專利名稱：一種生成矢量光束的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生成矢量光束的方法和裝置，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
矢量光束是一種偏振態(tài)在空間按特定規(guī)律非均勻分布的光束，主要包括徑向偏振光束、角向偏振光束、二階矢量光束、三階矢量光束等，其中徑向偏振光束(偏振拓?fù)鋽?shù)為 1)是偏振態(tài)按徑向分布的軸對稱矢量光束，是最典型的、應(yīng)用最廣泛的一種矢量光束，由于這種光束經(jīng)高數(shù)值孔徑透鏡聚焦后的聚焦光斑可超過衍射極限且在焦點處具有很強(qiáng)的縱向電場等特殊的性質(zhì)，使其在微納光學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用前景。目前生成矢量光束的方法大致可分為兩大類，即激光腔外產(chǎn)生法(亦稱被動法) 和激光腔內(nèi)產(chǎn)生法(亦稱主動法)。例如，激光器輸出的兩模式為TEM01和TEMltl的線偏振光或兩束螺旋相位相反、偏振旋向相反的圓偏振光相干疊加而生成矢量光束的方法屬于腔外產(chǎn)生法，腔外放置一個空間漸變的相位延遲器產(chǎn)生矢量光束的方法也屬于腔外產(chǎn)生法； 如在激光腔內(nèi)插入布儒斯特軸錐鏡作為偏振選擇元件、利用晶體的雙折射效應(yīng)產(chǎn)生矢量光束的方法則屬于腔內(nèi)產(chǎn)生法。近年來，國內(nèi)外已有一些生成矢量光束方法的報道。公開號為CN101178484的專利(丁劍平，汪喜林，陳璟，樊亞仙，王慧田任意偏振分布矢量光束的生成裝置，中國專利CN101178484，2008-05-14)中發(fā)明了一套可以生成任意矢量光束的裝置，該裝置中激光束通過空間光調(diào)制器(SLM)和一個4f透鏡系統(tǒng)，在兩個透鏡中間放置光闌和四分之一波片，其中光闌只讓經(jīng)過SLM的+1和-1級衍射光通過(對應(yīng)著具有相反螺旋相位的光束)，兩個四分之一波片將兩束光轉(zhuǎn)換為左旋和右旋圓偏振光，之后通過一個Rochi光柵將兩束光合束生成矢量光束；2007年發(fā)表在《New Journal of Wiysics》的文章(Christian Maurer, Alexander Jesacher, Severin Fiirhapter, "Tailoring of arbitrary optical vector beams” [J]New Journal of Physics 9(78)，(2007))使光束通過渥拉斯頓棱鏡分成兩束，其中一束經(jīng)過一個45度放置的二分之一波片，使兩束光的偏振方向變成水平 (SLM對偏振方向水平的入射光調(diào)制效果最佳)，兩束光投射到SLM上不同的衍射光柵，出射光具有相反的螺旋相位，兩束光原路返回再利用渥拉斯頓棱鏡合束生成矢量光束；發(fā)表在《Optics Letters)) 2009 年第 34 卷第 17 期上的文章(P. H. Jones, Μ. Rashid, Μ. Makita, and 0.Μ. Marago "Sagnac interferometer method for synthesis of fractional polarization vortices" [J]Optics Letters 34(17)2560-2562(2009))提出了用 Sagnac 干涉儀和道威棱鏡將螺旋圓偏振光合成矢量偏振光束的方法。在這些基礎(chǔ)上，我們設(shè)計了一種易于實現(xiàn)且穩(wěn)定、可重復(fù)性高、成本較低的生成矢量光束的方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種生成矢量光束的方法和裝置。
本發(fā)明的目的是由下述技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明的裝置包括激光器、起偏器、偏振分光棱鏡、石英平片、反射鏡、第一擴(kuò)束器、二元振幅光柵、第二擴(kuò)束器、小孔光闌、1/4波片、CCD相機(jī)。所述的激光器輸出光束為高斯光束；所述的起偏器起偏方向為45°置于激光器后，用于使光束通過偏振分光棱鏡后分解的兩束光能量均勻；所述的偏振分光棱鏡置于起偏器后，使光束分解為光路平面內(nèi)傳輸方向具有一定夾角的兩束偏振光，且兩束偏振光的偏振方向分別垂直和平行于光路平面；所述的石英平片置于偏振方向垂直于光路平面的光束光路中，旋轉(zhuǎn)其角度來調(diào)節(jié)兩束偏振光的相位差；所述的反射鏡放置的位置和角度應(yīng)使兩束偏振光具有一定的夾角；所述的第一擴(kuò)束器置于兩束偏振光交匯前一定位置，用來減小兩束光的夾角保證兩束光的夾角滿足相應(yīng)的光柵方程，另外還起到準(zhǔn)直光束的作用；所述的二元振幅光柵置于第一擴(kuò)束器后兩束光的交匯點，旋轉(zhuǎn)到特定的位置使其士 1級衍射光為士m階拉蓋爾高斯光束，并在系統(tǒng)光軸處合束；所述的第二擴(kuò)束器倒置于二元振幅光柵后，使各衍射級分散以便過濾；所述的小孔光闌置于第二擴(kuò)束器后，將系統(tǒng)光軸處的光束濾出；所述的1/4波片置于小孔光闌后，其快軸方向與入射到其上的兩束光的偏振方向均呈η/4的夾角，使其變換為偏振旋向相反的圓偏振光；所述的CCD相機(jī)置于1/4波片后，用于觀察生成的矢量光束。本發(fā)明提供的生成矢量光束的方法的具體步驟為從激光器出射的高斯光束經(jīng)過45°放置的起偏器變換為45°偏振的線偏振光， 使其經(jīng)偏振分光棱鏡后可以均勻地分解為光路平面內(nèi)傳輸方向具有一定夾角的兩束偏振光，且兩束偏振光的偏振方向分別垂直和平行于光路平面，在偏振方向垂直于光路平面的光束光路中放置石英平片，利用旋轉(zhuǎn)石英平片的角度來調(diào)節(jié)兩束偏振光的相位差，利用反射鏡使偏振方向平行于光路平面的光束反射，調(diào)節(jié)其與偏振方向垂直于光路平面的光束的夾角，使兩束光按一定角度入射通過第一擴(kuò)束器，經(jīng)過第一擴(kuò)束器減小兩束光的夾角可使兩束光通過二元振幅光柵后的+1級和-1級衍射光重合并且沿系統(tǒng)的光軸傳輸，兩束光入射二元振幅光柵的角度為光柵的士 1級衍射角，可由光柵方程計算得到，將光柵旋轉(zhuǎn)到特定的位置使其士 1級衍射光為士m階拉蓋爾高斯光束。之后通過倒置的第二擴(kuò)束器使各衍射級分散開，便于過濾出所需的光束，由小孔光闌將系統(tǒng)光軸處的光束濾出，之后通過一快軸方向與兩束光的偏振方向均呈45°的夾角放置的1/4波片，使兩束光分別變?yōu)樽笮陀倚龍A偏振光，這樣光軸處兩束偏振旋向相反的士m階圓偏振拉蓋爾高斯光束相干合束生成 m階矢量光束，將CCD相機(jī)置于1/4波片后進(jìn)行觀察。本發(fā)明的有益效果①可以生成任意階的矢量光束。②系統(tǒng)所需器件簡單、合束穩(wěn)定、易于調(diào)節(jié)、成本較低。③生成的矢量光束徑向偏振純度高，具有較好的傳輸特性。


圖1是本發(fā)明的原理圖；圖中，1-激光器，2-起偏器，3-偏振分光棱鏡，4-石英平片，5-反射鏡，6-第一擴(kuò)束器，7- 二元振幅光柵，8-第二擴(kuò)束器，9-小孔光闌，10-1/4波片， Il-CCD 相機(jī)。
圖2是本發(fā)明中產(chǎn)生的偏振方向正交的士 1級衍射光束在系統(tǒng)光軸處同軸合束的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明的裝置包括激光器(1)、起偏器O)、偏振分光棱鏡(3)、石英平片(4)、反射鏡(5)、第一擴(kuò)束器(6)、二元振幅光柵(7)、第二擴(kuò)束器(8)、小孔光闌(9)、 1/4波片(10)和CCD相機(jī)(11)。從激光器(1)出射的高斯光束經(jīng)過起偏方向與光路平面呈45°的起偏器( 后變換為45°線偏振光，使其經(jīng)偏振分光棱鏡C3)后均勻地分解為光路平面內(nèi)傳輸方向具有一定夾角的兩束偏振光，且兩束偏振光的偏振方向分別垂直和平行于光路平面，在偏振方向垂直于光路平面的光束光路中放置石英平片，利用旋轉(zhuǎn)石英平片(4)的角度來調(diào)節(jié)兩束偏振光的相位差，利用反射鏡(5)使偏振方向平行于光路平面的光束反射，調(diào)節(jié)其與偏振方向垂直于光路平面的光束的夾角，將兩束光按一定角度入射通過第一擴(kuò)束器(6)，經(jīng)過第一擴(kuò)束器(6)減小兩束光的夾角至一特定角度可使兩束光通過二元振幅光柵(7)后的+1級和-1級衍射光重合并且沿系統(tǒng)的光軸傳輸，如圖2所示，兩束光入射二元振幅光柵(7)的角度為二元振幅光柵(7)的+1級衍射光和-1級衍射光構(gòu)成的夾角，可由光柵方程計算得到；旋轉(zhuǎn)二元振幅光柵(7)使其士 1級衍射光為士m階拉蓋爾高斯光束。之后通過倒置的第二擴(kuò)束器(8)使各級衍射光束分開，便于過濾出所需的光束， 由小孔光闌(9)將系統(tǒng)光軸處的光束濾出，之后通過一快軸方向與兩束光的偏振方向均呈 45°的夾角放置的1/4波片(10)，使兩束光分別變換為左旋和右旋圓偏振光，這樣光軸處兩束偏振旋向相反的士m階圓偏振拉蓋爾高斯光束相干合束生成m階矢量光束，將CCD相機(jī)(11)置于1/4波片(10)后進(jìn)行觀察。通過旋轉(zhuǎn)二元振幅光柵(7)到不同角度以改變其士 1級衍射光的階數(shù)，并根據(jù)光柵方程調(diào)整偏振分光棱鏡C3)和反射鏡( 的角度和位置以改變兩束光的入射角度，可以得到不同階數(shù)的矢量光束。
權(quán)利要求
1.一種相干合成矢量光束的裝置，包括激光器(1)、起偏器O)、偏振分光棱鏡(3)、 石英平片G)、反射鏡(5)、第一擴(kuò)束器(6)、二元振幅光柵(7)、第二擴(kuò)束器(8)、小孔光闌 (9)、1/4波片(10)和CCD相機(jī)(11)。其特征在于激光器(1)輸出的高斯光束垂直入射透過起偏方向為45°的起偏器( 后，斜入射到偏振分光棱鏡C3)上，均勻地分解為光路平面內(nèi)傳輸方向具有一定夾角的兩束偏振光，且兩束偏振光的偏振方向分別垂直和平行于光路平面，其中偏振方向垂直于光路平面的光束通過石英平片(4)后與經(jīng)過反射鏡( 反射的偏振方向平行于光路平面的光束斜入射通過第一擴(kuò)束器(6)，出射的兩束光以特定夾角交匯并入射通過二元振幅光柵(7)，此特定夾角為二元振幅光柵(7)的+1級衍射光和-1級衍射光構(gòu)成的夾角；兩束光通過二元振幅光柵(7)后偏振方向垂直于光路平面的光束的+1級衍射光與偏振方向平行于光路平面的光束的-1級衍射光在系統(tǒng)光軸處實現(xiàn)同軸合束，旋轉(zhuǎn)二元振幅光柵(7)使其士 1級衍射光為士m階拉蓋爾高斯光束；衍射光束通過倒置的第二擴(kuò)束器(8)后利用小孔光闌(9)將傳輸方向與第二擴(kuò)束器(8)的光軸方向一致的光束濾出，濾出的光束垂直通過快軸方向與兩束光的偏振方向呈45°的夾角放置的1/4波片(10) 后合成m階矢量光束，最后利用CCD相機(jī)(11)觀測所生成的矢量光束。
2.一種相干合成矢量光束的方法，其特征在于①利用二元振幅光柵可實現(xiàn)將兩束偏振旋向相反的一階圓偏振拉蓋爾高斯光束相干合束生成一階矢量光束從激光器(1)出射的高斯光束經(jīng)過起偏方向與光路平面呈45° 的起偏器( 后變換為45°線偏振光，使其經(jīng)偏振分光棱鏡C3)后均勻地分解為光路平面內(nèi)傳輸方向具有一定夾角的兩束偏振光，且兩束偏振光的偏振方向分別垂直和平行于光路平面，其中偏振方向垂直于光路平面的光束透過石英平片G)，通過旋轉(zhuǎn)石英平片(4)的角度可調(diào)節(jié)兩束偏振光的相位差，反射鏡( 使偏振方向平行于光路平面的光束反射，調(diào)節(jié)其與偏振方向垂直于光路平面的光束的夾角，使兩束光斜入射通過第一擴(kuò)束器(6)，從第一擴(kuò)束器(6)出射的兩束光以特定夾角交匯并入射通過二元振幅光柵(7)，此特定夾角為二元振幅光柵(7)的+1級衍射光和-1級衍射光構(gòu)成的夾角；旋轉(zhuǎn)二元振幅光柵(7)，使其士 1級衍射光為士 1階拉蓋爾高斯光束，兩束偏振方向相互垂直的線偏振光在二元振幅光柵(7)處交匯后其+1級和-1級衍射光在系統(tǒng)光軸處實現(xiàn)同軸合束，通過倒置的第二擴(kuò)束器(8)后使各衍射級分散便于由小孔光闌(9)將系統(tǒng)光軸處的光束濾出，濾出的光束通過一快軸方向與兩束偏振光的偏振方向均呈45°的夾角放置的1/4波片(10)，使兩束偏振方向相互垂直的線偏振光變換為兩束偏振旋向相反的圓偏振光，從而兩束偏振旋向相反的一階圓偏振拉蓋爾高斯光束相干合束生成一階矢量光束。②通過旋轉(zhuǎn)或更換二元振幅光柵(7)可實現(xiàn)將兩束偏振旋向相反的高階圓偏振拉蓋爾高斯光束相干合束生成高階矢量光束將二元振幅光柵(7)旋轉(zhuǎn)90°可在一階矢量光束的光路基礎(chǔ)上直接在系統(tǒng)光軸處得到三階矢量光束，將二元振幅光柵(7)旋轉(zhuǎn)45°再調(diào)整偏振分光棱鏡C3)和反射鏡(5)的角度和位置可在系統(tǒng)光軸處得到二階矢量光束，將二元振幅光柵(7)旋轉(zhuǎn)135°可在二階矢量光束的光路基礎(chǔ)上直接在系統(tǒng)光軸處得到四階矢量光束，對二元振幅光柵(7)進(jìn)行更換，再配合調(diào)整偏振分光棱鏡C3)和反射鏡( 的角度和位置可以得到更高階的矢量光束。
全文摘要
本發(fā)明是一種實現(xiàn)相干合成矢量光束的方法和裝置，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明由激光器、起偏器、偏振分光棱鏡、石英平片、反射鏡、第一擴(kuò)束器、二元振幅光柵、第二擴(kuò)束器、小孔光闌、1/4波片、CCD相機(jī)組成。本發(fā)明首先采用以偏振分光棱鏡、反射鏡和第一擴(kuò)束器為核心元件的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生具有特定夾角的兩束偏振方向正交的線偏振光，然后利用以二元振幅光柵和1/4波片為核心元件的光學(xué)系統(tǒng)將上述兩束光轉(zhuǎn)換為兩束偏振旋向相反且具有相反螺旋相位的圓偏振拉蓋爾高斯光束，并在系統(tǒng)光軸處實現(xiàn)同軸合束，得到所需的矢量光束。
文檔編號G02B27/09GK102183847SQ20111012172
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
發(fā)明者王錚, 辛璟燾, 高春清 申請人:北京理工大學(xué)