用空间光调制器和共路干涉仪产生任意矢量光束辩析.docx

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，jpding@nju.edu.cn相关作者：htwang@nju.edu.cn2007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 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 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,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：,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,（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，对应方位角偏振光束。当没有分析仪使用时，对于的强度分布相同。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。内模是对应的径