用空间光调制器和共路干涉仪产生任意矢量光束

1、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，中国南京山东师范大学物理系，中国济南， 相关作者：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4

2、 F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

3、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

4、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532 nm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 1024768像素（每个像素的尺寸是14m14m）。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

5、。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+cos(2f0x+)/2,其中是附加相位分布，f0和分别是全息光栅（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(j)的匀称光，接着这两束光将通过F和/4波片。/ 4波片后的光束可以在笛卡尔坐标系中

6、表述为E1=Ex1,Ey1=A02expj,jexp(j),其中A0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：E=E+1+E-1=E,E=A0cos(-),sin(-), 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（，）。所产生的矢量光束的偏振性可以用偏振片来检测。尽管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=m+0,（其中m是拓扑电荷,0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值，可以得到一个包含多

7、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0产生的四种单模光束，其中0=0对应径向偏振光束，0=2对应方位角偏振光束。当没有分析仪使用时，对于0=0，4，2，34，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m=1和0=0的径向偏振光束。相比之下，外模是分别对应0=4，2，和 。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

8、0=，内模0=0的情况，偏振态是相反的。当0从4变化到时，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0=0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（i=1,2,m），可表示为i=2m(2i-1)。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，

9、其分别对应两种模式。内模是径向偏振矢量模式，外模是当0=0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j表示，j=2(j-1)/(m-1)。例如m = 4对应的三个位置角坐标分别为1=0，2=23，3=4/3。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