏡與1階螺 旋相位片疊加后的全息光柵，則出射光為水平線偏-1階貝塞爾光束。經快軸方向與水平面 呈22.5°放置的半波片后，其偏振方向變為與水平面呈45°，此時其可偏振分解為兩束等強 度的偏振方向分別為水平和垂直的-1階貝塞爾光束。第二臺反射式液晶空間光調制器加載 徑向周期相位與21階螺旋相位片疊加后的全息光柵。由于本裝置中使用的光調制器只能對 水平線偏光進行純相位調制，對垂直線偏振光無調制作用。因此，水平分量貝塞爾光束的階 次為-(-1+21)=-1，并在光場橫截面不同的位置引入了不同的相位延遲，垂直分量貝塞爾 光束階次由于反射作用變為1。則此時出射光束可看作為兩束偏振方向分別為水平和垂直 且攜帶有相反軌道角動量的線偏振貝賽爾光束的合束，同時水平偏振分量相比于垂直偏振 分量有相位延遲。經過快軸方向與水平面呈45°放置的四分之一波片后，其被轉化為兩束左 旋和右旋且攜帶有相反軌道角動量的圓偏振貝賽爾光束的合束，同時左旋圓偏振分量相比 于右旋圓偏振分量有相位延遲。則此光束即為三維矢量光束。
[0042]實施例1: 一階三維矢量光束的生成。
[0043]將如圖4所示的軸棱鏡與1階螺旋相位片疊加后的全息光柵，和徑向周期相位與2 階螺旋相位片疊加后的全息光柵分別加載在圖3所示裝置中的兩個液晶空間光調制器上。 打開激光光源，將CCD相機固定在沿光軸方向放置的光學導軌上，分別在初始位置、1/4空間 周期處、1/2空間周期處以及3/4空間周期處測得的三維矢量光束如圖5第1列所示。在CCD相 機前加一可旋轉的偏振片來檢測三維矢量光束的偏振態。偏振片水平、45°和垂直放置時， CCD相機接收到的光斑如圖5后三列所示，測得的三維矢量光束在不同傳播距離處的的偏振 態分布如圖5第二列所示。圖5表明，生成的一階三維矢量光束的偏振態分布與理論預期吻 合。
[0044]實施例2:二階三維矢量光束的生成。
[0045]將如圖6所示的軸棱鏡與2階螺旋相位片疊加后的全息光柵，和徑向周期相位與4 階螺旋相位片疊加后的全息光柵分別加載在圖3所示裝置中的兩個液晶空間光調制器上。 打開激光光源，將CCD相機固定在沿光軸方向放置的光學導軌上，分別在初始位置、1/4空間 周期處、1/2空間周期處以及3/4空間周期處測得的三維矢量光束如圖7第1列所示。在CCD相 機前加一可旋轉的偏振片來檢測三維矢量光束的偏振態。偏振片水平、45°和垂直放置時， CCD相機接收到的光斑如圖7后三列所示，測得的三維矢量光束在不同傳播距離處的的偏振 態分布如圖7第二列所示。圖7表明，生成的二階三維矢量光束的偏振態分布與理論預期吻 合。
[0046]如圖5和圖7所示，三維矢量光束在不同的傳播距離處具有不同的偏振態分布，其 光場分布與同階次貝塞爾光束相同。
[0047]同時我們可以看出，本發明的三維矢量光束具有偏振態分布隨傳輸距尚的改變而 改變的特性，在一個空間周期內，其偏振態會從徑向偏振到角向偏振交替變化。本發明提供 的三維矢量光束生成裝置可方便的生成三維矢量光束，只需改變加載在液晶空間光調制器 上的全息光柵，即可實現不同階次的三維矢量光束的生成，而無需再次調節其他任何光學 元件。
[0048]綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。 凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的 保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種新型的三維矢量光束，其特征在于，光場分布與同階次貝塞爾光束相同；光束橫 截面偏振態是各向異性、呈一定規律分布的，同時隨著其傳輸距離的改變而改變;在一個空 間周期內，其偏振態會從徑向偏振到角向偏振交替變化;可通過增大或縮小傳播距離實現 偏振態分布的改變。2. -種用于生成三維矢量光束的裝置，其特征在于，包括激光器、偏振分光棱鏡、準直 器、兩個液晶空間光調制器、半波片和四分之一波片，其中： 所述偏振分光棱鏡置于激光器發出的光路中，用于生成水平偏振光； 所述準直器置于偏振分光棱鏡后方的光路中，用于對水平偏振光進行準直； 所述第一個液晶空間光調制器置于準直器后的光路中，用于加載軸棱鏡與螺旋相位片 疊加后的全息光柵，將入射光束轉化為攜帶有軌道角動量的貝塞爾光束； 所述半波片置于第一個液晶空間光調制器后的光路中，且其快軸方向與水平面呈 22.5°放置，用于將水平偏振貝塞爾光束轉化為偏振方向與水平面呈45°的線偏振貝塞爾光 束； 所述第二個液晶空間光調制器置于半波片后的光路中，用于加載徑向周期相位與螺旋 相位片疊加后的全息光柵，將偏振方向與水平面呈45°的線偏振貝塞爾光束轉化為兩束偏 振方向分別為水平和垂直且攜帶有相反軌道角動量的線偏振貝賽爾光束的合束，同時水平 偏振分量相比于垂直偏振分量有相位延遲； 所述四分之一波片置于第二個液晶空間光調制器后的光路中，其快軸方向與水平面呈 45°，用于將兩束偏振方向為水平和垂直且攜帶有相反軌道角動量的線偏振貝賽爾光束的 合束轉化為兩束左旋和右旋且攜帶有相反軌道角動量的圓偏振貝賽爾光束的合束，同時左 旋圓偏振分量相比于右旋圓偏振分量有相位延遲。3. 根據權利要求2所述的三維矢量光束生成裝置，其中，加載在擴束器后方的空間光調 制器上的全息光柵，由軸棱鏡與螺旋相位片疊加而成。4. 根據權利要求2所述的三維矢量光束生成裝置，其中，加載在四分之一波片前方的空 間光調制器上的全息光柵，由徑向周期相位與螺旋相位片疊加而成，且螺旋相位片的階次 為權利要求3所述螺旋相位片的二倍，若用D表示徑向周期相位的相位變化周期，d表示權利 要求3所述軸棱鏡的徑向周期，λ表示光波長，則在光軸上引入附加相位f與傳輸距離z之間 的函數關系為：
【專利摘要】本發明公開了一種三維矢量光束及其生成方法與裝置。本發明的三維矢量光束，其光場分布與貝塞爾光束相似。其光束橫截面偏振態分布隨著其傳輸距離的改變而改變，并呈周期變化。在一個空間周期內，其偏振態會從徑向偏振到角向偏振交替變化。所生成的光束可同時具有多種偏振態分布，相比于現有的單一偏振態分布的矢量光束，具有更廣泛的應用價值。本發明的三維矢量光束生成裝置，只需改變加載在液晶空間光調制器上的全息光柵，即可實現不同階次的三維矢量光束的生成，而無需再次調節其它任何光學元件，操作簡單方便。
【IPC分類】G02B27/28, G02B27/09
【公開號】CN105607266
【申請號】CN201610007355
【發明人】高春清, 付時堯, 張世坤
【申請人】北京理工大學
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2016年1月6日