紧凑型矢量光场发生器中4f系统的对齐方法

王 悦，刘元正，华昕怡，杨博雯，陈世杰，陈 建

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

引 言

矢量光场的偏振态是随着空间变化而呈规律性改变，即在光场截面上会出现多种偏振态[1-4]。目前，复杂矢量光场在光学微操纵技术[5-7]、焦场工程[8-10]、光学通信[11-12]、量子信息处理[13]、激光加工技术[14-14]和遥感技术[15]等众多领域有着广泛的应用。

基于高分辨率液晶空间光调制器的紧凑型矢量光场发生器，包含了两个4f系统：一个反射式4f系统将光束传输到液晶空间光调制器的对应的区域进行调控，另一个透射式4f系统将最后的输出光场传输至CCD上进行图像的观察和采集。

为了使获得的输出光场尽可能的清晰锐利，并且能够产生理想的输出光场，首先需要对4f系统进行纵向对齐。本文设计了特定相位图并通过CCD上图像的锐利程度来判定4f系统是否实现了纵向对齐。为了精确地获得所需的复杂光场，入射光束必须照射在液晶空间光调制器上每块相对应的区域，然而入射光束照射在液晶空间光调制器上时，会存在无法避免的位移，这将导致实际产生的光束与预期的复杂光束分离。由于紧凑型矢量光场发生器无法通过调整每个光斑的位置来实现4f系统的横向对齐，本文将采取调整四象限相位图的位置来进行横向对齐两个4f系统。

1 紧凑型矢量光场发生器中的4f系统结构

1.1 紧凑型矢量光场发生器

紧凑型矢量光场发生器实验装置如图1所示，主要由2个4f系统、分束器模块、CCD以及空间光调制器组成。其中透镜1和反射镜1组成1个反射式4f系统，透镜2和透镜3组成1个透射式4f系统。

图1 紧凑型矢量光场发生器实验装置Fig.1 Compact vector optical field generator

分束器模块如图2所示，由直角棱镜、1/2波片、1/4波片、偏振分束器、非偏振分束器等组成。

图2 分束器模块示意图Fig.2 Diagram of beam splitter module

入射光束首先由非偏振分束器1引导到空间光调制器上进行相位调制。随后，反射光束通过反射式4f系统中继到非偏振分束器2后面的空间光调制器的第2部分。由于空间光调制器是进行相位调制的部件，所以通过偏振旋转器、偏振分束器和1/2波片的组合来实现振幅调制。偏振旋转器由1/4波片和空间光调制器的第二部分组成，更多细节可以参考文献[16]。由空间光调制器第2部分发出的调制光束将由非偏振分束器2引向偏振分束器，从偏振分束器反射的光束被垂直极化。随后，1/2波片将光束偏振方向改变为水平方向，接着光束由同样的反射式4f系统中继到非偏振分束器3后面的空间光调制器的第3部分进行偏振比调制。1/4波片和空间光调制器第3部分构成另一个偏振旋转器。为了将空间光调制器第3部分的光束通过同样的反射式4f系统中继到第4部分，引入了直角棱镜，使来自空间光调制器第3部分的调制光束在空间上进行转向。从空间光调制器第3部分发出的调制光束，经非偏振分束器3引向直角棱镜，然后再由非偏振分束器4分束，其中一部分光经空间光调制器第4部分后进行椭偏率调制。此时图2的分束器模块完成了矢量光场中4个自由度的调制，图中带圆圈的编号显示了分束器模块上相应调制光束的位置。最后，产生的复杂光场将通过透射式4f系统在CCD上被观察到。为了正确地产生任意的复杂的矢量光束，必须将衍射效应降到最低，以保持光束相位、振幅和偏振的高频信息，这一点可以通过对齐上述的两个4f系统来实现。

1.2 4f系统结构

4f系统在对光束进行空间传播时，可以对光束进行光信息的频谱分析或者频域的处理。通过在两个透镜之间重叠的焦平面上引入滤波器，阻止不需要的频率通过，或者在目标的频率上引入额外的相位信息，就可以按照实际需要提取信息，从而改变像的结构，获得特定的输出光束或图像。本文紧凑型矢量光场发生器包含两个4f系统：一个是透射式4f系统，如图3（a）所示，透射式4f系统由两个透镜组成，其中透镜1，透镜2的焦距均为20 cm；另一个是反射式4f系统，如图3（b）所示，由一个焦距为10 cm的透镜和一个反射镜组成。

图3 4f系统Fig.3 4f systems

2 4f系统的纵向对齐

首先，使用剪切干涉仪来确定4f系统中两透镜的间距是否为2f或透镜到反射镜的距离为f，当观察到剪切干涉仪上出现最大干涉条纹时，就可以大致确定两者之间的距离[17]。然后，再使物面与透镜之间的距离、像面与透镜之间的距离为f，理论上4f系统的纵向对齐就完成了。但是由于光程差和实验误差导致了4f系统透镜之间的距离或者透镜到反射镜之间的距离不再是理想距离，所以需要对这两个4f系统进行微调。基于光场不发生畸变的原则，设计了特定的对齐图案，图案由3对水平和垂直的交叉线组成（线宽为100 μm），通过CCD对最后的输出光场进行采集[18-19]。

在4个调制部分中，只有椭偏率调制部分是经过透射式4f系统，在透射式4f系统纵向对齐时不会对反射式4f系统产生影响，所以先进行对椭偏率调制区域的纵向对齐。在空间光调制器的椭偏率调制区域上加载对应的纵向对齐相位图，将线条上区域的相位设置为π/4，线条外区域的光场的相位值设置为−π/4。将一个圆检偏器放置在CCD前，并设置相位值为π/4的光束可以透过圆检偏器。纵向对齐前CCD上采集的图像边界较为模糊，通过实验平台上的千分尺调整图1中透镜3到CCD、透镜3到透镜2的距离来进行4f系统的纵向对齐，纵向对齐后，获得的图像与设计相同且线条的边界清晰可见，如图4所示。

图4 椭偏率调制区域的纵向对齐Fig.4 Longitudinal alignment of the polarization retardation modulated region

对于反射式4f系统的纵向对齐，由于相位调制、振幅调制和偏振比调制都会经过反射式4f系统，所以要对3个调制区域分别纵向对齐。

首先，对偏振比调制区域进行纵向对齐。将线条区域的线性偏振方向设置为90°，线条外线性偏振方向设置为0°，并将一个通光轴为90°的检偏器放置在CCD前，则只有线条上的光可以通过。在纵向对齐前图像上的线条边缘较为模糊，通过实验平台上的千分尺调整透镜和反射镜的位置来进行纵向对齐，在纵向对齐后线条边缘锐利清晰，如图5（a）所示。

然后，对振幅调制区域进行纵向对齐，线条上的光强最大，振幅调制区域线条外的光强为0。同理，通过实验平台上的千分尺调整图1中反射式4f系统中透镜1和反射镜1的位置来进行纵向对齐，纵向对齐后可以直接由CCD观测到图像清晰且线条边缘处锐利，如图5（b）所示。

图5 反射式4f系统的纵向对齐Fig.5 Longitudinal alignment of the reflective 4f system

最后，对相位调制区域进行纵向对齐时，其中设置线条区域的相位为0，线外区域相位为π。由于在线条的边缘处出现了相位突变，因此在线条的边缘处会看到暗条纹，在纵向对齐后图像上的暗条纹清晰明显，如图5（c）所示。

由图4与图5可以看出，在经过4f系统的纵向对齐后，设计的条纹与CCD采集到的图像相同并且条纹清晰可见，光场在CCD上成像清晰锐利，成功抑制了光场的衍射效应。

3 4f系统的横向对齐

由于对空间光调制器进行复用，在完成两个4f系统的纵向对齐后，不可避免地在4个光场调控区域的横向坐标会发生偏差，从而导致产生的光场与预期的光场之间有较大的误差。为保证光场的正确调控，可以在生成相位图时就对这些偏差进行预补偿，进而实现对4f系统的横向对齐。

首先以相位调制区域作为对齐标准，如图6（a）所示，将四象限图设定在空间光调制器的相位调制区域，其中斜对角线的相位差为π，两种区域呈现一个十字交叉的状态。由于发生了相位突变，在横向对齐时CCD采集到的图像上会出现明显的暗条纹，通过测量误差进行预补偿，并将暗条纹移动至图像中心。对齐后，十字形暗条纹正好处于光斑的中心，构成如图6（a）十字暗条纹，此时就完成了相位调制区域的横向对齐。

在进行对振幅调制区域的横向对齐时，基于相位调制的横向对齐，将四象限图设定在空间光调制器的振幅调制区域，其中亮光斑处光束全部通过，其余光强抑制为0。此时若未横向对齐，相位调制产生的暗条纹坐标轴和振幅调制的区域坐标轴不重合，在对角线的图像上会有暗条纹出现，通过测量两坐标中心水平和垂直方向的误差进行预补偿，在完成横向对齐后，两坐标轴重合，CCD的图像上就观测不到暗条纹，横向对齐后的图像如图6（b）所示。

在对偏振比调制区域进行的横向对齐时，保持对相位的调制，将四象限图设定在空间光调制器的振幅调制区域。将光斑暗处的光线性偏振方向设定为0°，亮光斑处的光线性偏振方向设定为90°，并在CCD前放置一个通光轴为90°的检偏器。这时CCD上仅会观测到线性偏振为90°时的图像，对测量误差进行预补偿，完成横向对齐后图像如图6（c）。此时采集到的光斑图像近乎中心对称。

最后，在进行对椭偏率调制区域的横向对齐时，依然保持对相位的调制，将四象限图设定在空间光调制器的椭偏率调制区域。将亮光斑光线设定为右旋光，光斑暗处的光线设定为左旋光，在CCD前放置一个圆检偏器，圆检偏器设置为只让右旋圆偏光通过。在位移误差进行预补偿后，CCD上得到的图像为十字型暗条纹，如图6（d）所示，从图中可以清楚地看到，只有右旋光可以被观察到。

图6 4f系统的横向对齐Fig.6 Horizontal alignment of 4f systems

4 实验结果

在完成纵向对齐与横向对齐之后，为了直观地显示横向对齐与纵向对齐的效果，在振幅调制区域生成一个数字9的图案，如图7所示。其中，图7（a）是要加载到振幅调制区域的相位图，图7（b）是未进行横向对齐以及纵向对齐时的矢量光场发生器生成的光场，图7（c）是完成对齐之后的矢量光场。从后两幅图的对比中可以看出，未对齐时的数字9模糊不清，对齐完成后数字9清晰锐利。在实验误差范围之内有微弱的光斑，这可能是由空间光调制的衍射造成的。由此可见，4f系统的对齐是紧凑型矢量光场发生器能够产生理想的输出光场的重要前提。

图7 4f系统对齐前后输出光斑结果对比Fig.7 Comparison of output beam with and withou t alignment of the 4f system

在完成了反射式4f系统与透射式4f系统的纵向对齐与横向对齐之后，紧凑型矢量光场空间光调制器上4个调制光束的位置如图8所示。

图8 调制光束在液晶空间光调制器的位置Fig.8 The position of the modulated beam in the liquid crystal spatial light modulator

5 结 论

本文演示和说明了在紧凑型矢量光场发生器中如何对4f系统进行纵向和横向的精确对齐。介绍了紧凑型矢量光场发生器以及采用的分束器组合装置和其中的光路，描述了如何通过相位图对系统中的透射式4f系统和反射式4f系统进行纵向对齐，以确保生成光场的清晰程度，减小了光场的衍射效应。验证了4个光场调制区域的位移误差对光场产生的影响，并以相位调控区域作为标准，通过四象限图来进行预补偿，实现系统的横向对齐。4f系统的纵向对齐和横向对齐极大提高了矢量光场发生器生成的光场质量，减小了由系统未对齐造成的光场偏差，是搭建矢量光场发生器和生成复杂矢量光场的必要过程。本文提出的用四象限图对齐方法与传统的手动对齐方法相比，既节省时间，又更加方便直接。同时，此方法也可以为其他包含空间光调制器的复杂光学系统的对齐提供参考。