映射空间相位至时空光场时空域相位的方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种映射空间相位至时空光场时空域相位的方法。

背景技术

光场指在时间域和空间域内有特定分布的光学频率电磁场。通常情况下，对于光场的研究可以分为在横向x-y面内分布的光场，即对光束的研究；在时间域内分布的光场，即对光脉冲的研究，和在x-y平面内以及时域内分别有特定分布的三维波包。对于时空域内不耦合的三维波包，其光场可以由E(x,y,t)＝E(x,y)·E(t)的形式表达。

近年来，科学家们发现在时空域内耦合的三维波包可以具有独特的时空传播特性和物理特性，对于研制新型的光量子器件、新型光量子通信以及基础物理学的研究都有重要意义，时空光场也因此成为了新的研究热点。例如，具有特定分布时空光场可以实现显著的反常时空折射现象。光场在传播过程中可以“违背”古老的斯涅尔定律，在经过界面后以可控的群速度传播。这样的时空光场可以为新型遥感、地下成像、光学同步、相控阵雷达等技术应用提供新的可能性。

产生新型的时空光场需要新的光场调控技术，传统的光场调控技术依赖于利用相位调控元件对光场在横向x-y面内的相位进行调控，以及利用基于一维傅里叶变换的脉冲整形技术对光场在时间域内的相位进行调控。对于新型时空光场，尤其是时空域内耦合的复杂时空光场，这些技术缺乏对光场在时空域内相位进行调控的能力。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种映射空间相位至时空光场时空域相位的方法，所产生的时空光场可在时空域内携带复杂时空相位，解决了传统方法无法对光场时空域相位进行直接相位调控的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种映射空间相位至时空光场时空域相位的方法，包括步骤：

S1：将准直的时空光场波包入射至一调制器，所述调制器包括依次排列的第一分光元件、第一光学准直元件和相位调控元件；

S2：将所述第一分光元件、所述第一光学准直元件和所述相位调控元件的间距调节为所述第一光学准直元件的焦距，入射的所述时空光场波包的空间频率域光场被投影于所述相位调控元件所在平面；

S3：若所述相位调控元件为反射式器件，经过相位调控后，所述时空光场波包将按原路返回所述第一分光元件，并重构为准直的出射时空光场；

若所述相位调控元件为透射式器件，则所述时空光场波包经相位调控后，经过一组与所述第一分光元件和所述第一光学准直元件镜像对称的第二光学准直元件和第二分光元件，并重构为准直的出射时空光场；

S4：所述出射时空光场在所述调制器后，其在时空域内的相位为所述调制器中相位调控元件所施加空间相位的映射。

优选地，所述第一分光元件和所述第二分光元件包括反射式光栅、透射式光栅或三棱镜；所述第一光学准直元件和所述第二光学准直元件包括柱透镜或柱面镜；所述相位调控元件包括空间光调制器、相位面板或可变形反射镜。

优选地，所述S4步骤中，所述空间相位至时空光场时空域相位的映射关系可由公式(1)～(4)获得：

φ(x′，y′)＝φ(x，a·Ω) (1)；

E(x，Ω)＝E

Ω(t)＝k

φ(x，t)＝φ(x，Ω/k

其中，φ(x′，y′)表示所述调制器中所述相位调控元件施加的相位，x表示入射光场的空间域坐标，Ω表示光场的光学频率域坐标，a表示所述调制器对于入射光场的分光系数，由所述第一分光元件和所述第一光学准直元件或所述第二分光元件和所述第二光学准直元件决定；E

优选地，当时空光场处于不同的啁啾状态时，所述调制器加载的空间相位φ(x′，y′)将以不同形式映射至时空光场的时空域相位；公式(4)中，k

当k

当k

当k

其中，E(x，t；0)表示出射时空光场。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

(1)传统的光场调控局限于光场空间相位的调控以及基于一维傅里叶变换的脉冲整形，无法产生时空域内耦合的复杂时空光场。本发明实现了对时空光场进行时空域内的相位调控，可用于产生复杂的时空光场；

(2)传统脉冲时域相位的调控方法基于一维傅里叶变换，无法对脉冲的时域相位进行直接的映射调控。本发明通过调控时空光场的啁啾态，实现了以不同的模式映射任意空间相位至时空光场时空域相位的功能，其中包括将空间相位直接映射于时空光场的时空域相位。

附图说明

图1为本发明实施例的调制器的结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图图1，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1，本发明实施例的一种映射空间相位至时空光场时空域相位的方法，包括步骤：

S1：将准直的时空光场波包入射至一调制器，调制器包括依次排列的第一分光元件1、第一光学准直元件2和相位调控元件3；

第一分光元件1包括反射式光栅、透射式光栅或三棱镜；第一光学准直元件2包括柱透镜或柱面镜；相位调控元件3包括空间光调制器、相位面板或可变形反射镜；

S2：将第一分光元件1、第一光学准直元件2和相位调控元件3的间距调节为第一光学准直元件2的焦距，入射的时空光场波包的空间频率域光场被投影于相位调控元件3所在平面；

S3：若相位调控元件3为反射式器件，经过相位调控后，时空光场波包将按原路返回第一分光元件1，并重构为准直的出射时空光场；

若相位调控元件3为透射式器件，则时空光场波包经相位调控后，经过一组与第一分光元件1和第一光学准直元件2镜像对称的第二光学准直元件4和第二分光元件5，并重构为准直的出射时空光场；

入射光场的空间-频率域光场E

φ(x′，y′)＝φ(x，a·Ω) (1)

其中，a为调制器对于入射光场的分光系数，由第一分光元件1和第一光学准直元件2决定，单位为[米·秒]。以图1为例，当第一分光元件1为反射式光栅(光栅周期为Λ)，第一光学准直元件2为柱透镜(柱透镜焦距为f)，假定分光的衍射级次为m＝+1，分光系数a可由以下公式决定：

经相位调控元件3，光场变为：

E(x，Ω)＝E

S4：出射时空光场经过第二光学准直元件4和第二分光元件5，在调制器后重构为准直的出射时空光场。时空光场在时空域内的相位为调制器中相位调控元件3所施加空间相位的映射。

S41：根据时空光场所具有的啁啾状态，空间相位φ(x′，y′)可以以不同模式映射至光场的时空域相位φ(x，t)。假设时空光场具有如下的啁啾：

Ω(t)＝k

其中，Ω(t)为光场的瞬态频率随时间变化的函数，k

φ(x，t)＝φ(x，Ω/k

以时空涡旋波包(spatio-temporal optical vortice，STOV)为例，当调制器对正啁啾光场施加空间涡旋相位φ(x′，y′)＝l·θ

进一步的，若输入光场为零啁啾或负啁啾，可以通过调制器施加Ω-方向上的二阶相位φ(Ω)＝GDD·Ω

S42：当时空光场为负啁啾，空间相位φ(x′，y′)将反向投影于时空光场。对负啁啾时空光场，光场的瞬态频率随时间线性减小，即k

y′＝k

对负啁啾时空光场，k

进一步的，若输入光场为零啁啾或正啁啾，调制器可以施加一个Ω-方向上的二阶相位φ(Ω)＝GDD·Ω

S43：当时空光场在零啁啾态，此时出射的时空光场E(x，t)为E(x，Ω)关于频率-时问的一维傅里叶变换。时空光场E(x，t)可以写为：

此时，调制器所施加的空间相位φ(x′，y′)，即φ(x，a·Ω)，会以一维傅里叶变换的形式映射至光场的时空域相位。

例如：本发明实施例的一种映射空间相位至时空光场时空域相位的方法，包括以下步骤：

步骤一：将准直的高斯-高斯时空光场波包输入至如图1所示的调制器，当波包经过反射式光栅(即图1点A0处)后，入射波包的不同光学频率分量会以不同角度通过柱透镜并被准直至空间光调制器(spatial light modulator，SLM)所在平面。当反射式光栅、柱透镜、SLM的间距为柱透镜焦距f时，入射时空光场波包的空间-频率域光场被投影至SLM平面；

步骤二：经调控后的光场，会经过第二组柱透镜以及反射式光栅，并在光栅(点A1处)重构为准直的出射波包；

步骤三：当SLM加载空间相位(例如，空间涡旋相位)时，出射的时空光场在离开点A1处(此处定义为z＝0)其时空域相位将为调制器所加载空间相位的某种映射。具体的映射模式取决于光场所处的啁啾状态；

步骤四：当时空光场为正啁啾时，其时空相位将为调制器所加空间相位的直接映射。例如，当空间相位为涡旋相位时，时空光场将携带具有同样涡旋方向的时空涡旋相位；当时空光场为负啁啾时，其时空相位将为调制器所加空间相位的反向映射。例如，当空间相位为涡旋相位时，时空光场将携带具有相反涡旋方向的时空涡旋相位；当时空光场为零啁啾时，时空光场的时空域相位将是所加空间相位的一维傅里叶变换。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。