專利名稱：利用計算全息產生柱矢量光束的系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光學技術領域，特別涉及一種利用計算全息產生柱 矢量光束的系統。
背景技術：
徑向偏振光(Radial polarized beams)禾口方位角偏振光(azimuthal polarized beams)禾爾為柱矢量光束(Cylindrical polarized beams), 它們 擁有高度的對稱性。由于柱矢量光束的一些特性可應用到粒子加速技術、光 學鑷子、材料加工、微粒的囚禁和操控、大數值孔徑透鏡以及一些特別的測 量方法等領域。例如，柱矢量光束可應用于光學顯微系統中實現超分辨效 應，因為一定的柱矢量光束經過聚焦后焦點比同一聚焦系統中線偏振光束聚 焦的焦點的橫向光斑小。柱矢量光束的產生系統是研究和利用旋轉矢量偏振 光束的必備前提條件，引起了廣泛關注。產生柱矢量光束有很多種方法，比 如，調整一束線偏振光讓其射向扭曲排列的向列相畸變的晶體，用兩束偏振 方向相互正交的線偏振光通過干涉儀合成，調制光束不同位置的相位后干涉 合成，還有就是同時利用干涉儀和衍射的方法對激光基橫模進行轉換等等。 每種方法各有優勢，但是，仍然存在一些本質不足，主要是入射光要求高和 無法產生高偏振度的柱矢量光束。
對于激光模式的選擇，通常的激光器輸出的是基橫模光束(記為7EM。。 模)。但是，要合成柱矢量光束，必須用7^M,。(或7^M。》模光束。這樣，就 要改變激光器的輸出模式。由激光原理可知，通常的橫模選擇即是要在參與 振蕩的大量橫模中選出基橫模，根據高階橫模所占據的空間大于基橫模，因此在諧振腔內加入一定尺寸限制的光鬧和合理設計諧振腔的腔型及參數將會 增大高階橫模的衍射損耗從而抑制其振蕩。選擇的方法可分兩種，其一是通 過設計諧振腔的幾何結構和腔參數實現基橫模運轉，其二是在腔內加入選模 元件。然而，要保留7^M,。(或7^MM)模光束而抑制其它階的模要更加復雜，
而且改變激光的諧振腔也是比較麻煩的，比如，可以設計一個帶有一條線通
過圓心的圓環，理論上可以較好地實現輸出7^^。(或7^M。,)模光束，然而對 于中間過濾線的精度要求很高，因此現實中很難實現。隨著信息社會和知識 經濟的迅速發展，激光的各階模式在各種實驗和設計制造中運用得越來越廣 泛，在國防建設和現代科學技術中顯得更加重要。因此，能簡單、快捷地獲 得所須的激光模式是十分關鍵的。 發明內容
本實用新型是針對現在實現柱矢量光束的方法入射光要求高，實現困難 的問題，提出了一種利用計算全息產生柱矢量光束的系統，利用計算全息的 不失真特性，實現激光7^Mi。(或7^M(J模光束，最終得到柱矢量光束，此方
法對入射光要求低、操作調節簡單、產生出的柱矢量光束的偏振度高。
本實用新型的技術方案為 一種利用計算全息產生柱矢量光束的系統， 包括單模激光器1、透鏡2、圓孔光闌3、透鏡4、全息片5、傅里葉變換透 鏡6、空間濾波器7、傅里葉逆變換透鏡8、折射棱鏡9、起偏器10、分光板 11、反射棱鏡12、相位板14、平面反射鏡15、偏振合光鏡16，單模激光器 1輸出基橫模光束，在經過由透鏡2與透鏡4組成的擴束整形器形成平行光， 擴束整形器中放置一個圓孔光闌3，平行光對稱光軸垂直入射全息片5;光 束經過傅里葉變換透鏡6后在傅里葉變換透鏡6的后焦面上得到7^^。或7EM。,模光束的傅里葉變換頻譜；在傅里葉變換透鏡6的后焦面上有一個空
間濾波器7，讓所需的衍射級次通過；光束經過傅里葉逆變換透鏡8后，得 到7EM,。或7^M。,模光束；7^1《。或ZEM。,模光束經過折射棱鏡9改變傳播方
向；再經過起偏器10;經過一面涂有半透半反膜的分光板11后變成兩束等 光強的光束； 一束光經過轉像反射棱鏡12變成Ze4或7^M,。模光束并改變 光軸方向；另一束光經過可變相位板14，經過成45度放置的平面反射鏡15 改變光軸方向；兩束光在偏振合光鏡16相干疊加，從另一端輸出柱矢量光 束。
所述的全息片是用計算像全息的方法獲得，包括對物光波數學表達式的 抽樣、編碼為透過率函數、用計算機進行繪圖與照相縮版。 所述擴束整形器為開普勒型擴束鏡。
所述傅里葉變換透鏡6和傅里葉逆變換透鏡8均為正透鏡，且傅里葉變
換透鏡6的焦距大于等于傅里葉逆變換透鏡8的焦距。
所述傅里葉逆變換透鏡8的前焦點與傅里葉變換透鏡6的后焦點重合。 所述空間濾波器7位于傅里葉逆變換透鏡8的前焦面。 所述一束光經過轉像反射棱鏡12變成7^Mw或7^M,。模光束，在進入偏
振合光鏡16前可根據所需的柱矢量光柱選擇加1/2波片13。
本實用新型的有益效果在于本實用新型利用計算全息產生柱矢量光束
的系統，對入射光束的偏振態無限制、對于入射光束要求低、系統應用范圍
廣，產生的柱矢量光束的偏振度高。
圖1為本實用新型利用計算全息產生柱矢量光束的系統中計算像面全息流程圖2為本實用新型利用計算全息產生柱矢量光束的系統中合成柱矢量示意 圖3為本實用新型利用計算全息產生柱矢量光束的系統結構示意圖。
具體實施方式
圖1為計算像面全息流程圖，包括對物光波數學表達式的抽樣、編碼為 透過率函數、用計算機進行繪圖與照相縮版，具體步驟如下對激光 7EM1()(或ZEM。》模表達式抽樣，表達式為
2 2
￡01 (x， J, z) = 4n五。exp[— X 2+/ 一 (x， j;, x)] "(z) w (z)
五10 O，凡z) = 4。￡。 "5^7 exP[— X 2+/、 — z0io (x， 乂 x)] & (z) w (z)
式中
—)= i《)2= ^[i+(;)2]
O01 (x， y， z) = 0>1() (x， y， z) = A:[/ + z + :(;2"2:] — + arctan
上式中，An為歸一化常數；丄為共焦腔長；/=f = *為腔鏡的焦距<
用二維梳狀函數作為抽樣函數，函數/(x,力的抽樣由下式定義
其中
義":v) = /(x, 奮,
cow6(上，Z)二燈￡ I]《(;c-wX,y-"y)
因此，抽樣值函數/,(x,力由^函數的陣列組成，各個5函數之間的相互間隔 在x方向上的寬度為X，而在y方向上的寬度為Y;采用迂回相位法編碼；
在計算機中完成幅值和相位編碼后，可用計算機控制繪圖儀，輸出繪制在紙上或曝光在感光膠片上。再用精密相機縮微到合適尺寸(約5毫米見方)。
圖2為合成柱矢量示意圖，箭頭表示偏振態方向，可用起偏器選擇。 其原理是利用激光7^M。,和7EM,。模光束可以合成柱矢量光束，設兩個輸入
光為同相位，
<formula>formula see original document page 8</formula> 式中，r和P表示極坐標系，￡。為振幅，w為高斯光束腰斑半徑， /7 = 2r2/w2 。 進行簡單的矢量相加減得
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中^和^是方位角和徑向的單位矢量，其中式(1)與式(2)分別表示方 位角偏振光和徑向偏振光。
圖3為利用計算全息產生柱矢量光束的設備結構示意圖，包括單模激光 器1、透鏡2、圓孔光闌3、透鏡4、全息片5、傅里葉變換透鏡6、空間濾 波器7、傅里葉逆變換透鏡8、折射棱鏡9、起偏器10、分光板11、反射棱 鏡12、 1/2波片13、相位板14、平面反射鏡15，其具體工作過程為單模 激光器1輸出基橫模光束；透鏡2與透鏡4組成擴束整形器，為開普勒型擴 束鏡；擴束整形器中放置一個圓孔光闌3，目的是過濾掉橫截面上離中心點 相距一定距離的光，為了提光過濾精度，把光闌離焦放置；輸入光在經過擴 束整形器形成平行光，對稱光軸垂直入射全息片5;光束經過傅里葉變換透 鏡6后在傅里葉變換透鏡6的后焦面上得到7^^。(或7^M。》模光束的傅里葉 變換頻譜；在傅里葉變換透鏡6的后焦面上放置一個空間濾波器7，讓所需的衍射級次通過；光束經過傅里葉逆變換透鏡8后，得到所需的復數物波 面，即所需要的T^M。(或7EMm )模光束；r￡M1()(或JEMQ1)模光束經過折射棱 鏡9改變傳播方向；再經過起偏器10;經過一面涂有半透半反膜的分光板 11后變成兩束等光強的光束； 一束光經過轉像反射棱鏡12變成7^l^(或 r五M,。)模光束并改變光軸方向，根據所需的柱矢量光柱選擇加1/2波片13;
另一束光經過可變相位板14，經過成45度放置的平面反射鏡15改變光軸方 向；兩束光在偏振合光鏡16相干疊加，從另一端輸出柱矢量光束。
所述的全息片為用計算像全息的方法獲得；所述的傅里葉變換透鏡6和 傅里葉逆變換透鏡8均為正透鏡，且傅里葉變換透鏡6的焦距大于等于傅里 葉逆變換透鏡8的焦距；所述的傅里葉逆變換透鏡8的前焦點與傅里葉變換 透鏡6的后焦點重合；所述的空間濾波器7位于傅里葉逆變換透鏡8的前焦 面；所述的馬赫-曾德干涉儀內的相位板14是可變相位板，作為補償板和調 節相位板使用；所述的馬赫-曾德千涉儀前必須加起偏器10。
權利要求1、一種利用計算全息產生柱矢量光束的系統，其特征在于，包括單模激光器(1)、透鏡(2)、圓孔光闌(3)、透鏡(4)、全息片(5)、傅里葉變換透鏡(6)、空間濾波器(7)、傅里葉逆變換透鏡(8)、折射棱鏡(9)、起偏器(10)、分光板(11)、反射棱鏡(12)、相位板(14)、平面反射鏡(15)、偏振合光鏡(16)，單模激光器(1)輸出基橫模光束，在經過由透鏡(2)與透鏡(4)組成的擴束整形器形成平行光，擴束整形器中放置一個圓孔光闌(3)，平行光對稱光軸垂直入射全息片(5)；光束經過傅里葉變換透鏡(6)后在傅里葉變換透鏡(6)的后焦面上得到TEM10或TEM01模光束的傅里葉變換頻譜；在傅里葉變換透鏡(6)的后焦面上有一個空間濾波器(7)，讓所需的衍射級次通過；光束經過傅里葉逆變換透鏡(8)后，得到TEM10或TEM01模光束；TEM10或TEM01模光束經過折射棱鏡(9)改變傳播方向；再經過起偏器(10)；經過一面涂有半透半反膜的分光板(11)后變成兩束等光強的光束；一束光經過轉像反射棱鏡(12)變成TEM01或TEM10模光束并改變光軸方向；另一束光經過可變相位板(14)，經過成45度放置的平面反射鏡(15)改變光軸方向；兩束光在偏振合光鏡(16)相干疊加，從另一端輸出柱矢量光束。
2 、根據權利要求1所述利用計算全息產生柱矢量光束的系統，其特征在 于，所述擴束整形器為開普勒型擴束鏡。
3、根據權利要求1所述利用計算全息產生柱矢量光束的系統，其特征在 于，所述傅里葉變換透鏡(6)和傅里葉逆變換透鏡(8)均為正透鏡，且傅里 葉變換透鏡(6)的焦距大于等于傅里葉逆變換透鏡(8)的焦距。
4、 根據權利要求1所述利用計算全息產生柱矢量光束的系統，其特征在 于，所述傅里葉逆變換透鏡(8)的前焦點與傅里葉變換透鏡(6)的后焦點重合。
5、 根據權利要求1所述利用計算全息產生柱矢量光束的系統，其特征在 于，所述空間濾波器(7)位于傅里葉逆變換透鏡(8)的前焦面。
6、 根據權利要求1所述利用計算全息產生柱矢量光束的系統，其特征在 于，所述一束光經過轉像反射棱鏡(12)變成7^M。,或raA/,。模光束，在進入 偏振合光鏡(16)前可根據所需的柱矢量光柱選擇加l/2波片(13)。
專利摘要本實用新型涉及一種利用計算全息產生柱矢量光束的系統，以普通單模激光器產生的光束作為輸入光，經過擴束整形器形成平行光束，經過計算全息片、傅里葉變換透鏡、空間濾波器、傅里葉逆變換透鏡后得到激光TEM<sub>10</sub>(或TEM<sub>01</sub>)模光束，經過折射棱鏡改變光軸，經過起偏器變成一定角度的線偏振光，經過馬赫-曾德干涉儀合成柱適量光束。本實用新型具有對入射光束要求低、裝置簡單且易操作、輸出的柱矢量光束偏振度高等優點。
文檔編號G02B27/46GK201378236SQ200920067260
公開日2010年1月6日 申請日期2009年1月22日 優先權日2009年1月22日
發明者丁左紅, 莊松林, 方寶英, 藍景恒, 郭漢明, 郭舒文, 高秀敏 申請人:上海理工大學