一种基于直角棱镜对的液晶空间光调制器的光束耦合分离装置和方法

本发明涉及空间光场调控领域，尤其是涉及一种基于直角棱镜对的液晶空间光调制器的光束耦合分离装置和方法。

背景技术：

1、自1960年激光器问世以来，便被广泛应用于生命科学及工程技术等诸多领域，极大地推动了光学技术的飞速发展。但由于传统激光器仅能输出基模高斯光束，难以满足现代科学研究所需要的特殊振幅，相位，偏振分布结构光场的需求。因此，以操控光场空间结构为目标的光场调控技术迅速成为推动现代光学技术发展的核心手段。它利用空间光场调控器件调控激光，可以产生任意结构的新型光场，满足人们在光学通信，光学成像，光学存储，光学微操纵，激光加工，全息显示等领域的应用要求。

2、空间光场调控技术主要依赖于变形镜，数字微镜阵列，超构表面，液晶空间光调控器件等光场调控器件。其中，变形镜可实现光场波前分布调制，但其调制深度小，分辨率较低；数字微镜阵列可实现光场振幅调制，具有高重复频率，高反射率，高填充因子，高损伤阈值等特点，但其衍射效率较低；超构表面基于自身亚波长量级的微纳结构可实现光场振幅，相位，偏振多参量调制，具有实现亚波长、宽波段调控的优点，但目前动态调制能力较弱。液晶空间光调制器作为市面上主流的光场调控器件，基于其自身液晶分子的双折射特性实现对光场的振幅，相位、偏振等参量的动态调控。其中反射式液晶空间光调制器因具有较高的光能利用率，高的空间分辨率和高的相位调制深度，成为目前最常使用的空间光场调制器件。

3、由于液晶分子的各向异性，使液晶空间光调制器对光场的调制深度取决于光轴取向和入射光场偏振方向夹角。因此，市面上常用的液晶空间光调制器一般要求入射光为正入射或者小角度入射的水平线偏振光。使用正入射方式时，为了使入射光与出射光分离实现纯相位调制，通常需要使用非偏振分束棱镜(npbs)对光束进行耦合(如图1所示)，但这种方式在不考虑液晶空间光调制器上能量损失的情况下，最终能量利用率仅为25％。此外，由于液晶空间光调制器的像素化结构存在调制“死区”，即填充因子无法达到100％。因此，入射光在经过空间光调制器后，除目标光场外，会在焦平面上产生一个未被调制的零级衍射光场，这导致光场质量严重降低，例如，在激光加工领域零级光斑会导致激光刻蚀精度变差，无法进行精细加工；在光学通信领域，零级光斑的存在会导致信道之间存在串扰，干扰正常传输；在光学微操纵领域，零级光斑会导致干扰光阱的产生，影响粒子操纵效果；在成像和投影领域，零级光斑的存在极大地干扰成像效果。

4、所以，目前需要一种在满足入射角度要求的条件下抑制零级光场的耦合装置来提高调控光场的质量。早期研究中使用空间滤波器阻断零级衍射光(如图2所示)，但由于空间滤波器的损伤阈值很低，不适用于高功率场景。近期有研究表明，可以使用一种非对称三角反射器(如图3所示)去除零级衍射光，但是为了满足非对称三角反射器的安装尺寸，以及入射光束与衍射光束的分离，出射光束需要传播较长的距离(如图3中的d)。这会增大空间光场调控系统的尺寸和体积，降低系统的稳定性。还有研究发现可以通过在空间光调制器上加载菲涅耳透镜相位掩膜板来缩短衍射距离，但是由于光束尺寸的限制，仍然存在衍射距离较长的问题，并且透镜相位会在目标光场中引入不必要的像差，影响目标光场的重建效果。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于直角棱镜对的液晶空间光调制器的光束耦合分离装置和方法，用于解决现有液晶空间光调制器耦合装置中存在的零级衍射，且光路零散，体积大，不稳定的问题。

2、为实现上述目的，本发明基于直角棱镜对实现了一种基于直角棱镜对的液晶空间光调制器的光束耦合分离装置，其特征在于，包括密封盒以及设置于在密封盒中的第一直角棱镜、第二直角棱镜和反射式液晶空间光调制器；密封盒的两个相邻侧板上分别设置有入射孔和出射孔。

3、进一步地，所述第一直角棱镜包括第一直角面、第一斜面和第二直角面，第一直角面与入射孔相互平行，第一斜面的中心孔位于入射孔的中心轴上，第二直角面与反射式液晶空间光调制器的液晶面板相平行。

4、进一步地，所述第二直角棱镜包括第三直角面、第二斜面和第四直角面，第三直角面分别与出射孔以及反射式液晶空间光调制器的液晶面板相互平行，第二斜面与第一斜面平行放置，且两者之间存在空气间隙。

5、进一步地，所述第一直角面、第二直角面、第一斜面以及第三直角面、第四直角面、第二斜面上均设置有增透膜。

6、进一步地，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜在可见光和近红外波段的折射率小于1.45。

7、进一步地，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜为氟化钙材质的玻璃直角棱镜。

8、进一步地，所述反射式液晶空间光调制器上加载有一个闪耀光栅掩模板，通过该闪耀光栅掩模板调制后的一级衍射光束的出射角度θ，满足：θ＝arcsin(λ/mp)，其中，λ为激光波长，m为闪耀光栅一个周期内的像素数，p为反射式液晶空间光调制器的单个像素尺寸。

9、一种液晶空间光调制器的光束耦合分离方法，其特征在于，利用所述光束耦合装置进行光束耦合分离，所述方法包括以下步骤：

10、步骤1：入射光垂直于入射孔入射第一直角面，通过第一斜面反射入射光束，使得入射光束正入射反射式液晶空间光调制器的液晶面板；

11、步骤2：未被调制的零级衍射光束沿入射路径逆向返回至第一直角面，调制光束在闪耀光栅掩模板相位的作用下与零级光束分开，并透过第一直角棱镜，由第二斜面进入第二直角棱镜，随后从第三直角面出射。

12、因此，本发明采用上述一种基于直角棱镜对的液晶空间光调制器的光束耦合分离装置，具有以下有益效果：

13、第一，本发明仅使用直角棱镜对耦合入射和出射光束，并分离零级衍射光束和一级衍射光束，使得整个耦合装置的体积只受直角棱镜对和反射式空间光调制器的体积限制，相较于现有的耦合装置极大地压缩了光场调控光路系统的体积，增加了光路系统的稳定性，实现了反射式空间光场调控装置的小型化，便于装置的后续集成化。

14、第二，本发明同时实现了激光束垂直入射和调制光束小角度出射或者垂直出射，无需空间滤波装置或长距离的传播即可分离零级衍射光束和一级衍射光束，避免了传统光场调控方法中零级光束对光场调控质量的影响，从而解决了激光加工，显微成像以及光学微操纵等领域精密调控的问题。

15、第三，本发明中使用的直角棱镜对采用氟化钙材质，氟化钙折射率低，因此具有高透过率，高稳定性，高损伤阈值等优点，且所用氟化钙直角棱镜为光学实验常用标准元件，无需特殊加工，便于获取。

16、第四，本发明将直角棱镜对和反射式液晶空间光调制器的液晶面板安装在尺寸为50mm×50mm×40mm的密封盒里。密封盒的通光孔外部沿圆周方向设有螺纹孔，便于与系统其他模块组装，有益于装置集成化，仪器化。此外，密封盒还可以遮挡液晶空间光调制器调制后产生的其他高阶级次衍射光，避免其干扰光路实验以及损伤人眼。同时，密封盒可以有效隔绝灰尘，避免液晶空间光调制器液晶面板，因为吸附灰尘而导致调制效果减弱和损伤阈值降低的问题，从而有效保护液晶空间光调制器。

17、第五，本发明装置兼容性好，正入射的形式可以兼容市面上不同厂家的反射式液晶空间光调制器入射角度要求，最大程度地保证了光场调控的精度。

18、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。