緊湊型矢量光場發(fā)生器中4f系統(tǒng)的對(duì)齊方法

王 悅，劉元正，華昕怡，楊博雯，陳世杰，陳 建

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

矢量光場的偏振態(tài)是隨著空間變化而呈規(guī)律性改變，即在光場截面上會(huì)出現(xiàn)多種偏振態(tài)[1-4]。目前，復(fù)雜矢量光場在光學(xué)微操縱技術(shù)[5-7]、焦場工程[8-10]、光學(xué)通信[11-12]、量子信息處理[13]、激光加工技術(shù)[14-14]和遙感技術(shù)[15]等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

基于高分辨率液晶空間光調(diào)制器的緊湊型矢量光場發(fā)生器，包含了兩個(gè)4f系統(tǒng)：一個(gè)反射式4f系統(tǒng)將光束傳輸?shù)揭壕Э臻g光調(diào)制器的對(duì)應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行調(diào)控，另一個(gè)透射式4f系統(tǒng)將最后的輸出光場傳輸至CCD上進(jìn)行圖像的觀察和采集。

為了使獲得的輸出光場盡可能的清晰銳利，并且能夠產(chǎn)生理想的輸出光場，首先需要對(duì)4f系統(tǒng)進(jìn)行縱向?qū)R。本文設(shè)計(jì)了特定相位圖并通過CCD上圖像的銳利程度來判定4f系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)了縱向?qū)R。為了精確地獲得所需的復(fù)雜光場，入射光束必須照射在液晶空間光調(diào)制器上每塊相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，然而入射光束照射在液晶空間光調(diào)制器上時(shí)，會(huì)存在無法避免的位移，這將導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)生的光束與預(yù)期的復(fù)雜光束分離。由于緊湊型矢量光場發(fā)生器無法通過調(diào)整每個(gè)光斑的位置來實(shí)現(xiàn)4f系統(tǒng)的橫向?qū)R，本文將采取調(diào)整四象限相位圖的位置來進(jìn)行橫向?qū)R兩個(gè)4f系統(tǒng)。

1 緊湊型矢量光場發(fā)生器中的4f系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 緊湊型矢量光場發(fā)生器

緊湊型矢量光場發(fā)生器實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由2個(gè)4f系統(tǒng)、分束器模塊、CCD以及空間光調(diào)制器組成。其中透鏡1和反射鏡1組成1個(gè)反射式4f系統(tǒng)，透鏡2和透鏡3組成1個(gè)透射式4f系統(tǒng)。

圖1 緊湊型矢量光場發(fā)生器實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Compact vector optical field generator

分束器模塊如圖2所示，由直角棱鏡、1/2波片、1/4波片、偏振分束器、非偏振分束器等組成。

圖2 分束器模塊示意圖Fig.2 Diagram of beam splitter module

入射光束首先由非偏振分束器1引導(dǎo)到空間光調(diào)制器上進(jìn)行相位調(diào)制。隨后，反射光束通過反射式4f系統(tǒng)中繼到非偏振分束器2后面的空間光調(diào)制器的第2部分。由于空間光調(diào)制器是進(jìn)行相位調(diào)制的部件，所以通過偏振旋轉(zhuǎn)器、偏振分束器和1/2波片的組合來實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制。偏振旋轉(zhuǎn)器由1/4波片和空間光調(diào)制器的第二部分組成，更多細(xì)節(jié)可以參考文獻(xiàn)[16]。由空間光調(diào)制器第2部分發(fā)出的調(diào)制光束將由非偏振分束器2引向偏振分束器，從偏振分束器反射的光束被垂直極化。隨后，1/2波片將光束偏振方向改變?yōu)樗椒较?，接著光束由同樣的反射?f系統(tǒng)中繼到非偏振分束器3后面的空間光調(diào)制器的第3部分進(jìn)行偏振比調(diào)制。1/4波片和空間光調(diào)制器第3部分構(gòu)成另一個(gè)偏振旋轉(zhuǎn)器。為了將空間光調(diào)制器第3部分的光束通過同樣的反射式4f系統(tǒng)中繼到第4部分，引入了直角棱鏡，使來自空間光調(diào)制器第3部分的調(diào)制光束在空間上進(jìn)行轉(zhuǎn)向。從空間光調(diào)制器第3部分發(fā)出的調(diào)制光束，經(jīng)非偏振分束器3引向直角棱鏡，然后再由非偏振分束器4分束，其中一部分光經(jīng)空間光調(diào)制器第4部分后進(jìn)行橢偏率調(diào)制。此時(shí)圖2的分束器模塊完成了矢量光場中4個(gè)自由度的調(diào)制，圖中帶圓圈的編號(hào)顯示了分束器模塊上相應(yīng)調(diào)制光束的位置。最后，產(chǎn)生的復(fù)雜光場將通過透射式4f系統(tǒng)在CCD上被觀察到。為了正確地產(chǎn)生任意的復(fù)雜的矢量光束，必須將衍射效應(yīng)降到最低，以保持光束相位、振幅和偏振的高頻信息，這一點(diǎn)可以通過對(duì)齊上述的兩個(gè)4f系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

1.2 4f系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4f系統(tǒng)在對(duì)光束進(jìn)行空間傳播時(shí)，可以對(duì)光束進(jìn)行光信息的頻譜分析或者頻域的處理。通過在兩個(gè)透鏡之間重疊的焦平面上引入濾波器，阻止不需要的頻率通過，或者在目標(biāo)的頻率上引入額外的相位信息，就可以按照實(shí)際需要提取信息，從而改變像的結(jié)構(gòu)，獲得特定的輸出光束或圖像。本文緊湊型矢量光場發(fā)生器包含兩個(gè)4f系統(tǒng)：一個(gè)是透射式4f系統(tǒng)，如圖3（a）所示，透射式4f系統(tǒng)由兩個(gè)透鏡組成，其中透鏡1，透鏡2的焦距均為20 cm；另一個(gè)是反射式4f系統(tǒng)，如圖3（b）所示，由一個(gè)焦距為10 cm的透鏡和一個(gè)反射鏡組成。

圖3 4f系統(tǒng)Fig.3 4f systems

2 4f系統(tǒng)的縱向?qū)R

首先，使用剪切干涉儀來確定4f系統(tǒng)中兩透鏡的間距是否為2f或透鏡到反射鏡的距離為f，當(dāng)觀察到剪切干涉儀上出現(xiàn)最大干涉條紋時(shí)，就可以大致確定兩者之間的距離[17]。然后，再使物面與透鏡之間的距離、像面與透鏡之間的距離為f，理論上4f系統(tǒng)的縱向?qū)R就完成了。但是由于光程差和實(shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致了4f系統(tǒng)透鏡之間的距離或者透鏡到反射鏡之間的距離不再是理想距離，所以需要對(duì)這兩個(gè)4f系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)。基于光場不發(fā)生畸變的原則，設(shè)計(jì)了特定的對(duì)齊圖案，圖案由3對(duì)水平和垂直的交叉線組成（線寬為100 μm），通過CCD對(duì)最后的輸出光場進(jìn)行采集[18-19]。

在4個(gè)調(diào)制部分中，只有橢偏率調(diào)制部分是經(jīng)過透射式4f系統(tǒng)，在透射式4f系統(tǒng)縱向?qū)R時(shí)不會(huì)對(duì)反射式4f系統(tǒng)產(chǎn)生影響，所以先進(jìn)行對(duì)橢偏率調(diào)制區(qū)域的縱向?qū)R。在空間光調(diào)制器的橢偏率調(diào)制區(qū)域上加載對(duì)應(yīng)的縱向?qū)R相位圖，將線條上區(qū)域的相位設(shè)置為π/4，線條外區(qū)域的光場的相位值設(shè)置為?π/4。將一個(gè)圓檢偏器放置在CCD前，并設(shè)置相位值為π/4的光束可以透過圓檢偏器?？v向?qū)R前CCD上采集的圖像邊界較為模糊，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的千分尺調(diào)整圖1中透鏡3到CCD、透鏡3到透鏡2的距離來進(jìn)行4f系統(tǒng)的縱向?qū)R，縱向?qū)R后，獲得的圖像與設(shè)計(jì)相同且線條的邊界清晰可見，如圖4所示。

圖4 橢偏率調(diào)制區(qū)域的縱向?qū)RFig.4 Longitudinal alignment of the polarization retardation modulated region

對(duì)于反射式4f系統(tǒng)的縱向?qū)R，由于相位調(diào)制、振幅調(diào)制和偏振比調(diào)制都會(huì)經(jīng)過反射式4f系統(tǒng)，所以要對(duì)3個(gè)調(diào)制區(qū)域分別縱向?qū)R。

首先，對(duì)偏振比調(diào)制區(qū)域進(jìn)行縱向?qū)R。將線條區(qū)域的線性偏振方向設(shè)置為90°，線條外線性偏振方向設(shè)置為0°，并將一個(gè)通光軸為90°的檢偏器放置在CCD前，則只有線條上的光可以通過。在縱向?qū)R前圖像上的線條邊緣較為模糊，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的千分尺調(diào)整透鏡和反射鏡的位置來進(jìn)行縱向?qū)R，在縱向?qū)R后線條邊緣銳利清晰，如圖5（a）所示。

然后，對(duì)振幅調(diào)制區(qū)域進(jìn)行縱向?qū)R，線條上的光強(qiáng)最大，振幅調(diào)制區(qū)域線條外的光強(qiáng)為0。同理，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的千分尺調(diào)整圖1中反射式4f系統(tǒng)中透鏡1和反射鏡1的位置來進(jìn)行縱向?qū)R，縱向?qū)R后可以直接由CCD觀測(cè)到圖像清晰且線條邊緣處銳利，如圖5（b）所示。

圖5 反射式4f系統(tǒng)的縱向?qū)RFig.5 Longitudinal alignment of the reflective 4f system

最后，對(duì)相位調(diào)制區(qū)域進(jìn)行縱向?qū)R時(shí)，其中設(shè)置線條區(qū)域的相位為0，線外區(qū)域相位為π。由于在線條的邊緣處出現(xiàn)了相位突變，因此在線條的邊緣處會(huì)看到暗條紋，在縱向?qū)R后圖像上的暗條紋清晰明顯，如圖5（c）所示。

由圖4與圖5可以看出，在經(jīng)過4f系統(tǒng)的縱向?qū)R后，設(shè)計(jì)的條紋與CCD采集到的圖像相同并且條紋清晰可見，光場在CCD上成像清晰銳利，成功抑制了光場的衍射效應(yīng)。

3 4f系統(tǒng)的橫向?qū)R

由于對(duì)空間光調(diào)制器進(jìn)行復(fù)用，在完成兩個(gè)4f系統(tǒng)的縱向?qū)R后，不可避免地在4個(gè)光場調(diào)控區(qū)域的橫向坐標(biāo)會(huì)發(fā)生偏差，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的光場與預(yù)期的光場之間有較大的誤差。為保證光場的正確調(diào)控，可以在生成相位圖時(shí)就對(duì)這些偏差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)4f系統(tǒng)的橫向?qū)R。

首先以相位調(diào)制區(qū)域作為對(duì)齊標(biāo)準(zhǔn)，如圖6（a）所示，將四象限圖設(shè)定在空間光調(diào)制器的相位調(diào)制區(qū)域，其中斜對(duì)角線的相位差為π，兩種區(qū)域呈現(xiàn)一個(gè)十字交叉的狀態(tài)。由于發(fā)生了相位突變，在橫向?qū)R時(shí)CCD采集到的圖像上會(huì)出現(xiàn)明顯的暗條紋，通過測(cè)量誤差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，并將暗條紋移動(dòng)至圖像中心。對(duì)齊后，十字形暗條紋正好處于光斑的中心，構(gòu)成如圖6（a）十字暗條紋，此時(shí)就完成了相位調(diào)制區(qū)域的橫向?qū)R。

在進(jìn)行對(duì)振幅調(diào)制區(qū)域的橫向?qū)R時(shí)，基于相位調(diào)制的橫向?qū)R，將四象限圖設(shè)定在空間光調(diào)制器的振幅調(diào)制區(qū)域，其中亮光斑處光束全部通過，其余光強(qiáng)抑制為0。此時(shí)若未橫向?qū)R，相位調(diào)制產(chǎn)生的暗條紋坐標(biāo)軸和振幅調(diào)制的區(qū)域坐標(biāo)軸不重合，在對(duì)角線的圖像上會(huì)有暗條紋出現(xiàn)，通過測(cè)量兩坐標(biāo)中心水平和垂直方向的誤差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，在完成橫向?qū)R后，兩坐標(biāo)軸重合，CCD的圖像上就觀測(cè)不到暗條紋，橫向?qū)R后的圖像如圖6（b）所示。

在對(duì)偏振比調(diào)制區(qū)域進(jìn)行的橫向?qū)R時(shí)，保持對(duì)相位的調(diào)制，將四象限圖設(shè)定在空間光調(diào)制器的振幅調(diào)制區(qū)域。將光斑暗處的光線性偏振方向設(shè)定為0°，亮光斑處的光線性偏振方向設(shè)定為90°，并在CCD前放置一個(gè)通光軸為90°的檢偏器。這時(shí)CCD上僅會(huì)觀測(cè)到線性偏振為90°時(shí)的圖像，對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，完成橫向?qū)R后圖像如圖6（c）。此時(shí)采集到的光斑圖像近乎中心對(duì)稱。

最后，在進(jìn)行對(duì)橢偏率調(diào)制區(qū)域的橫向?qū)R時(shí)，依然保持對(duì)相位的調(diào)制，將四象限圖設(shè)定在空間光調(diào)制器的橢偏率調(diào)制區(qū)域。將亮光斑光線設(shè)定為右旋光，光斑暗處的光線設(shè)定為左旋光，在CCD前放置一個(gè)圓檢偏器，圓檢偏器設(shè)置為只讓右旋圓偏光通過。在位移誤差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償后，CCD上得到的圖像為十字型暗條紋，如圖6（d）所示，從圖中可以清楚地看到，只有右旋光可以被觀察到。

圖6 4f系統(tǒng)的橫向?qū)RFig.6 Horizontal alignment of 4f systems

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完成縱向?qū)R與橫向?qū)R之后，為了直觀地顯示橫向?qū)R與縱向?qū)R的效果，在振幅調(diào)制區(qū)域生成一個(gè)數(shù)字9的圖案，如圖7所示。其中，圖7（a）是要加載到振幅調(diào)制區(qū)域的相位圖，圖7（b）是未進(jìn)行橫向?qū)R以及縱向?qū)R時(shí)的矢量光場發(fā)生器生成的光場，圖7（c）是完成對(duì)齊之后的矢量光場。從后兩幅圖的對(duì)比中可以看出，未對(duì)齊時(shí)的數(shù)字9模糊不清，對(duì)齊完成后數(shù)字9清晰銳利。在實(shí)驗(yàn)誤差范圍之內(nèi)有微弱的光斑，這可能是由空間光調(diào)制的衍射造成的。由此可見，4f系統(tǒng)的對(duì)齊是緊湊型矢量光場發(fā)生器能夠產(chǎn)生理想的輸出光場的重要前提。

圖7 4f系統(tǒng)對(duì)齊前后輸出光斑結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of output beam with and withou t alignment of the 4f system

在完成了反射式4f系統(tǒng)與透射式4f系統(tǒng)的縱向?qū)R與橫向?qū)R之后，緊湊型矢量光場空間光調(diào)制器上4個(gè)調(diào)制光束的位置如圖8所示。

圖8 調(diào)制光束在液晶空間光調(diào)制器的位置Fig.8 The position of the modulated beam in the liquid crystal spatial light modulator

5 結(jié) 論

本文演示和說明了在緊湊型矢量光場發(fā)生器中如何對(duì)4f系統(tǒng)進(jìn)行縱向和橫向的精確對(duì)齊。介紹了緊湊型矢量光場發(fā)生器以及采用的分束器組合裝置和其中的光路，描述了如何通過相位圖對(duì)系統(tǒng)中的透射式4f系統(tǒng)和反射式4f系統(tǒng)進(jìn)行縱向?qū)R，以確保生成光場的清晰程度，減小了光場的衍射效應(yīng)。驗(yàn)證了4個(gè)光場調(diào)制區(qū)域的位移誤差對(duì)光場產(chǎn)生的影響，并以相位調(diào)控區(qū)域作為標(biāo)準(zhǔn)，通過四象限圖來進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的橫向?qū)R。4f系統(tǒng)的縱向?qū)R和橫向?qū)R極大提高了矢量光場發(fā)生器生成的光場質(zhì)量，減小了由系統(tǒng)未對(duì)齊造成的光場偏差，是搭建矢量光場發(fā)生器和生成復(fù)雜矢量光場的必要過程。本文提出的用四象限圖對(duì)齊方法與傳統(tǒng)的手動(dòng)對(duì)齊方法相比，既節(jié)省時(shí)間，又更加方便直接。同時(shí)，此方法也可以為其他包含空間光調(diào)制器的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)齊提供參考。