一种偏振控制装置及偏振控制方法与流程

1.本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种偏振控制装置及偏振控制方法。

背景技术：

2.频率、相位、强度和偏振是光的几个重要属性，其中对光束偏振的控制在探测、通信、激光加工及成像等领域具有重要的意义和应用价值。偏振控制器就是为满足此类需求而提出的一种偏振控制设备。生成的任意偏振标量光束可广泛应用于光学操纵、光学成像、激光控制等领域。
3.标量光束的偏振控制器从原理上主要分为传统的波片级联装置和具有超表面结构的装置两种。
4.传统的波片级联装置集成了可旋转的级联的半波片和四分之一波片等元器件，通过波片的转动实现所需要的偏振态输出。这种装置具有原理简单的特点，但具有如下的局限性：一是需要提前确定入射光的偏振态，只有这样才可以转动相应的波片实现偏振控制功能，缺乏偏振实时调控的基础；二是入射光偏振态发生突变或微小变化时无法实现对偏振态实时控制；三是基于波片转动控制偏振态的方式不改变所引入的相位延迟，无法实现标量光束任意偏振态的输出；四是偏振态的控制需要旋转多个半波片和四分之一波片，结构较为复杂。具有超表面结构的偏振控制器虽然具有小型化和实时响应的优良特性，但其局限性也是显而易见的：一是波长尺度的周期性结构对波长具有敏感性，适用的入射光频率受限；二是超表面结构设计复杂，加工成本较高，同时加工误差的引入也会影响其偏振控制效果。

技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种偏振控制装置及偏振控制方法，可以解决现有标量光束偏振控制器存在的结构复杂、频率宽度受限以及任意偏振态无法实时生成和调控的问题。
6.根据本发明的一方面，提供了一种偏振控制装置，该偏振控制装置包括沿光路共光轴依次设置的偏振调制单元和非线性介质晶体；
7.所述偏振调制单元用于将入射光调制为预设偏振方向的线偏振光；
8.所述非线性介质晶体用于在外场的作用下调控所述线偏振光的折射率差值，以输出所需偏振态的标量光束。
9.可选地，所述偏振调制单元包括线偏振片和旋转单元，所述旋转单元用于带动所述线偏振片绕所述光轴旋转。
10.可选地，所需旋转单元旋转的角度精度可调节。
11.可选地，所述外场包括电场、磁场、应力场或温度场的至少一种。
12.可选地，所述外场包括电场，所述非线性介质晶体包括电光晶体。
13.可选地，所述电光晶体包括铌酸锂型晶体，所述铌酸锂型晶体包括相对且平行设置的第一表面和第二表面，所述第一表面设置有第一电极，所述第二表面设置有第二电极。
14.可选地，所述铌酸锂型晶体的晶体光轴与所述入射光的方向垂直，所述第一表面的法线方向与所述晶体光轴平行。
15.可选地，所述入射光包括自然光，所述所需偏振态包括线偏振态、圆偏振态或椭圆偏振态。
16.根据本发明的另一方面，提供了一种偏振控制方法，用于上述一方面实施例所述的偏振控制装置，该偏振控制方法包括：
17.调节偏振调制单元，使入射光经过所述偏振调制单元透射为预设偏振方向的线偏振光；
18.调制非线性介质晶体所处的外场，以调控所述线偏振光的折射率差值，输出所需偏振态的标量光束。
19.可选地，所述入射光包括自然光，所述所需偏振态包括线偏振态、圆偏振态或椭圆偏振态。
20.本发明实施例提供了一种偏振控制装置及偏振控制方法，该偏振控制装置包括沿光路共光轴依次设置的偏振调制单元和非线性介质晶体；先通过偏振调制单元将入射光调制为预设偏振方向的线偏振光；然后通过非线性介质晶体在外场的作用下调控线偏振光的折射率差值，以输出所需偏振态的标量光束。本发明实施例能够实现对标量光束任意偏振分布的实时生成，包括线偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光，装置结构简单高效，具备对标量光束的偏振态实时调整控制的能力，实现光束偏振态的高稳定性和高质量的输出。
21.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明实施例提供的一种偏振控制装置的结构示意图；
24.图2是本发明实施例提供的一种偏振片的结构示意图；
25.图3是本发明实施例提供的一种偏振控制方法的流程示意图。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
27.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或
描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
28.图1是本发明实施例提供的一种偏振控制装置的结构示意图，参考图1，该偏振控制装置包括沿光路共光轴依次设置的偏振调制单元11和非线性介质晶体12。偏振调制单元11用于将入射光调制为预设偏振方向的线偏振光。非线性介质晶体12用于在外场的作用下调控线偏振光的折射率差值，以输出所需偏振态的标量光束。
29.其中，入射光沿着偏振控制装置中光路的传播方向，先经过偏振调制单元11，再经过非线性介质晶体12，偏振调制单元11和非线性介质晶体12的光轴均位于同一条直线上，两者是共光轴的关系，这种结构易于调整光学元件。偏振调制单元11可以将输入的光束转变为固定方向振荡的线偏振光，非线性介质晶体12可以对入射到晶体内的偏振光进行有关折射率差值的调控，偏振调制单元11与非线性介质晶体12相配合，可以实现所需偏振态的标量光束的输出。
30.参考图1，光轴的方向为z轴方向，平面的竖直方向为y轴方向，x轴的方向为垂直纸面向外。
31.本发明实施例提供了一种偏振控制装置，通过偏振调制单元11对光束的偏振态进行调整，配合非线性介质晶体12在外场的作用下，对晶体内部不同偏振方向传播光束的相位差值进行调整，实现对标量光束任意偏振分布的实时生成，包括线偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光，装置结构简单高效，具备对标量光束的偏振态实时调整控制的能力，实现光束偏振态的高稳定性和高质量的输出。
32.可选地，偏振调制单元11包括线偏振片和旋转单元，旋转单元用于带动线偏振片绕光轴旋转。
33.其中，线偏振片可以使入射的光束变成线偏振光，当线偏振片的位置固定，入射的光束经过线偏振片将得到固定角度的线偏振光，图2是本发明实施例提供的一种偏振片的结构示意图，参考图2，线偏振片处于一个固定位置，经过线偏振片产生线偏振光的方向111为与x轴正方向夹角为45
°
且与y轴正方向夹角为45
°
的直线方向。在具体实施时，通过旋转单元带动线偏振片绕光轴旋转，可以给非线性介质晶体12提供预设偏振态的线偏振光。
34.可选地，所需旋转单元旋转的角度精度可调节。
35.其中，线偏振片放置在旋转单元上，旋转单元可以带动线偏振片绕光轴旋转，旋转单元旋转的角度精度可调节，线偏振片旋转的角度范围为0
°
～360
°
，旋转单元对于其中任意一个角度都可以精确地完成调节。示例性地，继续参考图2，旋转单元根据所需偏振态的标量光束的输出要求，将线偏振片与光轴之间的夹角度数精确旋转到45
°
。旋转单元可以根据所需偏振态的标量光束的输出要求，进行调节至合适的线偏振片的角度。
36.可选地，外场包括电场、磁场、应力场或温度场的至少一种。
37.其中，各种外场，如电场、磁场、应力场和温度场等，都会对非线性介质晶体12的光学性质产生影响，发生一些交互效应，例如，电光效应、磁光效应、压电效应、弹光(或称压光)效应、热光效应等。
38.在某一实施例中，可选地，外场包括电场，非线性介质晶体12包括电光晶体。
39.其中，非线性介质晶体12的电光效应产生的原因是光在介质中传播时，由电场引起的介质的非线性极化，非线性介质晶体12的折射率随着外加电场的变化而发生变化。电光晶体具有电光系数大，折射率大，光学均匀性好，透光率高，介质损耗小，耐电压强度高和抗光损伤能力强等良好的性能，在偏振控制技术中可以得到更好的调控效果。
40.可选地，电光晶体包括铌酸锂型晶体，铌酸锂型晶体包括相对且平行设置的第一表面和第二表面，第一表面设置有第一电极，第二表面设置有第二电极。
41.其中，铌酸锂型晶体可以用于非线性应用，可以用于电光效应场合，具有很好的非线性、电光和压电性能。铌酸锂型晶体为六面体结构，在铌酸锂型晶体的相对应的呈平行关系的两个表面上分别加镀电极，对镀有电极面的铌酸锂型晶体施加电压，使得两个电极之间形成电场。
42.可选地，铌酸锂型晶体的晶体光轴与入射光的方向垂直，第一表面的法线方向与晶体光轴平行。
43.其中，铌酸锂型晶体的晶体光轴与入射光的方向垂直，相互平行的第一表面和第二表面上分别镀有电极，且第一表面的法线方向与晶体光轴平行。在外加电场的作用下，铌酸锂型晶体可以改变晶体内部不同偏振方向的折射率差值，从而改变晶体内部不同偏振方向传输光的相位差值，进一步地，在铌酸锂型电光晶体的输出面可以输出所需要的偏振态。
44.可选地，入射光包括自然光，所需偏振态包括线偏振态、圆偏振态或椭圆偏振态。
45.其中，自然光是指光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同的特点。偏振光是指光矢量的振动方向不变，或具有某种规律的变化。按照性质区分，偏振光又可以分为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光。如果光波电矢量的振动方向只局限在一个平面内，电矢量的末端轨迹在传播过程中为一直线，则称为线偏振光；如果光波电矢量随着时间作有规律的变化，电矢量的末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形，则称为圆偏振光或椭圆偏振光。
46.图3是本发明实施例提供的一种偏振控制方法的流程示意图，该方法可以基于上述任一实施例的偏振控制装置来实现。参考图3，偏振控制方法包括如下步骤：
47.s110、调节偏振调制单元，使入射光经过偏振调制单元透射为预设偏振方向的线偏振光。
48.具体实施时，偏振调制单元可以包括线偏振片和旋转单元，线偏振片放置在旋转单元上，旋转单元可以带动线偏振片绕光轴旋转，旋转单元旋转的角度精度可调节，可以将输入的光束转变为固定方向振荡的线偏振光，通过调节旋转单元的旋转角度，带动线偏振片的旋转，进而获得所需要的偏振态的标量光束。
49.可选地，入射光包括自然光，所需偏振态包括线偏振态、圆偏振态或椭圆偏振态。
50.其中，自然光是指光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同的特点。偏振光是指光矢量的振动方向不变，或具有某种规律的变化。按照性质区分，偏振光又可以分为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光。如果光波电矢量的振动方向只局限在一个平面内，电矢量的末端轨迹在传播过程中为一直线，则称为线偏振光；如果光波电矢量随着时间作有规律的变化，电矢量的末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形，则称为圆偏振光或椭圆偏振光。
51.s120、调制非线性介质晶体所处的外场，以调控线偏振光的折射率差值，输出所需
偏振态的标量光束。
52.其中，外场可以为电场、磁场、应力场和温度场等的至少一种，在某一实施例中，非线性介质晶体包括电光晶体，电光晶体包括铌酸锂型晶体。铌酸锂型晶体的光轴方向垂直于入射光的方向，镀有电极的两个表面相互平行且平行于晶体光轴的方向。对镀有电极面的铌酸锂型晶体施加电压，在外加电场的作用下，铌酸锂型晶体可以改变晶体内部不同偏振方向的折射率差值，从而改变晶体内部不同偏振方向传输光的相位差值。进一步地，偏振调控单元与非线性介质晶体相配合，可以实现在铌酸锂型电光晶体的输出面输出所需要的偏振态。
53.本发明实施例提供了一种偏振控制方法，先调节偏振调制单元，使入射光经过偏振调制单元透射为预设偏振方向的线偏振光，再调制非线性介质晶体所处的外场，以调控线偏振光的折射率差值，输出所需偏振态的标量光束。本发明实施例可以实现标量光束任意偏振态的生成，可以实现对光束偏振态的实时生成和控制，具备实时控制的能力，可以实现光束偏振态的高稳定性和高质量的输出，并且，本发明采用的均为通用电学元件，不需要使用特殊设计和加工的器件，因此具有成本低、结构简单高效及实用性强的特点。
54.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

技术特征：

1.一种偏振控制装置，其特征在于，包括沿光路共光轴依次设置的偏振调制单元和非线性介质晶体；所述偏振调制单元用于将入射光调制为预设偏振方向的线偏振光；所述非线性介质晶体用于在外场的作用下调控所述线偏振光的折射率差值，以输出所需偏振态的标量光束。2.根据权利要求1所述的偏振控制装置，其特征在于，所述偏振调制单元包括线偏振片和旋转单元，所述旋转单元用于带动所述线偏振片绕所述光轴旋转。3.根据权利要求2所述的偏振控制装置，其特征在于，所需旋转单元旋转的角度精度可调节。4.根据权利要求1所述的偏振控制装置，其特征在于，所述外场包括电场、磁场、应力场或温度场的至少一种。5.根据权利要求4所述的偏振控制装置，其特征在于，所述外场包括电场，所述非线性介质晶体包括电光晶体。6.根据权利要求5所述的偏振控制装置，其特征在于，所述电光晶体包括铌酸锂型晶体，所述铌酸锂型晶体包括相对且平行设置的第一表面和第二表面，所述第一表面设置有第一电极，所述第二表面设置有第二电极。7.根据权利要求6所述的偏振控制装置，其特征在于，所述铌酸锂型晶体的晶体光轴与所述入射光的方向垂直，所述第一表面的法线方向与所述晶体光轴平行。8.根据权利要求1所述的偏振控制装置，其特征在于，所述入射光包括自然光，所述所需偏振态包括线偏振态、圆偏振态或椭圆偏振态。9.一种偏振控制方法，其特征在于，适用于权利要求1～8任一所述的偏振控制装置，所述偏振控制方法包括：调节偏振调制单元，使入射光经过所述偏振调制单元透射为预设偏振方向的线偏振光；调制非线性介质晶体所处的外场，以调控所述线偏振光的折射率差值，输出所需偏振态的标量光束。10.根据权利要求9所述的偏振控制方法，其特征在于，所述入射光包括自然光，所述所需偏振态包括线偏振态、圆偏振态或椭圆偏振态。

技术总结

本发明实施例公开了一种偏振控制装置及偏振控制方法，该偏振控制装置包括：沿光路共光轴依次设置的偏振调制单元和非线性介质晶体；偏振调制单元用于将入射光调制为预设偏振方向的线偏振光；非线性介质晶体用于在外场的作用下调控线偏振光的折射率差值，以输出所需偏振态的标量光束。本发明实施例能够实现对标量光束任意偏振分布的实时生成，包括线偏振光，圆偏振光和椭圆偏振光，装置结构简单高效，具备对标量光束的偏振态实时调整控制的能力，实现光束偏振态的高稳定性和高质量的输出。实现光束偏振态的高稳定性和高质量的输出。实现光束偏振态的高稳定性和高质量的输出。