本實(shí)用新型屬于光束調(diào)控
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種飛秒柱矢量光束的產(chǎn)生系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：近年來，柱矢量光束(CylindricalVectorBeams，CVB)在顯微術(shù)、光刻及材料處理、表面等離激元光學(xué)、生物光子學(xué)、納米顆粒的操控和表征等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，CVB光束作為一種新型光束逐漸成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。飛秒激光具有獨(dú)特的超強(qiáng)與超快特性，其超強(qiáng)特性使我們能以較低的脈沖能量獲得極高的峰值光強(qiáng)，誘發(fā)燒蝕、雙光子吸收等現(xiàn)象，在醫(yī)學(xué)、超精細(xì)微加工、高密度信息儲(chǔ)存和記錄方面都有著很好的發(fā)展前景。在此基礎(chǔ)上將二者結(jié)合，利用飛秒激光器來實(shí)現(xiàn)飛秒CVB光源可以進(jìn)一步觀測(cè)樣品的非線性效應(yīng)，在雙光子熒光、二次諧波產(chǎn)生等方面都有重要的應(yīng)用潛力。因此，高質(zhì)量飛秒CVB光束的產(chǎn)生，對(duì)進(jìn)一步開展相關(guān)的研究具有重要的科學(xué)價(jià)值。已報(bào)道的CVB的產(chǎn)生方法有很多種，如組合半波片法，波列壓縮法，向列液晶法，雙折射晶體法，亞波長(zhǎng)衍射光柵法，干涉疊加法，在激光腔內(nèi)插入特殊的光學(xué)孔徑，錐形的布魯斯特棱鏡或者錐透鏡，基于不連續(xù)位相元件的雙折射光束移位器件等。這些現(xiàn)有技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)，但對(duì)于飛秒激光還是有一定的局限性。比如，組合半波片法受到各分塊邊緣的結(jié)合部分衍射效應(yīng)的影響，從而產(chǎn)生偽偏振模式；亞波長(zhǎng)衍射光柵法對(duì)加工精度有很高的要求，在可見光波段要求更加苛刻；向列液晶法只適用于低功率激光；干涉疊加法通過兩個(gè)正交線偏振光束TEM10和TEM01模式的疊加產(chǎn)生，因而需要嚴(yán)格地校準(zhǔn)光路，并且對(duì)任何機(jī)械擾動(dòng)非常敏感，穩(wěn)定性不好。另外，我們?cè)谇捌诠ぷ髦幸巡捎眠^波列壓縮法產(chǎn)生高純度的CVB光束，利用螺旋位相片(SpiralPhasePlate)和一個(gè)徑向或者角向偏振選擇器來將線偏振光轉(zhuǎn)化為CVB光束，外加兩個(gè)半波片做偏振旋轉(zhuǎn)器可以實(shí)現(xiàn)任意偏振角度的CVB光束。然而，上述方法面臨的兩個(gè)共同問題：一是轉(zhuǎn)換效率低，產(chǎn)生CVB的能量利用率不超過50％；二是由于飛秒激光的一個(gè)重要特性是脈沖的高時(shí)間分辨，其脈沖長(zhǎng)度在fs量級(jí)，用以上方法調(diào)制飛秒激光的過程中，由于產(chǎn)生過程中要反復(fù)經(jīng)過多重光學(xué)器件，因而造成光束頻譜展寬等色散問題，從而嚴(yán)重影響飛秒激光脈沖的峰值及時(shí)間分辨特性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供一種飛秒柱矢量光束的產(chǎn)生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)利用飛秒激光產(chǎn)生高質(zhì)量的飛秒柱矢量光束。本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種飛秒柱矢量光束的產(chǎn)生系統(tǒng)，包括：激發(fā)光源單元，用于產(chǎn)生飛秒激光束；偏振調(diào)制單元，用于將所述飛秒激光束調(diào)制為線偏振飛秒激光束；所述系統(tǒng)還包括奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元和偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元；所述奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元包括第一波片組調(diào)制單元和若干個(gè)第二波片組調(diào)制單元；所述線偏振飛秒激光束經(jīng)過所述第一波片組調(diào)制單元，從而調(diào)制為1階飛秒柱矢量光束；所述第一波片組調(diào)制單元沿光路方向依次包括第一渦旋波片及第一半波片，所述第一渦旋波片的m值為1；所述1階飛秒柱矢量光束依次經(jīng)過所述奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元的各第二波片組調(diào)制單元，從而調(diào)制為奇數(shù)階飛秒柱矢量光束；所述第二波片組調(diào)制單元沿光路方向依次包括第二渦旋波片及第二半波片，所述第二渦旋波片的m值為2；所述第一渦旋波片和第二渦旋波片的快軸方向沿波片圓周連續(xù)旋轉(zhuǎn)；所述偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元包括若干個(gè)所述第二波片組調(diào)制單元；所述線偏振飛秒激光束依次經(jīng)過所述偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元的各第二波片組調(diào)制單元，從而調(diào)制為偶數(shù)階飛秒柱矢量光束。進(jìn)一步地，當(dāng)需要產(chǎn)生偏振方向沿逆時(shí)針變化的飛秒柱矢量光束時(shí)，沿光路最后一個(gè)第二波片組調(diào)制單元中的第二半波片保留；當(dāng)需要產(chǎn)生偏振方向沿順時(shí)針變化的飛秒柱矢量光束時(shí)，沿光路最后一個(gè)第二波片組調(diào)制單元中的第二半波片去除。進(jìn)一步地，所述第一渦旋波片和第二渦旋波片均為液晶半波片。進(jìn)一步地，所述第一渦旋波片的快軸沿波片圓周旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，快軸方向的角度改變?chǔ)?；所述第二渦旋波片的快軸沿波片圓周旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，快軸方向的角度改變2π。進(jìn)一步地，所述第一渦旋波片和各第二渦旋波片的快軸的起始方向一致。進(jìn)一步地，第一渦旋波片的光軸與進(jìn)入所述第一渦旋波片的光束的光軸重合；各第二渦旋波片的光軸與進(jìn)入所述第二渦旋波片的光束的光軸重合。進(jìn)一步地，所述激發(fā)光源單元為飛秒激光器，所述偏振調(diào)制單元為偏振片。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型通過快軸方向沿波片圓周連續(xù)變化的渦旋波片組合可調(diào)制產(chǎn)生任意偏振階數(shù)的高效率、高純度、高穩(wěn)定性的飛秒柱矢量光束，通過對(duì)渦旋波片的旋轉(zhuǎn)，還可進(jìn)一步對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行新的調(diào)制，在飛秒加工、光通信、光鑷操控、表面增強(qiáng)拉曼散射研究等前沿領(lǐng)域具有重大意義。附圖說明圖1：本實(shí)用新型飛秒柱矢量光束的產(chǎn)生系統(tǒng)組成示意圖；圖2a：第一渦旋波片快軸方向示意圖；圖2b：第二渦旋波片快軸方向示意圖；圖2c：半波片快軸方向示意圖；圖3a：一階柱矢量光束偏振示意圖；圖3b：二階柱矢量光束偏振示意圖。具體實(shí)施方式為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。本實(shí)用新型所涉及的原理如下：線偏振光的瓊斯矩陣可表示為：Ei＝[cosθsinθ]T(1a)對(duì)于m階CVB的瓊斯矩陣可表示為：其中，θ表示入射線偏光的偏振方向與x軸的夾角，表示方位角，m表示產(chǎn)生CVB光束的階數(shù)，表示CVB內(nèi)部偏轉(zhuǎn)角度。這里渦旋波片的階數(shù)m與波片快軸沿圓周旋轉(zhuǎn)的圓周數(shù)p有關(guān)，其中m＝2p。假設(shè)m階渦旋波片的瓊斯矩陣表示為：M=ABCD---(2)]]>為了產(chǎn)生m階的CVB光束，需要滿足：其中“±”表示m階CVB的偏振方向是沿順時(shí)針還是逆時(shí)針變化。一般來說，正交的入射光經(jīng)過渦旋波片后產(chǎn)生的CVB也還是正交的。因此，通過公式3可進(jìn)一步將順時(shí)針變化的m階渦旋波片的瓊斯矩陣M表示為：逆時(shí)針方向變化的m階渦旋波片的瓊斯矩陣表示為：Mmc和Mma之間存在如下關(guān)系：Mma＝MmcH0,其中H0表示快軸沿水平方向的半波片。為簡(jiǎn)單起見，我們僅針對(duì)逆時(shí)針的情況展開詳細(xì)介紹，而對(duì)于順時(shí)針的情況只需在對(duì)應(yīng)的位置添加半波片即可。理論上來說，利用具有公式4所示瓊斯矩陣的渦旋波片，我們就可以將線偏光轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)階數(shù)的CVB。但是對(duì)于高階的渦旋波片存在設(shè)計(jì)和加工成本高等問題，幸運(yùn)的是不同階數(shù)的渦旋波片瓊斯矩陣之間存在如下的關(guān)系：Mm＝Mm-nHMn(5a)M-m＝HMmH(5b)由以上公式可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于任一高階的渦旋偏振調(diào)制器件可以通過兩個(gè)低階的渦旋偏振調(diào)制器件聯(lián)合調(diào)制產(chǎn)生；另一方面，對(duì)于負(fù)數(shù)階渦旋偏振調(diào)制器可通過兩個(gè)半波片調(diào)制對(duì)應(yīng)正數(shù)階渦旋偏振調(diào)制器產(chǎn)生?；诖?，我們可以通過低階的渦旋偏振調(diào)制波片和半波片的組合來產(chǎn)生任意高階的CVB光束?；诠?(a)，任意高階的CVB光束可以通過一階和二階渦旋波片來產(chǎn)生，基于公式5(b)，對(duì)于負(fù)數(shù)階CVB可以通過在對(duì)應(yīng)正數(shù)階CVB后加半波片產(chǎn)生。本專利中所用到的一階和二階渦旋波片的快軸方向如附圖2a、圖2b所示。本實(shí)用新型的基本原理是，先通過偏振調(diào)制單元將產(chǎn)生的飛秒激光束調(diào)制為線偏振飛秒激光束，然后再通過渦旋波片組合將線偏振飛秒激光束調(diào)制為所需偏振階數(shù)(簡(jiǎn)稱階數(shù))的飛秒柱矢量光束。本實(shí)用新型所采用的渦旋波片(包括第一渦旋波片和第二渦旋波片)是一種快軸方向沿波片圓周連續(xù)旋轉(zhuǎn)液晶半波片，其激光透過率高達(dá)95％以上。通過該渦旋波片的組合調(diào)制入射的線偏振飛秒激光束的徑向偏振和方位角偏振，可產(chǎn)生高效率、高純度的飛秒柱矢量光束。本實(shí)用新型提供的飛秒柱矢量光束的產(chǎn)生系統(tǒng)用于產(chǎn)生任意階的飛秒柱矢量光束，結(jié)合圖1所示，對(duì)該系統(tǒng)的主要部件說明如下：系統(tǒng)首先包括激發(fā)光源單元1和偏振調(diào)制單元2。激發(fā)光源單元1用于產(chǎn)生飛秒激光束，偏振調(diào)制單元2用于將飛秒激光束調(diào)制為線偏振飛秒激光束。激發(fā)光源單元1采用飛秒激光器，偏振調(diào)制單元2采用偏振片。系統(tǒng)還包括奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元和偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元。線偏振飛秒激光束經(jīng)分束器3分束后，一路進(jìn)入奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元，另一路進(jìn)入偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元。奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元包括第一波片組調(diào)制單元5和若干個(gè)第二波片組調(diào)制單元4。線偏振飛秒激光束經(jīng)過第一波片組調(diào)制單元5，經(jīng)第一波片組調(diào)制單元5調(diào)制為1階飛秒柱矢量光束。具體地，第一波片組調(diào)制單元5沿光路方向依次包括第一渦旋波片501及第一半波片502。第一渦旋波片501的m值(m代表階數(shù))為1，其快軸沿波片圓周旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，快軸方向的角度改變?chǔ)?，可用于調(diào)制入射柱矢量光束的階數(shù)，使其階數(shù)加1或減1。線偏振飛秒激光束通過第一渦旋波片501調(diào)制后，形成1階飛秒柱矢量光束。第一半波片502改變1階飛秒柱矢量光束的偏振方向的變化方向，使之成為偏振方向沿逆時(shí)針變化的飛秒柱矢量光束。經(jīng)第一半波片502調(diào)制后的1階飛秒柱矢量光束經(jīng)一反射鏡6反射后，依次經(jīng)過奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元的各第二波片組調(diào)制單元4，每經(jīng)過一個(gè)第二波片組調(diào)制單元4，飛秒柱矢量光束的階數(shù)增加2，經(jīng)若干個(gè)第二波片組調(diào)制單元4依次調(diào)制后，得到奇數(shù)階飛秒柱矢量光束。具體地，m階(m＝2x+1)飛秒柱矢量光束可由1個(gè)第一波片組調(diào)制單元5和x個(gè)第二波片組調(diào)制單元4調(diào)制產(chǎn)生。第二波片組調(diào)制單元4沿光路方向依次包括第二渦旋波片401及第二半波片402，第二渦旋波片401的m值(m代表階數(shù))為2，其快軸沿波片圓周旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，快軸方向的角度改變2π，可用于調(diào)制入射柱矢量光束的階數(shù)，使其階數(shù)加2或減2，由此，1階飛秒柱矢量光束經(jīng)過若干個(gè)第二波片組調(diào)制單元4調(diào)制后得到奇數(shù)階飛秒柱矢量光束。偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元包括若干個(gè)前述的第二波片組調(diào)制單元4。線偏振飛秒激光束依次經(jīng)過偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元的各第二波片組調(diào)制單元4，每經(jīng)過一個(gè)第二波片組調(diào)制單元4，飛秒柱矢量光束的階數(shù)增加2，經(jīng)若干個(gè)第二波片組調(diào)制單元4依次調(diào)制后，得到偶數(shù)階飛秒柱矢量光束。具體地，n階(n＝2x)飛秒柱矢量光束可由x個(gè)第二波片組調(diào)制單元4調(diào)制產(chǎn)生。由上述可知，根據(jù)需要產(chǎn)生的飛秒柱矢量光束的階數(shù)可確定出本系統(tǒng)的基本光束調(diào)制結(jié)構(gòu)，即需要多少個(gè)第一波片組調(diào)制單元5和第二波片組調(diào)制單元4。利用本實(shí)用新型，只要通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)偏振片或渦旋波片的方向，就可以實(shí)現(xiàn)在不改變其階數(shù)的前提下獲得飛秒柱矢量光束偏振方向的連續(xù)變化。圖2a、2b及2c分別是第一渦旋波片501、第二渦旋波片401和半波片快軸方向分布示意圖。當(dāng)線偏振光束經(jīng)過波片后，偏振方向?qū)l(fā)生2θ的改變，其中θ為入射線偏光偏振方向與波片快軸間的夾角。圖3a及3b分別是線偏振光束經(jīng)一階渦旋波片產(chǎn)生一階柱矢量光束、及線偏振光束經(jīng)第二渦旋波片401產(chǎn)生二階柱矢量光束示意圖。需要注意的是，在調(diào)制過程中，各渦旋波片(包括第一渦旋波片501和第二渦旋波片401)需要同軸調(diào)制，其中渦旋波片快軸的起始方向保持一致，即第一渦旋波片501和各第二渦旋波片401的快軸的起始方向一致，第一渦旋波片501的光軸與進(jìn)入第一渦旋波片501的光束的光軸重合，各第二渦旋波片401的光軸與進(jìn)入第二渦旋波片401的光束的光軸重合。還需注意的是，由于每個(gè)第二波片組調(diào)制單元4中的第二半波片402是用于調(diào)制經(jīng)該第二波片組調(diào)制單元4的第二渦旋波片401輸出的飛秒柱矢量光束的偏振方向的變化方向(由沿順時(shí)針方向變化調(diào)制為沿逆時(shí)針方向變化，或由沿逆時(shí)針方向變化調(diào)制為沿順時(shí)針方向變化)的，因此，當(dāng)需要產(chǎn)生偏振方向沿順時(shí)針變化的飛秒柱矢量光束(本文中定義為正數(shù)階飛秒柱矢量光束)時(shí)，沿光路最后一個(gè)第二波片組調(diào)制單元4中的第二半波片402應(yīng)當(dāng)去除，因?yàn)閺淖詈笠粋€(gè)第二波片組調(diào)制單元4的第二渦旋波片401輸出的飛秒柱矢量光束的偏振方向就是沿順時(shí)針變化的，不需要再進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)需要產(chǎn)生偏振方向沿逆時(shí)針變化的飛秒柱矢量光束(本文中定義為負(fù)數(shù)階飛秒柱矢量光束)時(shí)，沿光路最后一個(gè)第二波片組調(diào)制單元4中的第二半波片402才需保留，以將從最后一個(gè)第二波片組調(diào)制單元4的第二渦旋波片401輸出的飛秒柱矢量光束的偏振方向的變化方向由沿順時(shí)針變化調(diào)整為沿逆時(shí)針變化。本實(shí)用新型還可對(duì)飛秒柱矢量光束進(jìn)行降階調(diào)制。例如：l(l＝m-n)階飛秒柱矢量光束可由m階柱矢量光束依次經(jīng)n個(gè)第一渦旋波片501調(diào)制產(chǎn)生。以上僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3