本发明涉及光学教学实验仪器设备技术领域，尤其涉及一种光场产生装置。
背景技术：
近年来，关于矢量光场的调控越来越受到学者的重视，调控矢量光场的概念是相对于标量光场提出的。通常研究的如线偏振、圆偏振和椭圆偏振等光场都属于标量光场，它们的偏振态在空间均匀分布，即波前任意位置具有相同的偏振态。但矢量光场则不同，其偏振态分布是空间变化的，它是在同一时刻同一波阵面上不同位置具有不同偏振态的光场，也被称为偏振态非均匀分布的光场。这种特殊的性质导致矢量光场在许多科学领域都有着重要的学术价值和潜在应用。矢量光场最基本的例子是径向偏振光和旋向偏振光。这两种偏振光的波阵面上任意一点的偏振态都是线偏振，但是在不同位置线偏振的倾斜方向不同。径向偏振光波阵面上任意一点的电矢量振动都沿着极坐标系的矢径方向，而旋向偏振光在同一时刻同一波阵面上任意一点的电矢量振动都沿着切向，即极坐标系中方位角的方向。径向和旋向偏振光的局域偏振态是线偏振的，所以我们仍然可以通过偏振片来检测它们的性质。调制偏振光的方法多样，其中大多数都操作繁琐，装置复杂，成本居高，这给研究者带来极大不便。
技术实现要素：
本发明的目的是为了提供一种光场产生装置，该光场产生装置可以不需要空间光调制器，且能够产生矢量光束。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种光场产生装置，包括沿光传输方向依次设置的激光器、扩束准直组件、滤波片、第一偏振片、二元光学光栅玻片、第二偏振片和ccd相机，其中，所述二元光学光栅玻片上刻蚀有若干条纹，所述条纹图案的中心部分呈交叉状。
进一步地，所述条纹的宽度与相邻两所述条纹之间的间距相等。
进一步地，所述条纹的深度＝λ/(2n-2),其中λ是所述激光的波长，n是该二元光学光栅玻片的折射率。
进一步地，所述若干条纹中长度最常的第一条纹的长度是与其相邻的第二条纹组的长度的二倍。
进一步地，所述第二条纹组包括n条条纹,n大于等于1。
优选地，所述第二条纹组包括1-3条条纹。
进一步地，所述呈交叉状条纹的交叉位置为所述第一条纹长度的二分之一位置处或/和所述第二条纹组的远离所述玻片边缘的一端。
进一步地，所述二元光学光栅玻片上刻蚀有若干条纹所构成的形状呈圆形。
进一步地，光场产生装置还包括4f光学组件，所述4f光学组件包括依次设置的间距为f的第一透镜、90度胶合的λ/4玻片、第二透镜以及光栅。
有益效果：
本发明通过用刻有特定间距条纹的新型结构玻片作为二元光学栅玻片，且该二元光学栅玻片设置于沿光传输方向的第一偏振片和第二偏振片之间，使得本发明的光场产生装置能够产生更为复杂的结构光场，为结构光场提供了一种新的光场形态；且本发明不需要空间光调制器，同时本发明的光场产生装置作为教学实验仪器，操作简单，易于学生掌握，成本低，为高校购置相关光学实验仪器设备节省了大量开支。
附图说明
图1为本发明所述的拓扑荷n为1，初相位为0时二元光学光栅玻片示意图；
图2为本发明所述的拓扑荷n为1，初相位为π/2时二元光学光栅玻片示意图；
图3为本发明所述的拓扑荷n为2，初相位为0时二元光学光栅玻片示意图；
图4为本发明所述的拓扑荷n为2，初相位为π/2时二元光学光栅玻片示意图；
图5为本发明所述的拓扑荷n为3，初相位为0时二元光学光栅玻片示意图；
图6为本发明所述的拓扑荷n为3，初相位为π/2时二元光学光栅玻片示意图；
图7为本发明所述的光场产生装置的一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
一种光场产生装置，如图7所示，包括沿光传输方向依次设置的激光器1、扩束准直组件17、滤波片4、第一偏振片5、二元光学光栅玻片6、第二偏振片11和ccd相机12，其中，二元光学光栅玻片6上刻蚀有若干条纹，条纹图案的中心部分呈交叉状。
具体地，激光器1是用于产生激光，优选的是，选用发射光波长为633nm的he-ne激光器1。扩束准直组件17用于对激光器1产生的激光依次进行扩束与准直处理，优选的是，扩束准直组件17包括依次设置用于扩束与准直的第三透镜2和第四透镜3。准直后的激光通过滤波片4的过滤获得出射光均匀的光斑，该光斑经过第一偏振片5的偏振，输出质量较好的线偏振光束至二元光学光栅玻片6进行调制处理到的第二偏振片11进行偏振到达ccd相机12，获得与二元光学光栅玻片6条纹形状匹配的目标光束在ccd相机12产生目标形状的成像。
本发明，利用二元光学原理，采用特定间距条纹形状的玻片替代空间光调制器，可以产生复杂的结构光场，为结构光场的产生提供了一种新的方法和途径；同时本发明的光场产生装置作为教学实验仪器，操作简单，易于学生掌握，成本低，为高校购置相关光学实验仪器设备节省了大量开支。
进一步地，二元光学光栅玻片6相邻两条纹之间的距离与条纹的的宽度相等。
更进一步地，本实施例的二元光学光栅玻片6材质为jgs1融石英材质。
所述条纹的深度＝λ/(2n-2),其中λ是所述激光的波长，n是jgs1融石英材质的折射率。
具体地，本实施例中，以波长λ＝633nm的激光为例：
二元光学光栅玻片6玻片刻蚀条纹深度为h＝693nm±30nm；二元光学光栅玻片6玻片条纹宽度均为49.3856um，条纹与条纹间距宽度为49.3856um。
具体地，本实施例中，二元光学光栅玻片6尺寸为20mm*20mm*3mm；二元光学光栅玻片6刻蚀的条纹图案位于玻片中央；玻片的条纹图案尺寸为19.952mm*20mm(长*宽)，且条纹图案尽量满布玻片。
正弦光栅10可与二元光学光栅等价，如图1和2所示，分别为拓扑荷n为1时，初相位为0、π/2时的二元光学光栅玻片6示意图，从图中可以看出，二元光学光栅玻片6上刻蚀有若干条纹，所构成的形状呈圆形；若干条纹中长度最常的第一条纹的长度是与其相邻的第二条纹组的长度的二倍，且第二条纹组的条纹数为一个；图1中最长的一个第一条纹与第二条纹组交叉，交叉位置为第一条纹长度的二分之一位置处。
如图3和4所示，分别为拓扑荷n为2时，初相位为0、π/2时的二元光学光栅玻片6示意图，从图中可以看出，二元光学光栅玻片6上刻蚀有若干条纹，所构成的形状呈圆形；若干条纹中长度最常的第一条纹的长度是与其相邻的第二条纹组的长度的二倍，且第二条纹组的条纹数为二个；图3中第二条纹组的两个条纹交叉，交叉位置为第二条纹组的远离玻片边缘的一端；图4中最长第一条纹与的第二条纹组的两个条纹交叉，交叉位置为第二条纹组的远离玻片边缘的一端和第一条纹长度的二分之一位置处。
如图5和6所示，分别为拓扑荷n为3时，初相位为0、π/2时的二元光学光栅玻片6示意图，从图中可以看出，二元光学光栅玻片6上刻蚀有若干条纹，所构成的形状呈圆形；若干条纹中长度最常的第一条纹的长度是与其相邻的第二条纹组的长度的二倍，且第二条纹组的条纹数为三个；图5中第二条纹组的三个条纹交叉且与最长的第一条纹交叉，交叉位置为第二条纹组的远离玻片边缘的一端和第一条纹长度的二分之一位置处，交叉位置为第二条纹组的远离玻片边缘的一端；图6中第二条纹组的一条条纹与最长的第一条纹交叉，交叉位置为第一条纹长度的二分之一位置处。
本实施例中，二元光学光栅玻片6制作过程：首先用matlab模拟特定间距和条纹的正弦光栅，通过matlab程序将正弦光栅图转化为二元光学光栅图，再将二元光学光栅图转换为可以用于工业加工的矢量图，再利用其制成光栅所需的掩模版，最后将掩模版附着在光刻机上，以及对jgs1融石英进行清洗、涂胶、光刻、刻蚀等过程制作出二元光学光栅玻片6。
本实施例中的光场产生装置，采用二元光学光栅玻片6上刻蚀有特定间距的交叉状条纹，可以在ccd相机12上得到涡旋偏振光束。
作为另一实施例，光场产生装置还包括4f光学组件19，4f光学组件19包括依次设置的间距为f的第一透镜7、胶合90度的λ/4玻片8、第二透镜9以及光栅10。4f光学组件19设置于二元光学光栅玻片6与第二偏振片11之间，其中，二元光学光栅玻片6与4f光学组件19的第一透镜7之间的距离为f，第一透镜7与14胶合90度的玻片8之间的距离为f、14胶合90度的玻片8与第二透镜9之间的距离为f。本实施例的光场产生装置，经过，二元光学光栅玻片6调制后的光，入射至4f光学组件19并经处理、第二偏振片11进行偏振到达ccd相机12，可以在ccd相机上得到不同拓扑核的矢量光束。
作为上述实施方式的进一步优选，用于矢量光学教学的实验装置，还包括高度调节组件，其包括支柱14、调节杆16、旋钮15。具体地，支柱14包括位于激光器1、扩束准直组件17、滤波片4、第一偏振片5、二元光学光栅玻片6、4f光学组件19、第二偏振片11以及ccd相机12下方的若干个；调节杆16连接到支柱14上方；旋钮15位于支柱14上；旋钮15与调节杆16转动连接。转动旋钮15，可以驱动调节杆16沿竖直方向在支柱14上滑动，从而实现高度调节组件对上述各组件的高度调整。
这里需要说明的是，激光器1、扩束准直组件17、滤波片4、第一偏振片5、二元光学光栅玻片6、4f光学组件19、第二偏振片11以及ccd相机12通过高度调节组件进行高度调整时，应满足这些器件的光路在同一水平线上。
作为上述实施方式的进一步优选，用于矢量光学教学的实验装置，还包括滑动组件，其包括滑块13和水平设置的导轨18。滑块13包括对应固定连接到支柱14下方的若干个。滑块13滑动连接到导轨18上，带动高度调节组件上的各个器件整体移动，相较于普通光学平台，实现各器件之间能够在同一平面内灵活连续可调节间距，以保证满足后续光束在ccd相机12上的正常成像。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
技术特征：
1.一种光场产生装置，其特征在于，包括沿光传输方向依次设置的激光器(1)、扩束准直组件(17)、滤波片(4)、第一偏振片(5)、二元光学光栅玻片(6)、第二偏振片(11)和ccd相机(12)，其中，所述二元光学光栅玻片(6)上刻蚀有若干条纹，所述条纹图案的中心部分呈交叉状。
2.根据权利要求1所述的光场产生装置，其特征在于，所述条纹的宽度与相邻两所述条纹之间的间距相等。
3.根据权利要求2所述的光场产生装置，其特征在于，所述条纹的深度＝λ/(2n-2),其中λ是所述激光的波长，n是所述二元光学光栅玻片(6)的折射率。
4.根据权利要求1所述的光场产生装置，其特征在于，所述若干条纹中长度最长的第一条纹的长度是与其相邻的第二条纹组的长度的二倍。
5.根据权利要求4所述的光场产生装置，其特征在于，所述第二条纹组包括n条条纹,n大于等于1。
6.根据权利要求4所述的光场产生装置，其特征在于，所述呈交叉状条纹的交叉位置为所述第一条纹长度的二分之一位置处或/和所述第二条纹组的远离所述玻片边缘的一端。
7.根据权利要求1所述的光场产生装置，其特征在于，所述二元光学光栅玻片(6)上刻蚀有若干条纹所构成的形状呈圆形。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的光场产生装置，其特征在于，还包括4f光学组件(19)，所述4f光学组件(19)包括依次设置的间距为f的第一透镜(7)、胶合90度的λ/4玻片(8)、第二透镜(9)以及光栅(10)。
技术总结
本发明涉及光学教学实验仪器设备技术领域，尤其涉及一种光场产生装置，包括沿光传输方向依次设置的激光器、扩束准直组件、滤波片、第一偏振片、二元光学光栅玻片、第二偏振片和CCD相机，其中，所述二元光学光栅玻片上刻蚀有若干条纹，所述条纹图案的中心部分呈交叉状。本发明的光场产生装置能够产生更为复杂的结构光场，为结构光场的产生提供了一种新的方法和途径；且本发明不需要空间光调制器，同时本发明的光场产生装置作为教学实验仪器，操作简单，易于学生掌握，成本低，为高校购置相关光学实验仪器设备节省了大量开支。
技术研发人员：陈瑞品;王中兴;姚港;高腾跃;柳永宽;潘德涛
受保护的技术使用者：浙江理工大学
技术研发日：.10.31
技术公布日：.02.21
