專利名稱：偏振轉(zhuǎn)換器、矢量光束生成系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種偏振轉(zhuǎn)換器、矢量光束生成系統(tǒng)及方法。
技術(shù)背景
近年來，隨著研究與應(yīng)用的不斷深入，調(diào)控光束的偏振態(tài)以產(chǎn)生具有空間不均勻 偏振分布的偏振光束引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，成為光學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點。這種具有 空間不均勻偏振分布的偏振光束被稱為矢量光束(Vector beams)。通過有目的地調(diào)控光場 空間的偏振態(tài)將產(chǎn)生一些新的光學(xué)現(xiàn)象或效應(yīng)，并因此擴展和增強傳統(tǒng)光學(xué)儀器與系統(tǒng)的 性能，如實現(xiàn)光學(xué)超分辨、進行微小粒子捕獲、提高材料加工效率和質(zhì)量等。
現(xiàn)有技術(shù)中的生成矢量光束的方法根據(jù)生成方法是否涉及增益媒質(zhì)分為有源方 法和無源方法兩大類。其中，有源方法通常是直接在激光腔內(nèi)加入特定偏振模式選擇器件 直接輸出不同類型的矢量光束；無源方法則是在激光腔外利用特定設(shè)計的光學(xué)器件和系統(tǒng) 或利用干涉結(jié)構(gòu)通過不同模式疊加，將偏振空間均勻的光束轉(zhuǎn)換為偏振空間不均勻的矢量 光束。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)中的方法多數(shù)只能生成單一波長或較短波段范圍的矢量光束， 無法靈活地應(yīng)用在寬波段的光學(xué)系統(tǒng)中。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種偏振轉(zhuǎn)換器、矢量光束生成系統(tǒng)及方法，實現(xiàn)在較寬 波段內(nèi)靈活地將線偏振光轉(zhuǎn)換為不同偏振分布的矢量光束。
本發(fā)明實施例提供一種偏振轉(zhuǎn)換器，包括多個等面積且呈扇形狀的分塊亞波長 介質(zhì)光柵；其中，
所述多個等面積且呈扇形狀的分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵周期相同，光柵刻槽的 取向相同；通過按預(yù)設(shè)條件設(shè)定所述所有分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵刻槽在空間的取向， 將入射至所述偏振轉(zhuǎn)換器的偏振空間均勻的線偏振光轉(zhuǎn)換為多種不同形式的偏振空間不 均勻的矢量光束。
本發(fā)明實施例還提供一種矢量光束生成系統(tǒng)，包括
激光器，用于發(fā)出激光束；
濾波系統(tǒng)，用于將所述激光束進行濾波，
準直透鏡，用于將所述濾波后的激光束準直為平行光束；
擴束系統(tǒng)，用于將所述平行光束調(diào)整成適當大小的光斑；
偏振片,用于將所述光斑轉(zhuǎn)換為偏振空間均勻的線偏振光,所述線偏振光的方向 由所述偏振片的通光方向確定；
偏振轉(zhuǎn)換器，用于將入射的所述線偏振光轉(zhuǎn)換為偏振空間不均勻的矢量光束；
其中，通過調(diào)整所述激光器發(fā)出的所述激光束并按預(yù)設(shè)條件設(shè)定所述偏振轉(zhuǎn)換器 上的所有分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵刻槽在空間的取向，將入射至所述偏振轉(zhuǎn)換器的偏振 空間均勻的線偏振光轉(zhuǎn)換為多種不同形式的偏振空間不均勻的矢量光束。
本發(fā)明實施例還提供一種矢量光束生成方法，包括
通過激光器發(fā)出激光束；
通過濾波系統(tǒng)將所述激光束進行濾波，
通過準直透鏡將所述濾波后的激光束準直為平行光束；
通過擴束系統(tǒng)將所述平行光束調(diào)整成適當大小的光斑；
通過偏振片將所述光斑轉(zhuǎn)換為偏振空間均勻的線偏振光,所述線偏振光的方向由所述偏振片的通光方向確定；
通過偏振轉(zhuǎn)換器將入射的所述線偏振光轉(zhuǎn)換為偏振空間不均勻的矢量光束；
其中，通過調(diào)整所述激光器發(fā)出的所述激光束并按預(yù)設(shè)條件設(shè)定所述偏振轉(zhuǎn)換器上的所有分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵刻槽在空間的取向，將入射至所述偏振轉(zhuǎn)換器的偏振空間均勻的線偏振光轉(zhuǎn)換為多種不同形式的偏振空間不均勻的矢量光束。
本發(fā)明提供的偏振轉(zhuǎn)換器、矢量光束生成系統(tǒng)及方法，通過由多個分塊的亞波長介質(zhì)光柵組成并且每一塊光柵刻槽的周期和方向都相同，通過靈活改變不同分塊光柵在空間的分布形式，可以在較寬波段內(nèi)靈活地將線偏振光轉(zhuǎn)換為不同偏振分布的矢量光束，從而簡化了偏振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計和制作，使得偏振轉(zhuǎn)換器具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，并且生成的矢量光束的偏振純度更高。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發(fā)明實施例中所述的亞波長介質(zhì)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明偏振轉(zhuǎn)換器一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖3為根據(jù)圖2所示實施例設(shè)計的共振區(qū)亞波長介質(zhì)光柵的相位延遲隨入射激光波長的變化曲線示意圖4為根據(jù)圖2所示實施例偏振轉(zhuǎn)換器的空間角度的示意圖5為根據(jù)圖2所示實施例生成光束的偏振純度隨著器件相對分塊數(shù)的變化曲線.-^4 ，
圖6為本發(fā)明矢量光束生成系統(tǒng)一個實施例的結(jié)構(gòu)不意圖7為本發(fā)明矢量光束生成方法一個實施例的流程示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明`實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
圖1為本發(fā)明實施例中所述的亞波長介質(zhì)光柵的結(jié)構(gòu)示意圖，其中光柵基底材料的折射率為n3，光柵材料折射率為Ii1，填充材料的折射率為n2，覆蓋層材料的折射率為％，該覆蓋層通常為空氣，即n0=1.0 ;光柵周期為d，介質(zhì)光柵的刻槽寬度為d1，則d1/d稱為介質(zhì)光柵的占空比在為光柵刻槽方向矢量，k為入射光束的波矢，且將入射光束分解為振動方向與入射面垂直的TE分量和振動方向與入射面平行的TM分量。對于一介質(zhì)光柵，若光柵周期d小于入射光的波長λ，則此情況下稱該光柵為亞波長介質(zhì)光柵?；诘刃Ы橘|(zhì)膜理論(effective medium theory,簡稱為EMT),該亞波長介質(zhì)光柵可看做是具有形式雙折射特性的介質(zhì)薄膜，光束在其中傳播時分解為振動方向垂直的兩束線偏振光，在圖1所示的情況下，這兩束線偏振光的方向分別沿著TE分量和TM分量的振動方向，其對應(yīng)的等效折射率不同，并分別定義為nTE和nTM。通過控制光柵周期及占空比可調(diào)控該亞波長介質(zhì)光柵形式雙折射的特性，即調(diào)控該介質(zhì)薄膜的等效折射率nTE和nTM。在共振區(qū)內(nèi)，即dλ=1~1.0 的情況下，該等效介質(zhì)薄膜的等效雙折射率差為Δn=nTM-nTE，且該等效雙折射率差Δ n與入射光的波長λ有密切關(guān)系，特別是當光柵周期d與入射光的波長λ接近時?；谶@一特性，本發(fā)明實施例提出了一種偏振轉(zhuǎn)換器，該偏振轉(zhuǎn)換器基于亞波長介質(zhì)光柵的π相位延遲器(即半波片)，并且該偏振轉(zhuǎn)換器在一個較寬波段內(nèi)都基本上具有相同的相位延遲。此時，本發(fā)明實施例中的偏振轉(zhuǎn)換器在該波段內(nèi)滿足如下等式(1-1)關(guān)系
2π/λ*Δn(λ)h=π (1-1)
其中，h為介質(zhì)光柵的刻槽深度；Δn( λ)是某一波長對應(yīng)的等效折射率差，并且 Δn(λ)與介質(zhì)光柵的結(jié)構(gòu)以及所用的介質(zhì)材料有密切關(guān)系，例如，光柵周期d，光柵的刻槽占空比屯/d,介質(zhì)折射率nQ、Iipn2和n3。
圖2為本發(fā)明寬波段消色偏差偏振轉(zhuǎn)換器一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖2所示， 本發(fā)明實施例包括多個等面積且呈扇形狀的分塊亞波長介質(zhì)光柵(如圖2中的介質(zhì)光柵1、介質(zhì)光柵2、…、介質(zhì)光柵m、…、介質(zhì)光柵η),本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是,本發(fā)明實施例以多個分塊亞波長介質(zhì)光柵具體為η個為例進行示例性說明。
其中，多個等面積且呈扇形狀的分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵周期相同，光柵刻槽的取向相同；通過按設(shè)定條件設(shè)定所有分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵刻槽在空間的取向，將入射至偏振轉(zhuǎn)換器的偏振空間均勻的入射線偏振光轉(zhuǎn)換為多種不同形式的偏振空間不均勻的矢量光束。其中，圖2中的X軸表示入射線偏振光的振動方向。
本發(fā)明實施例提供的偏振轉(zhuǎn)換器，通過由多個分塊的亞波長介質(zhì)光柵組成并且每一塊光柵刻槽的周期和方向都相同，通過靈活改變不同分塊光柵在空間的分布形式，可以在較寬波段內(nèi)靈活地將線偏振光轉(zhuǎn)換為不同偏振分布的矢量光束，從而簡化了偏振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計和制作，使得偏振轉(zhuǎn)換器具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，并且生成的矢量光束的偏振純度更高。
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面通過圖3 圖5對圖2所示實施例進行詳細描述；其中，圖3為根據(jù)圖2所示實施例設(shè)計的共振區(qū)亞波長介質(zhì)光柵的相位延遲隨入射激光波長的變化曲線示意圖，圖4為根據(jù)圖2所示實施例偏振轉(zhuǎn)換器的空間角度的示意圖，圖5為根據(jù)圖2所示實施例生成光束的偏振純度隨著器件相對分塊數(shù)的變化曲線。
具體地，可以通過電磁場理論并結(jié)合全局尋優(yōu)算法在共振區(qū)設(shè)計上述圖2所示實施例中的偏振轉(zhuǎn)換器上的亞波長介質(zhì)光柵。進一步地，偏振轉(zhuǎn)換器的基底材料為玻璃，介質(zhì)光柵的材料為熔融石英，其在600納米(nm)處的折射率為1. 458，光柵周期為O. 52微米 (μ m)，占空比為O. 65，刻槽深度為5. 75 μ m。該介質(zhì)光柵在400 800nm的波段范圍的相位延遲如圖3所示，從圖3可知，在整個寬波段內(nèi)，介質(zhì)光柵的相位延遲基本上是180°，最大偏差僅為6°。因此本發(fā)明實施例中的偏振轉(zhuǎn)換器可在較寬波段內(nèi)實現(xiàn)180°相位延遲， 在功能上實現(xiàn)了較寬波段內(nèi)消色差的半波片所實現(xiàn)的功能。
如圖4所示，以第二個(標號2)扇形區(qū)域為例進行示例性說明，第二個光柵區(qū)域的角平分線與入射線偏振光的振動方向(X軸)的夾角為Θ，光柵刻槽的法線與X軸的夾角為 φ。若入射至偏振轉(zhuǎn)換器的線偏振光的振動方向沿著X軸，則該線偏振光透過該第二個扇形區(qū)域的光柵的振動方向滿足等式(1-2)
φ = 2X Φ=ΡΧ Θ (1-2)
其中，P為生成的矢量光束的偏振級次，表示生成的矢量光束沿圓周方向變化 360°時光束振動方向變化的周期數(shù)。進一步地，若令Φ = 2ΧΦ=Θ，則此時預(yù)設(shè)條件為 Ρ=1> Φ=θ/2，此時生成的矢量光束是一種近似徑向偏振光；若令Φ = 2ΧΦ=θ+π/2,Μ 此時預(yù)設(shè)條件為Φ=θ/2+π/4，此時生成的矢量光束是一種近似切向偏振光。類似地，若 Φ=Ρ θ /2(Ρ為大于I的某個整數(shù))，則得到了一種近似高級次軸對稱偏振光束。因此，通過本發(fā)明實施例可知，通過靈活按照預(yù)設(shè)條件調(diào)控每個分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵刻槽在空間的取向分布，可以得到更多形式更為復(fù)雜的矢量光束。
通過上述本發(fā)明實施例生成的矢量光束在空間上是離散的，矢量光束的離散程度取決于偏振轉(zhuǎn)換器上的介質(zhì)光柵的分塊數(shù)，分塊數(shù)越多，則獲得的矢量光束越接近理想情況。為了更好的說明本發(fā)明實施例的技術(shù)效果，本發(fā)明實施例利用“偏振純度”描述生成的矢量光束的偏振質(zhì)量；進一步地，本發(fā)明實施例所述的偏振純度是指生成的矢量光束沿著理想振動方向的能量與光束總能量的比值。對于如圖2所示的結(jié)構(gòu)，若生成的矢量光束的偏振級次為P，則生成的矢量光束的偏振純度PR為如下等式
權(quán)利要求
1.一種偏振轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述偏振轉(zhuǎn)換器包括多個等面積且呈扇形狀的分塊亞波長介質(zhì)光柵；其中， 所述多個等面積且呈扇形狀的分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵周期相同，光柵刻槽的取向相同；通過按預(yù)設(shè)條件設(shè)定所述所有分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵刻槽在空間的取向，將入射至所述偏振轉(zhuǎn)換器的偏振空間均勻的線偏振光轉(zhuǎn)換為多種不同形式的偏振空間不均勻的矢量光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振轉(zhuǎn)換器，在所述多個等面積且呈扇形狀的分塊亞波長介質(zhì)光柵中的每一個扇形區(qū)域中，所述扇形區(qū)域的角平分線與所述入射線偏振光的第一振動方向所成的夾角為Θ，所述光柵刻槽的法線與所述第一振動方向所成的夾角為Φ，則所述入射線偏光透過所述扇形區(qū)域的光柵的第二振動方向滿足等式Φ =2ΧΦ=ΡΧ Θ，其中，P為生成的矢量光束的偏振級次。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的偏振轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述多個等面積呈扇形狀的分塊亞波長介質(zhì)光柵為熔融石英，所述介質(zhì)光柵在600納米處的折射率為1. 458。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的偏振轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述光柵周期為O.52微米，所述偏振轉(zhuǎn)換器的占空比為O. 65，所述光柵刻槽的深度為5. 75微米。
5.一種矢量光束生成系統(tǒng)，其特征在于，所述矢量光束生成系統(tǒng)包括 激光器，用于發(fā)出激光束； 濾波系統(tǒng)，用于將所述激光束進行濾波； 準直透鏡，用于將所述濾波后的激光束準直為平行光束； 擴束系統(tǒng)，用于將所述平行光束調(diào)整成適當大小的光斑； 偏振片，用于將所述光斑轉(zhuǎn)換為偏振空間均勻的線偏振光，所述線偏振光的方向由所述偏振片的通光方向確定； 偏振轉(zhuǎn)換器，用于將入射的所述線偏振光轉(zhuǎn)換為偏振空間不均勻的矢量光束； 其中，通過調(diào)整所述激光器發(fā)出的所述激光束并按預(yù)設(shè)條件設(shè)定所述偏振轉(zhuǎn)換器上的所有分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵刻槽在空間的取向，將入射至所述偏振轉(zhuǎn)換器的偏振空間均勻的線偏振光轉(zhuǎn)換為多種不同形式的偏振空間不均勻的矢量光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括 偏振片，用于檢測所述矢量光束的空間偏振特性； 電荷耦合元件，用于接收透過所述偏振片的矢量光束的強度，并將所述強度信號發(fā)送給計算設(shè)備，以使得所述計算設(shè)備對所述矢量光束進行分析處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述所有分塊亞波長介質(zhì)光柵為等面積且呈扇形狀，所述所有分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵周期相同，光柵刻槽的取向相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，在所述所有分塊亞波長介質(zhì)光柵中的每一個扇形區(qū)域中，所述每一個扇形區(qū)域的角平分線與所述線偏振光的第一振動方向所成的夾角為Θ，所述光柵刻槽的法線與所述第一振動方向所成的夾角為Φ，則所述入射線偏光透過所述扇形區(qū)域的光柵的第二振動方向滿足等式Φ = 2Χ Φ=ΡΧ Θ，其中，P為所述矢量光束的偏振級次。
9.一種矢量光束生成方法，其特征在于，所述方法包括 通過激光器發(fā)出激光束；通過濾波系統(tǒng)將所述激光束進行濾波， 通過準直透鏡將所述濾波后的激光束準直為平行光束； 通過擴束系統(tǒng)將所述平行光束調(diào)整成適當大小的光斑； 通過偏振片將所述光斑轉(zhuǎn)換為偏振空間均勻的線偏振光，所述線偏振光的方向由所述偏振片的通光方向確定； 通過偏振轉(zhuǎn)換器將入射的所述線偏振光轉(zhuǎn)換為偏振空間不均勻的矢量光束； 其中，通過調(diào)整所述激光器發(fā)出的所述激光束并按預(yù)設(shè)條件設(shè)定所述偏振轉(zhuǎn)換器上的所有分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵刻槽在空間的取向，將入射至所述偏振轉(zhuǎn)換器的偏振空間均勻的線偏振光轉(zhuǎn)換為多種不同形式的偏振空間不均勻的矢量光束。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 通過偏振片檢測所述矢量光束的空間偏振特性； 通過電荷耦合元件接收透過所述偏振片的矢量光束的強度，并將所述強度信號發(fā)送給計算設(shè)備，以使得所述計算設(shè)備對所述矢量光束進行分析處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種偏振轉(zhuǎn)換器、矢量光束生成系統(tǒng)及方法，該偏振轉(zhuǎn)換器包括多個等面積且呈扇形狀的分塊亞波長介質(zhì)光柵；其中，所述多個等面積且呈扇形狀的分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵周期相同，光柵刻槽的取向相同；通過按預(yù)設(shè)條件設(shè)定所述所有分塊亞波長介質(zhì)光柵的光柵刻槽在空間的取向，將入射至所述偏振轉(zhuǎn)換器的偏振空間均勻的線偏振光轉(zhuǎn)換為多種不同形式的偏振空間不均勻的矢量光束。本發(fā)明實施例能夠簡化偏振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計和制作，使得偏振轉(zhuǎn)換器具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，并且生成的矢量光束的偏振純度更高。
文檔編號G02B27/28GK103033945SQ201210562648
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者周哲海, 譚峭峰, 顧華榮, 祝連慶 申請人:北京信息科技大學(xué), 清華大學(xué)