專利名稱：利用渥拉斯頓棱鏡合束生成矢量光束的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用渥拉斯頓棱鏡合束生成矢量光束的系統(tǒng)，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
偏振是光的重要性質(zhì)之一，線偏振光、橢圓偏振光是人們所熟知的光場形式，它們已廣泛地應(yīng)用到很多領(lǐng)域。線偏振光、橢圓偏振光的共同特點(diǎn)是波面內(nèi)各點(diǎn)的偏振態(tài)都是相同的。近年來，人們通過研究發(fā)現(xiàn)一些偏振態(tài)按特定規(guī)律非均勻分布的光束在許多應(yīng)用領(lǐng)域具有更重要的價(jià)值。這種新型的偏振光束在波面內(nèi)各點(diǎn)的偏振態(tài)都不相同，很難用傳統(tǒng)的標(biāo)量方法表征，較好的表征方法是給出偏振態(tài)的矢量分布，因此這類光也被稱為矢量光束。矢量光束中的徑向偏振光束(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。研究發(fā)現(xiàn)，徑向偏振光束經(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(diǎn)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)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，另外，高階矢量光束在信息傳輸和光學(xué)捕獲方面也具有重要的應(yīng)用前景。矢量光束的生成方法是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一。矢量光束的生成方法主要分為兩大類，即腔外產(chǎn)生法和腔內(nèi)產(chǎn)生法。近年來已報(bào)道的腔外法主要包括1)使兩束偏振態(tài)正交的TEMtll和TEMltl的線偏振Hermite-Gaussian(HG)光束相干疊加生成一階矢量光束；2)利用兩束螺旋相位相反的左旋和右旋圓偏振Laguerre-GaussianOii)光束或 Bessel-Gaussian(BG)光束相干疊加生成矢量光束；3)腔外放置一個(gè)空間偏振轉(zhuǎn)化器件 (例如組合半波片、扭轉(zhuǎn)向列液晶器件和亞波長光柵等)產(chǎn)生矢量光束；腔內(nèi)產(chǎn)生法主要指在激光腔內(nèi)插入偏振模式選擇器件(例如布儒斯特軸錐鏡、光子晶體光柵鏡等)產(chǎn)生矢量光束的方法。上述采用空間偏振轉(zhuǎn)化器件的腔外生成法和腔內(nèi)生成矢量光束的方法都需用到一些特殊加工的光學(xué)元器件，這些器件的加工難度較大，使實(shí)際應(yīng)用增加了難度；而采用利用兩束光相干合成生成矢量光束的方法大多需用到類似于馬赫_曾德爾干涉儀形式的合束裝置，影響了合成光束的穩(wěn)定性。針對上述問題，我們設(shè)計(jì)了一種新型的光束合成生成矢量光束的光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由常規(guī)光學(xué)元件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，易于調(diào)節(jié)，可在較寬波段內(nèi)生成多種矢量光束。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、可在寬波段內(nèi)生成多種矢量光束的系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是由下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的裝置包括激光器、起偏器、第一擴(kuò)束器、一叉三叉的復(fù)合二元振幅光 柵、 第二擴(kuò)束器、光闌、聚焦透鏡、二分之一波片、渥拉斯頓棱鏡、四分之一波片、檢偏器、C⑶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?yàn)?°置于激光器后，用于將入射光轉(zhuǎn)變?yōu)槠穹较驗(yàn)?°的線偏振光；所述的第一擴(kuò)束器置于起偏器后，用于對入射的光束進(jìn)行擴(kuò)束；所述的一叉三叉的復(fù)合二元振幅光柵置于第一擴(kuò)束器后，用于在士 1級衍射光的位置得到士m階拉蓋爾高斯光束；所述的第二擴(kuò)束器倒置于一叉三叉的復(fù)合二元振幅光柵后， 用于增大各衍射級的衍射角；所述的光闌置于第二擴(kuò)束器后，用于濾出+1級和-1級衍射光；所述的聚焦透鏡置于光闌后，用于使兩束光會聚，并可移動聚焦透鏡的位置來控制兩束光會聚后的夾角并使其等于渥拉斯頓棱鏡的分離角；所述的二分之一波片的快軸方向?yàn)?5°，置于聚焦透鏡后一束光的光路中，用于使這一束偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°。所述的渥拉斯頓棱鏡的分離角可以由Φ =ZsirT1 [Oitl-IO tan θ]計(jì)算得到， 式中 和為渥拉斯頓棱鏡所用雙折射晶體的尋常光和非常光的折射率，θ為渥拉斯頓棱鏡晶體的切割角，將其中心置于聚焦透鏡后兩束光的交匯點(diǎn)處，用于使兩束偏振方向正交的衍射光合束成為一束光；所述的四分之一波片的快軸方向?yàn)?5°，其置于渥拉斯頓棱鏡后，用于使合束的兩束偏振方向正交的線偏振衍射光變換為兩束旋向相反的圓偏振光， 使其符合相干合成矢量光束的理論從而得到m階的矢量光束；所述的檢偏器置于四分之一波片后，用于檢測得到的矢量光束的階數(shù)；所述的CCD相機(jī)置于檢偏器后，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0°放置的起偏器變換為0°偏振的線偏振光，經(jīng)過第一擴(kuò)束器進(jìn)行擴(kuò)束，入射到一叉三叉的復(fù)合二元振幅光柵上，旋轉(zhuǎn)二元振幅光柵使其士 1級衍射光為士m階拉蓋爾高斯光束，產(chǎn)生的衍射光經(jīng)過一個(gè)倒置的第二擴(kuò)束器來增大各衍射級的衍射角，利用光闌將+1級和-1級衍射光濾出，濾出的光束再經(jīng)過一個(gè)聚焦透鏡對兩束光進(jìn)行會聚，在其中一束光的光路中放置一快軸方向?yàn)?5°的二分之一波片，使得這一束偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，兩束偏振方向正交的衍射光經(jīng)聚焦透鏡聚焦后以渥拉斯頓棱鏡的分離角交匯于渥拉斯頓棱鏡的中心，之后兩束光合束成為一束光，合束后的光垂直透過一快軸方向?yàn)?5°的四分之一波片后，使合束的兩束偏振方向正交的線偏振衍射光變換為兩束旋向相反的圓偏振光，從而得到m階的矢量光束，最后利用檢偏器和CCD相機(jī)觀測所生成的矢量光束。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)中沒有用到反射器件，提高了合束的穩(wěn)定性。③系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可在較寬波段內(nèi)合成矢量光束，生成效率也較高，易于調(diào)節(jié)。


圖1是本發(fā)明的原理圖；圖中，I-激光器，2-起偏器，3-第一擴(kuò)束器，4- 一叉三叉的復(fù)合二元振幅光柵，5-第二擴(kuò)束器，6-光闌，7-聚焦透鏡，8- 二分之一波片，9-渥拉斯頓棱鏡，10-四分之一波片，11-檢偏器，12-CXD相機(jī)。圖2是本發(fā)明中使用的一叉三叉的復(fù)合二元振幅光柵在基模高斯光束的照射下生成一個(gè)3X3的拉蓋爾高斯光束陣列的示意圖；圖中，基模高斯光束經(jīng)過一叉三叉的復(fù)合二元振幅光柵后在水平方向生成LGtll和LGch1光束，垂直方向生成LGtl3和LGch3光束，對角線方向生成LGtl2和LGch2光束以及LGtl4和LGch4光束。 圖3是采用圖1系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果圖；圖中，橫向?yàn)樯傻?至4階矢量光束， 列向分別為不加檢偏器時(shí)，以及加入檢偏器并將其旋轉(zhuǎn)0°、45°、90°時(shí)CCD相機(jī)拍攝的
實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)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(2)、第一擴(kuò)束器(3)、一叉三叉的復(fù)合二元振幅光柵(4)、第二擴(kuò)束器(5)、光闌(6)、聚焦透鏡(7)、二分之一波片(8)、渥拉斯頓棱鏡(9)、四分之一波片(10)、檢偏器(11)和CCD相機(jī)(12)。從激光器(1)出射的高斯光束經(jīng)過起偏方向?yàn)?°的起偏器(2)后變換為0°線偏振光，經(jīng)過第一擴(kuò)束器(3)進(jìn)行擴(kuò)束，垂直入射到一叉三叉的復(fù)合二元振幅光柵(4)上，生成一個(gè)3X3的拉蓋爾高斯光束陣列，如圖2所示，水平方向?yàn)長Gtll和LGch1光束，垂直方向?yàn)長Gtl3和LGch3光束，對角線方向?yàn)?LG02和LGch2光束以及LGtl4和LGch4光束，旋轉(zhuǎn)光柵使其士 1級衍射光為士m階拉蓋爾高斯光束，產(chǎn)生的衍射光經(jīng)過一個(gè)倒置的第二擴(kuò)束器(5)來增大各衍射級的衍射角，利用光闌(6) 將+1級和-1級衍射光濾出，濾出的光束再經(jīng)過一個(gè)聚焦透鏡(7)對兩束光進(jìn)行會聚，在其中一束光的光路中放置一快軸方向?yàn)?5°的二分之一波片(8)，使得這一束偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，調(diào)節(jié)聚焦透鏡(7)的位置，使兩束偏振方向正交的衍射光經(jīng)聚焦透鏡(7)聚焦后以渥拉斯頓棱鏡(9)的分離角交匯于渥拉斯頓棱鏡(9)的中心，渥拉斯頓棱鏡(9)的分離角可以由Φ =ZsirT1 [Oitl-IO tan θ]計(jì)算得到，式中η(ι和~為渥拉斯頓棱鏡(9)所用雙折射晶體的尋常光和非常光的折射率，θ為渥拉斯頓棱鏡(9)晶體的切割角，之后根據(jù)渥拉斯頓棱鏡(9)的性質(zhì)兩束光合束成為一束光，合束后的光垂直透過一快軸方向?yàn)?5° 的四分之一波片(10)后，使合束的兩束偏振方向正交的線偏振衍射光變換為兩束旋向相反的圓偏振光，使其符合相干合成矢量光束的理論從而得到m階的矢量光束，最后利用檢偏器(11)和CCD相機(jī)(12)觀測所生成的矢量光束，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種利用渥拉斯頓棱鏡合束生成矢量光束的系統(tǒng)，包括激光器(1)、起偏器(2)、第一擴(kuò)束器(3)、一叉三叉的復(fù)合二元振幅光柵(4)、第二擴(kuò)束器(5)、光闌(6)、聚焦透鏡(7)、 二分之一波片(8)、渥拉斯頓棱鏡(9)、四分之一波片(10)、檢偏器(11)和CCD相機(jī)(12)， 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?yàn)?°的起偏器(2)后，經(jīng)過第一擴(kuò)束器(3)進(jìn)行擴(kuò)束，入射到一叉三叉的復(fù)合二元振幅光柵(4)上，旋轉(zhuǎn)一叉三叉的復(fù)合二元振幅光柵(4)使其士 1級衍射光為士m階拉蓋爾高斯光束，產(chǎn)生的衍射光經(jīng)過一個(gè)倒置的第二擴(kuò)束器(5)來增大各衍射級的衍射角，利用光闌(6)將+1級和-1級衍射光濾出，濾出的光束再經(jīng)過一個(gè)聚焦透鏡(7)對兩束光進(jìn)行會聚，在其中一束光的光路中放置一快軸方向?yàn)?5°的二分之一波片(8)，使得這一束偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，兩束偏振方向正交的衍射光經(jīng)聚焦透鏡(7)聚焦后以渥拉斯頓棱鏡(9)的分離角交匯于渥拉斯頓棱鏡(9)的中心，之后兩束光合束成為一束光，合束后的光垂直透過一快軸方向?yàn)?5° 的四分之一波片(10)后得到m階矢量光束，最后利用檢偏器(11)和CCD相機(jī)(12)觀測所生成的矢量光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用渥拉斯頓棱鏡合束生成矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于 系統(tǒng)使用了一個(gè)一叉三叉的復(fù)合二元振幅光柵(4)，在基模高斯光束的照射下，可以生成一個(gè)3X3的拉蓋爾高斯光束陣列，在水平方向生成LGtll和LGch1光束，垂直方向生成LGtl3和 LGch3光束，對角線方向生成LGtl2和LGch2光束以及LGtl4和LGch4光束，我們可以將這4對拉蓋爾高斯光束合束生成4束高階矢量光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用渥拉斯頓棱鏡合束生成矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于 系統(tǒng)采用了倒置的第二擴(kuò)束器(5)，這個(gè)擴(kuò)束系統(tǒng)有兩個(gè)作用，一是對經(jīng)過一叉三叉的復(fù)合二元振幅光柵(4)的光場進(jìn)行傅里葉變換，另一個(gè)作用是擴(kuò)大+1級和-1級衍射的夾角，這樣便于我們將二分之一波片(8)放置到其中的一個(gè)衍射級上。經(jīng)過光柵后+1級和-1級衍射光束的夾角可由θ =2sin-1(A/d)計(jì)算得到。其中λ為波長，d為光柵常數(shù)。經(jīng)過倒置的第二擴(kuò)束器+1級和-1級衍射光束的夾角擴(kuò)大為原來的M倍，M是擴(kuò)束器的擴(kuò)束倍率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用渥拉斯頓棱鏡合束生成矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于 渥拉斯頓棱鏡(9)是一種常見的偏振分光棱鏡，根據(jù)光路可逆原理將其倒置使用時(shí)，可將一束P偏振光和一束s偏振光合束，條件是ρ偏振光和s偏振光的夾角為渥拉斯頓棱鏡(9) 的分離角，分離角可以由Φ =ZsirT1 [Oitl-IO tan θ]計(jì)算得到，式中 和 為渥拉斯頓棱鏡(9)所用雙折射晶體的尋常光和非常光的折射率，θ為渥拉斯頓棱鏡(9)晶體的切割角， 因此將渥拉斯頓棱鏡(9)放置在聚焦透鏡(7)的焦點(diǎn)附近，移動聚焦透鏡(7)可以控制會聚光束的夾角，微調(diào)其位置讓會聚光的交點(diǎn)正好位于渥拉斯頓棱鏡(9)的中心。
全文摘要
本發(fā)明是一種利用渥拉斯頓棱鏡合束生成矢量光束的系統(tǒng)，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明由激光器、起偏器、第一擴(kuò)束器、一叉三叉的二元振幅光柵、第二擴(kuò)束器、光闌、聚焦透鏡、二分之一波片、渥拉斯頓棱鏡、四分之一波片、檢偏器和CCD相機(jī)組成。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種高效、穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單的生成高純度任意矢量光束的系統(tǒng)，采用渥拉斯頓棱鏡為核心元件將兩束偏振旋向相反且具有相反螺旋相位的圓偏振螺旋光束合束成為一束光，得到所需的矢量光束。本發(fā)明生成的矢量光束由于其具有的特殊性質(zhì)，使其在微納光學(xué)和光通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G02B27/09GK102269876SQ201110240488
公開日2011年12月7日 申請日期2011年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月22日
發(fā)明者王錚, 辛璟燾, 高春清 申請人:北京理工大學(xué)