用空间光调制器和共路干涉仪产生任意矢量光束

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 = mφ + φ 0 ,（其中 m 是拓扑电荷,φ 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φ 0 产生的四种单模光 束，其中φ
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]）。
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φ0 = 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βj 表示，βj = 2π(j − 1)/(m − 1)。例如 m = 4 对应的三个位置角坐标分别 为β1 = 0，β2 = 2π 3 ，β3 = 4π/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。
青 岛 大 学
毕业论文(设计)科技文献译
院 专 班 姓
系： 业： 级： 名：
物理科学学院 光信息科学与技术 2009 级 2 班 吴星星 云茂金 教授
指导教师：
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@ 相关作者：htwang@ 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
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。
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
0
= 0对应径向偏振光束，φ
0
0
= π 2对应方位角偏振光束。当没有
分析仪使用时，对于φ
= 0， π 4 ， π 2 ， 3π 4，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φ 振光束。相比之下，外模是分别对应φ
全息光栅（HG）的振幅传递函数是 t(x,y)=[1+γ cos(2π f0x+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
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
0 0
= 0的向偏
= π 4 ， π 2 ，和 π 。对于前三种
0
情况与如图 2 所示偏振态是相同的，然而对于外模φ
= π ，内模φ
0
= 0的情
况，偏振态是相反的。当φ 0 从π 4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 φ0 = 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αi （i=1,2……,m），可表示为 αi = π 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。
±1 ±1 卡尔坐标系中表述为������±1 = Ex , Ey = A0 2
[exp ±jδ
, ∓jexp(±jδ )],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：������ = ������ +1 + ������−1 = Eρ , Eφ = A0 [cos(δ − φ ) , sin(δ − φ )], 其 中ρ 和φ 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ρ 和 φ 来表示位 相函数δ （ρ ，φ ）。所产生的矢量光束的偏振性可以用偏振片来检测。尽管