專利名稱：利用光學微分實現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，特別涉及一種利用光學微分系統和 馬赫-曾德干涉儀產生柱矢量偏振光束。
背景技術：
徑向偏振光(Radial polarized beams)禾口方位角偏振光(azimuthal polarized beams)稱為柱矢量振光光束(Cylindrical polarized beams),它們擁有高度的對 稱性。徑向偏振光束是指光束的偏振態呈中心對稱分布的光束，各點的偏振 方向始終沿光束橫截面的半徑方向。方位角偏振光束是指光束的偏振態呈旋 轉軸對稱分布的光束，各點的偏振方向始終沿光束橫截面上圓的切線方向。 柱矢量光束應用到計量、聚焦、光譜、微橢圓、光刻技術、電子加速、材料 加工等方面。例如，徑向偏振光束對激光切割金屬有用，這時要求加工表面 有最大的輻射吸收。方位角偏振光束在通過圓形中空金屬波導時損失最小。 柱矢量偏振光束的產生是利用和研究柱矢量光束的必備前提條件，具有重要 的意義，也引起了深入的研究和廣泛的關注。在現有的技術中，有一種方法 是利用reM。。模通過一塊相位板，該相位板的上半部分為;r相位板，下半部分 為0相位板，通過相位板的兩束光線相差180。干涉后近似得到7EM。,模。由 于此方法得到的7^M。,模是近似的，這樣據此得到的柱矢量偏振光束的偏振
度是不高的。還有一種方法是在激光諧振腔中加上一個圓環，圓環上放置一 根金屬絲，目的是去除基模和其它高階模，僅使激光器輸出7^《。模。但是
該方法中對圓環的大小和金屬絲的尺寸設置是不容易實現的，且操作麻煩。 還有許多方法，例如， 一種雙干涉結構將線偏振光轉變為徑向偏振光、激光器諧振腔內部兩個正交7^M。,模的組合和帶有偏移線偏振高斯光束單模光纖的
激發等等。這些方法有一定的優點，但實施起來比較困難。
發明內容
本實用新型是針對現在實現柱矢量光束的方法偏振度不高，實現困難的 問題，提出了一種利用光學微分系統和馬赫-曾德干涉儀產生柱矢量偏振光束 的裝置，利用光學微分的方式將7EM。。模轉化為7Eil《。模或reM。,模，利用馬 赫-曾德干涉儀按照一定的方式合成7^M,。模和7EM。,模，從而得到柱矢量偏振 光束，方法簡單，易于操縱且有較高的偏振度。
本實用新型的技術方案為一種利用光學微分系統和馬赫-曾德干涉儀產生 柱矢量偏振光束的裝置，包括激光器l、透鏡2、 3、 4、微分濾波器5、透鏡 6、起偏器7、分束鏡8、 1/2玻片9、轉像反射棱鏡IO、變相板ll、 1/2玻片 12、平面鏡13、 ；r相位板14和偏振分合鏡15。激光器1產生的raM。。模通過 由透鏡2和透鏡3組成的擴束整形鏡后經過透鏡3準直，準直后的光束經過 透鏡4實現傅里葉變換，然后通過頻譜面上的一個微分濾波器5，再經過透 鏡6得到7EM。。模的微分結果7^《。模；reM,。模后接馬赫-曾德干涉儀，即通 過起偏器7和分束鏡8分成兩束光， 一束光通過1/2玻片9和轉像反射棱鏡 10后得到rEM。,模進入偏振分合鏡15，另一束光通過變相板11、 1/2玻片 12、平面鏡13和;r相位板14進入偏振分合鏡15，與進入偏振分合鏡15的
r五Mw模干涉疊加得到柱矢量光束。
所述微分濾波器5由激光器16、分束鏡17、平面鏡18、平面鏡19、擴 束鏡20、擴束鏡21、干板22和平臺23構成。激光器16發出光束經分束鏡 17分成兩束光，兩束光分別通過平面鏡18和平面鏡19反射后到達擴束鏡20和擴束鏡21，被分別擴束成一定夾角的兩束相干光，相干光投射到玻璃 全息干板22上，干板22架置于一個能在水平面內轉動的平臺23上。所述 平面鏡18和平面鏡19;擴束鏡20和擴束鏡21都是軸對稱的。所述激光器 16為氦氖激光器；平面鏡18和平面鏡19為普通的平面鏡；擴束鏡20和擴 束鏡21為伽利略型擴束鏡。
本實用新型的有益效果在于本實用新型利用光學微分系統和馬赫-曾德 干涉儀產生柱矢量偏振光束，通過適當的改變馬赫-曾德干涉儀兩條臂中光波 的偏振態，可以產生徑向偏振光和方位角偏振光，因此具有柱矢量光束輸出 和光束偏振態調節便利的特點，且產生方法步驟簡單、實現方便、容易操作 和適合廣泛應用。
圖1為本實用新型利用光學微分實現柱矢量光束的系統的結構示意圖2為本實用新型利用光學微分實現柱矢量光束的系統中微分濾波器的制作
光路示意圖3為本實用新型利用光學微分實現柱矢量光束的系統中柱矢量光束偏振態
的分布示意圖。
具體實施方式
通過對方形球面鏡共焦腔的行波場表達式分析可知7EM,。模可以通過 ^M。。模對X求導得到(同理，7^Mw模可以通過7EM。。模對7求導得到)，于 是利用光學微分的方式可以得到r￡M1()模(或模)，<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，^^"J，z)表示7^M目模在腔內任一點(x,y，z)處的電場強度; 4 為與模階次有關的歸 一 化常數；￡。為與坐標無關的常量;
丄為共焦腔腔長；/ = * = *為腔鏡的焦距。&("與//
分別為m，n階厄米多項式。 由上式可以得到
<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 8</formula>
因此，A。(x,少，z)與^^^只是系數上的差異故可以通過微
分轉換得到；光學微分的實現過程是三透鏡4f系統，從激光器中產生的 7EM。。模通過一個擴束鏡擴束后經過第一個透鏡準直，經過第二個透鏡實現
傅里葉變換，通過頻譜面上的一個微分濾波器，經過第三個透鏡實現傅里葉 逆變換即得到raM。。模的微分結果reM,。模；7EM，。模通過轉像反射棱鏡后得
到7EMw模，后兩個模通過干涉儀干涉疊加得到柱矢量光束；具有柱矢量光
束輸出，光束偏振態可調節。
如圖1利用光學微分實現柱矢量光束系統的結構示意圖，包括激光器 1、透鏡2、透鏡3、透鏡4、微分濾波器5、透鏡6、起偏器7、分束鏡8、 1/2玻片9 、轉像反射棱鏡10、變相板11、 1/2玻片12、平面鏡13、 ；r相位 板14和偏振分合鏡15。
激光器1為可以產生7^M。。模的激光器、透鏡2、透鏡3、透鏡4和透鏡 6為普通的透鏡、微分濾波器5為制作的復合光柵、起偏器7的作用是獲得 沿x方向偏振的7^《。模、分束鏡8的作用是得到兩束相同光強的光束、1/2 玻片9和1/2玻片12為了調整偏振光的方向、像反射棱鏡10為了實現 r五M，。模轉化為rEM。,模、變相板11為可以改變相位的玻璃片、平面鏡13為 普通的平面鏡、；r相位板14實現光線的相位改變180°,偏振分合鏡15實現 一束光全透過一束光全反射，透過的光和反射的光干涉疊加。利用光學微分的方式實現柱矢量光束的工作過程為激光器1產生
7EM。。模，raM。。模通過由透鏡2和透鏡3組成的擴束整形鏡后經過透鏡3準
直，準直后的光束經過透鏡4實現傅里葉變換，后通過頻譜面上的一個微分 濾波器5，再經過透鏡6得到7^M。。模的微分結果raM,。模；7m《。模通過起偏
器7和分束鏡8分成兩束光， 一束光通過1/2玻片9和轉像反射棱鏡10后得 到r五M。,模進入偏振分合鏡15，另一束光通過變相板11、 1/2玻片12、平面 鏡13和;r相位板14進入偏振分合鏡15，與進入偏振分合鏡15的reMw模干
涉疊加得到柱矢量光束；變相板確保兩束光所走過的光程是一樣的，通過調 節l/2玻片9 、 1/2玻片12和;r相位板14來調節偏振光束的偏振態。
圖2為微分濾波器的制作光路示意圖，由激光器16、分束鏡17、平面 鏡18、平面鏡19、擴束鏡20、擴束鏡21、干板22和平臺23構成。激光器 16發出光束經分束鏡17分成兩束光，兩束光分別通過平面鏡18和平面鏡 19反射后到達擴束鏡20和擴束鏡21，被擴束成兩束相干光，經過擴束鏡后 得到的兩束成一定夾角的相干光投射到一塊玻璃全息干板22上，當擴束鏡 與干板的距離足夠遠時，干板上接收到的可近似看成平行光。干板22架置 于一個能在水平面內轉動的平臺23上。第一次曝光時，干板對于兩束光呈 對稱狀態；第二次曝光前將平臺轉過一微小角度，曝光后經處理便得到復合 光柵，也就是微分濾波器。平面鏡18和平面鏡19且擴束鏡20和擴束鏡21 是軸對稱的。
激光器16為氦氖激光器、分束鏡17為可以分束的分束鏡、平面鏡18 和平面鏡19為普通的平面鏡、擴束鏡20和擴束鏡21為伽利略型擴束鏡、 干板22為一塊玻璃干板。圖3為柱矢量光束偏振態的分布示意圖，箭頭表示偏振態方向，如圖所 示:上面的圖為方位角偏振光的獲得，下面的圖為徑向偏振光的獲得。不妨將 方位角偏振光用￡>;表示，徑向偏振光用&表示，則有<formula>formula see original document page 10</formula>
;與纟分別為偏振光沿x軸，y軸的單位方向向量，變相板確保兩束光所走 過的光程是一樣的，通過調節l/2玻片9 、 1/2玻片12和;r相位板14來調節 偏振光束的偏振態。當經過起偏器7和分束鏡8后得到兩束沿x方向偏振且 光強相同的7^M,。模后，如果一束光通過1/2玻片9和轉像反射棱鏡10后得 到沿y方向的7^M。,模，另外一束光通過變相板11、平面鏡13和"相位板14 (實現expaW)后進入偏振分合鏡15，這兩束光干涉疊加得到方位角偏振 光束；如果一束光通過轉像反射棱鏡10后進入偏振分合鏡15，另外一束光 通過變相板IO、 1/2玻片12和平面鏡13后得到沿y方向的7^M,。模，這兩束
光干涉疊加得到徑向偏振光束。
權利要求1、一種利用光學微分實現柱矢量光束的系統，其特征在于，包括激光器(1)、透鏡(2)、透鏡(3)、透鏡(4)、微分濾波器(5)、透鏡(6)、起偏器(7)、分束鏡(8)、1/2玻片(9)、轉像反射棱鏡(10)、變相板(11)、1/2玻片(12)、平面鏡(13)、π相位板(14)和偏振分合鏡(15)，激光器(1)產生的TEM00模通過由透鏡(2)和透鏡(3)組成的擴束整形鏡后經過透鏡(3)準直，準直后的光束經過透鏡(4)實現傅里葉變換，后通過頻譜面上的一個微分濾波器(5)，再經過透鏡(6)得到TEM00模的微分結果TEM10模；TEM10模通過起偏器(7)和分束鏡(8)分成兩束光，一束光通過1/2玻片(9)和轉像反射棱鏡(10)后得到TEM01模進入偏振分合鏡(15)，另一束光通過變相板(11)、1/2玻片(12)、平面鏡(13)和π相位板(14)進入偏振分合鏡(15)，與進入偏振分合鏡(15)的TEM01模干涉疊加得到柱矢量光束。
2 、根據權利要求1所述利用光學微分實現柱矢量光束的系統，其特征在 于，所述微分濾波器(5)由激光器(16)、分束鏡(17)、平面鏡(18)、平面鏡 (19)、擴束鏡(20)、擴束鏡(21)、干板(22)和平臺(23)構成，激光器(16)發出光束 經分束鏡(17)分成兩束光，兩束光分別通過平面鏡(18)和平面鏡(19)反 射后到達擴束鏡(20)和擴束鏡(21)，被分別擴束成成一定夾角的兩束相 干光，相干光投射到玻璃全息干板(22)上，干板(22)架置于一個能在水 平面內轉動的平臺(23)上。
3 、根據權利要求2所述利用光學微分實現柱矢量光束的系統，其特征在 于，所述平面鏡(18)和平面鏡(19);擴束鏡(20)和擴束鏡(21)都是 軸對稱的。
4、根據權利要求4所述利用光學微分實現柱矢量光束的系統，其特征在 于，所述激光器(16)為氦氖激光器；平面鏡(18)和平面鏡(19)為普通 的平面鏡；擴束鏡(20)和擴束鏡(21)為伽利略型擴束鏡。
專利摘要本實用新型涉及一種利用光學微分實現柱矢量光束的系統，從激光器中產生的TEM<sub>00</sub>模通過一個擴束鏡擴束后經過第一個透鏡準直，經過第二個透鏡實現傅里葉變換，通過頻譜面上的一個微分濾波器，經過第三個透鏡實現傅里葉逆變換即得到TEM<sub>00</sub>模的微分結果TEM<sub>10</sub>模；TEM<sub>10</sub>模通過轉像反射棱鏡后得到TEM<sub>01</sub>模，最后TEM<sub>10</sub>模和TEM<sub>01</sub>模兩個模通過馬赫-曾德干涉儀干涉疊加得到柱矢量光束。此方法具有柱矢量光束輸出和光束偏振態調節便利的特點且產生方法步驟簡單、實現方便、容易操作和適合廣泛應用。
文檔編號G02F1/01GK201373952SQ20092006726
公開日2009年12月30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