用空间光调制器和共路干涉仪产生任意矢量光束

青岛大学毕业论文(设计)科技文献译院系：物理科学学院专业：光信息科学与技术班级：2009级2班姓名：吴星星指导教师：云茂金教授2009年4月10日用空间光调制器和共路干涉仪产生任意矢量光束南京大学，固体微结构物理系国家重点实验室，中国南京210093山东师范大学物理系，中国济南250014，[e-mail]相关作者：[e-mail]2007年9月12日收到；2007年10月25日修订；2007年11月2日接受；2007年11月12日发布（DOC。编号87459）；2007年12月12日出版引言：本文描述了一种简便的方法来产生任意矢量光束，借助在4F系统中加入空间光调制器（SLM）和共路干涉装置来实现。计算全息图被引入到SLM进行光束转换。各种偏振态光束的实现证实了这种方法的可靠性和灵活性。2007美国光学学会,OCIS代码：50.1970，70.6110，260.5430，230.1950正文：近年来，由于矢量光束其相比于其他均匀偏振光束具有独特的特性，已经引起了国内外广泛的关注。矢量光束的两个极端的情况是径向偏振（RP）光束和方位角偏振（AP）光束。径向偏振（RP）的光束可以聚焦在焦平面上产生较强的纵向、非传播电场，相比于均匀偏振光束可以产生更为清晰明亮的焦点[1,2]。另一方面，一个方位角偏振（AP）的光束能被聚焦成空心暗斑[3]。这些特殊的性能都很实用，可以运用到很多方面，例如粒子加速[4]、单分子影像[5]、近场光学[6]和非线性光学[7]。这些性能也适用于光俘获和粒子操控[8]。矢量光束生成的方法可分为直接和间接两类。最直接的方法是利用一种新型激光器输出得到，这种激光器谐振腔必须经过特殊设计或改进[4,9,10]。间接的方法是基于传统激光器输出光束的波前重建，并借助于特别设计的光学元件来完成[11-14]。然而，任意矢量光束的产生仍然面临着挑战。空间光调制器（SLM）可以提供改变这一状况的唯一机会，是因为一个SLM允许灵活的设计空间任意（相位或振幅或两者）调制模式以便产生所需的光学摸式[15,16]。在这里，我们提出了一个简便方法，通过使用SLM来产生所需的任意偏振态的矢量光束。如图1所示，一束偏振方向沿着X轴的532nm准直激光束，通过一个旋转型扩散器（RD），照射在一个透射式扭曲向列型液晶SLM上，该SLM是1024×768像素（每个像素的尺寸是14µm×14µm）。4f系统是由一对具有相同焦距f的同等透镜（L1和L2）组成，其中SLM放置在L1的前焦平面上。所设计的全息光栅（Hg）放在SLM所衍射的入射光束的不同衍射级处。空间滤波器F（有两个独立的开孔）放置在4F系统的傅立叶焦平面上，只有在±1级处的光束允许通过，然后被缝后的两个λ／4波片分别转换成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。隆基相位光栅G被放在L2的后焦平面，正负一级光也将在此被重新分布。此相位光栅G对±1级的光束有约40%的衍射效率，而对所有级次的光束都有抑制作用。全息光栅的时间已尽可能调整到与相位光栅G相匹配。为了避免离轴传播的光也被俘获，让CCD相机与G有一个10厘米的距离。为了极大地消除不必要的散斑，该光学系统允许低空间相干照明光入射（如图1所示，R-D就是用于此目的[17]）。全息光栅（HG）的振幅传递函数是t(x,y)=[1+γcos(2πf0x+δ)]/2,其中δ是附加相位分布，f0和γ分别是全息光栅（HG）的空间频率和调制深度。对于一束入射到SLM的线性偏振光，在其±1级处分别产生两束位相为exp(±jδ)的匀称光，接着这两束光将通过F和λ/4波片。λ/4波片后的光束可以在笛卡尔坐标系中表述为[]()(δ)(δ),其中是常量。两束光在L2的后焦平面上重组成一束光，我们把其光场分布在极坐标系中描述如下：(δ)(δ),其中和分别是极半径和方位角。很显然，我们可以从以上的表述中得知只要选择合适的相位δ就能利用此装置获得任意偏振光束，可以用和来表示位相函数δ（，）。所产生的矢量光束的偏振性可以用偏振片来检测。尽管δ可以有任意的空间分布，我们只对可以产生特殊矢量光束的一种螺旋相位分布感兴趣，表述为δ,（其中m是拓扑电荷,是初相位）。另外，我们还可以把SLM的不同区域的设计成不同的δ值，可以得到一个包含多种偏振态的单一矢量光束（这里为简单起见，称为多模光束）。首先，我们来讨论m=1的情况。如图2所示，由不同产生的四种单模光束，其中对应径向偏振光束，π⁄对应方位角偏振光束。当没有分析仪使用时，对于，π⁄，π⁄，π，⁄的强度分布相同。中央暗点的产生源于光束中心的偏振奇异性。当使用分析仪时，由于光束横截面的圆柱对称偏振特性，强度分布中将出现扇形消光图案。图3展示了双模矢量光束的产生。两个同心环模式被一个暗环面隔开，这是由于全息光栅（HG）相位跳变形成的。内模是对应和的径向偏振光束。相比之下，外模是分别对应π⁄，π⁄，和π。对于前三种情况与如图2所示偏振态是相同的，然而对于外模π，内模的情况，偏振态是相反的。当从π⁄变化到π时，我们可以发现暗环区逐渐变得清晰起来。第二步，我们将探讨具有较大拓扑电荷的矢量光束的产生。图4给出了当时不同的m值产生单模矢量光束的实验结果，其中m分别等于2、3、5。很明显，当没用分析仪器时光强分布图中的中心暗点的大小将随着m值的增大而增大。如果放入分析仪，消光方向的数目随着m增大而增加且等于m值。假设按x轴方向顺时针的第i消光方向角（i=1,2……,m），可表示为(⁄)()。对于具有较大拓扑电荷的矢量光束偏振态变得更复杂。图5所示的双模矢量光束的情况。当没有分析仪插入时，光强分布图案被一个暗环分为两个同心的内、外区域，其分别对应两种模式。内模是径向偏振矢量模式，外模是当时分别对应的m=2、4、7的矢量模式。图3不同的是，这是由样一个暗环区是被一个或几个明亮区分隔开，明亮区数量取决m，其等于m-1。以x轴为参考坐标，第j个明亮区（j=1,2,3……,m-1）的位置用角表示，()()。例如m=4对应的三个位置角坐标分别为，⁄，。事实上，最亮区域的位置由外模和内模偏振方向相同的位置确定。当使用分析仪时，强度分布图案类似于图3。以上所有研究，是基于拓扑电荷m是一个整数，以及生成的矢量光束具有柱对称偏振特性。如果m不是整数，将产生的情况一定很有意思，我们以图6所示为例，分别探讨m=0.5和m=1.5的情况。由于m不再是整数，对称性被破坏，偏振性和光强分布中出现了圆柱形非对称情况。这就形成了从原点开始沿x轴正方向出现一个暗纹，而不是对应在m为整数时中心是暗斑的情况。暗纹的出现源于x轴正向偏振态的不确定性。当没有分析仪时，对m=0.5和m=1.5的光强分布图案唯一的不同点就是，m=0.5的中心暗斑比m=1.5的中心暗斑小。当使用分析仪时，m=0.5只有一个消光方向出现，而m=1.5有三个消光方向出现。总之，我们提出了一个新的产生任意偏振态的方法。任何所需的偏振模式都可以通过设计光栅条纹投射到SLM轻松实现。经研究发现我们的方法是可靠灵活的。这项工作得到了由中国国家自然科学基金资助下10474043和10325417，由江苏省自然科学基金资助bk2007126，在格兰特2006cb921805中国基础研究的国家重点项目，和111项目的资助下b07026的部分支持。