專利名稱：一種產生柱矢量光束的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種光學技術，特別涉及一種產生柱矢量光束的裝置及方法。
背景技術：
徑向偏振光(Radial polarized beams)禾口方位角偏振光(azimuthalpolarized beams)稱為柱矢量光束(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TEM。。模)。但是， 要合成柱矢量光束，必須用TEMw(或TEM。》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闌和合理設計諧振腔 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TEM1Q (或TEMQ1)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TEMJ或TEM^)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
本發明是針對的問題，提出了一種產生柱矢量光束的裝置及方法，利用空間光調 制器產生柱矢量光束，方法新穎，并且具有易于操縱的優點。 本發明的技術方案為一種產生柱矢量光束的裝置，依次包括激光器、擴束鏡、光 闌、起偏器、空間光調制器或復數濾波器、檢偏器、傅里葉變換透鏡、小孔光闌、傅里葉變換 透鏡、相位延遲器、以及干涉系統，激光器輸出光束經過擴束鏡和光闌整形和擴束后再經過 起偏器變成線偏振光，光束進入空間光調制器或復數濾波器，光束經過檢偏器，形成陣列， 經過由一對傅里葉變換透鏡和小孔光闌組成4f系統，光束加入相位延遲器進行相位調制，得到光束經干涉系統合成柱矢量光束。 所述干涉系統至少包括半透半反鏡、平面反射鏡、轉像系統、相位板、二分之一波
片、偏振合光鏡。所述半透半反鏡為平板或棱鏡。所述偏振合光鏡為棱鏡或平板。 所述激光器為單模基橫模激光器。 所述擴束鏡為開普勒擴束鏡或伽利略擴束鏡。 所述空間光調制器為透射式空間光調制器，位于第一個傅里葉變換透鏡的前焦面 上。 所述傅里葉變換透鏡至少為兩個，且兩透鏡同光軸放置，第二個透鏡的前焦面與 第一個透鏡的后焦面重合。 —種產生柱矢量光束的方法，包括產生柱矢量光束的裝置，其特征在于，包括如下 具體步驟 1)TEM。。模光束為輸入光束假設輸入函數為高斯函數g(x， y) = e鄧[-(x、y2)/ w2]則TEM。。模的光束表達式為gc(x,力-王comb(x/X)combO;/:r); 2)利用空間光調制器及光學元件對其抽樣對輸入場g(x，y)進行抽樣，則抽樣函 數為gs(x,力=丄comb(x / Z)comb(:v /力，其中三comb(x / X)comb(;; / F)為空間光調
制器的振幅調制作用或復數濾波器的作用；則抽樣函數的頻譜為
、 、
<formula>formula see original document page 5</formula>
^並 l曰 3)進行傅里葉變換輸入場g(x， y)的頻 G(/x，/,)=詣2 exp[-^w2(// + //)]，那么進行反傅里葉變換得TEM10模的光束頻譜為
G(w)c/;,y;)=-2"v^ exPHr v(//+//)]，同理可得到temq1模的光束頻譜；4)經過干涉儀系統，最后合成所需要的柱矢量光束設兩個輸入光為同相位，
￡"w 0， S) = ￡0 # exp(-;0 / 2) cos(^)，
= ￡oV exp(-/ /2)sin(0)， 式中，r和e表示極坐標系，E。為振幅，w為高斯光束腰斑半徑，P = 2r2/V，進行 簡單的矢量相加減得 方位角偏振光^)0"") = i^(x)(r，0 —化w(r刀)=^qV^exp(-p/2)徑向偏振光￡(,) (r， 0)=化("(r， + (r, 0)=化。# exp(-p/ 2)。
本發明的有益效果在于本發明產生柱矢量光束的裝置及方法，激光的操縱是在
穩定的環境下進行的，實施方便；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；可以調節起偏器和二分之一波片的位置，產生不同的柱適j 變系統整體結構、操作簡單。
t光束，不用改
圖1為本發明產生柱矢]
圖2為本發明產生柱矢3
圖3為本發明產生柱矢]
圖4為本發明產生柱矢]
圖5為本發明產生柱矢3
t光束的裝置實例一光學系統示意圖； t光束的裝置實例一空間光調制器寫入信號的灰度圖 t光束的裝置實例二光學系統示意圖； t光束的裝置實例二空間光調制器寫入信號的灰度圖 t光束的裝置實例三光學系統示意圖。
具體實施例方式
本發明的基本構思是以TEM。。模光束為輸入光束，然后利用空間光調制器及相 關光學元件對其進行一定方式的抽樣，或利用復數濾波器，使輸出光束的傅里葉變換為 TEM1Q (或TEMQ1)模光束的頻譜，在上述的頻譜的頻譜面上進行濾波，再進行把傅里葉變換得 到TEM1Q (或TEMQ1)模光束；使TEM1Q (或TEMQ1)模光束經過干涉儀系統，最后合成所需要的 柱矢量光束。其理論基礎為
假設輸入函數為高斯函數 g(x， y) = exp[-(x2+y2)/w2] (1)
易知上式為TEM。。模的光束表達式；
采用函數gc (x，力=王comb(x / X)comb(y /1") (2)
對輸入場g(x， y)進行抽樣，則抽樣函數為g,(x,y) = —comb(x/X)combO/;T)g(x，>0 (3) 其中工comb(WX)comb(:^/:r)為空間光調制器的振幅調制作用或復數濾波器的作
H7
用；則抽樣函數的頻譜為 <formula>formula see original document page 6</formula>
W0) (A,力)* F [隱b(x / X)飄b(y / r)g(jc,力]
<formula>formula see original document page 6</formula>
輸入場g(x，y)的頻譜
<formula>formula see original document page 6</formula>
那么
G(w)C/;，力)=-2;r3W4/, e鄧[一;rVC/;2 +力2)] (5) 對(5)式進行反傅里葉變換得TEM1Q模的光束，同理可得到TEMQ1模的光束。所利 用的空間光調制器為透射式電尋址的空間光調制器，它的讀出光為TEM。。模光束，寫入(電) 信號為直線二維灰度圖。 利用TEMQ1和TEM1Q模光束可以合成柱矢量光束，設兩個輸入光為同相位，
￡(x) (r ， (9) = ￡0 7 exp(-p / 2) cos((9),
(r， 0) = ￡0 exp(-p / 2) sin(6>) 式中，r和e表示極坐標系，E。為振幅，w為高斯光束腰斑半徑，P = 2r2/V。進 行簡單的矢量相加減得￡w (r, 0) = (r, 0)-紐w (r， 0)=紐。# exp(-p / 2) ， ( 6 )
(r, 0) = ， 0) + (r， 0) = M。 # exp(-/ 2) ，( 7 ) 式中g和f是方位角和徑向的單位矢量，其中式(6)與式(7)分別表示方位角偏振 光和徑向偏振光。 由入射光束傳播方向上同對稱光軸依次置有擴束鏡、光闌、起偏器、空間光調制器 或復數濾波器、檢偏器、傅里葉變換透鏡、小孔光闌、傅里葉變換透鏡、相位延遲器，以及干 涉系統。 激光器輸出TEM。。模光束；該光束經過擴束鏡和光闌整形和擴束后再經過起偏器 變成線偏振光，若激光器輸出為線偏振光則上述起偏器可以省略；光束進入空間光調制器 或復數濾波器；光束經過檢偏器，形成陣列；光束經過由一對傅里葉變換透鏡和小孔光闌 組成4f系統；再對光束的一瓣加入相位延遲器進行相位調制，使兩瓣相位差為(2n+l) Ji， n為大于或等于0的自然數，得到TEM1Q (或TEMQ1)模光束；TEM1Q (或TEMQ1)模光束經干涉系 統合成柱矢量光束；上述干涉系統至少包括半透半反鏡、平面反射鏡、轉像系統、相位板、 二分之一波片、偏振合光鏡。 如圖1所示產生柱矢量光束的裝置實例一光學系統示意圖，單模激光器10輸出 基橫模光束；經過擴束鏡11 ;光束中心經過光闌21的中心，得到擴束整形后的TEM。。模光 束；光束經過起偏器31變成線偏振光；光束進入空間光調制器35 ;光束再經過檢偏器32， 此時得一個光束陣列，要利用4f系統進行空間濾波；傅里葉變換透鏡41與前面光學系統同 軸，其前焦面位于空間光調制器35處；小孔光闌22位于傅里葉變換透鏡41的后焦面處，且 其中心在光軸上；傅里葉變換透鏡42的前焦面與傅里葉變換透鏡41的后焦面重合，且兩 透鏡同軸；光束經過4f系統進行空間濾波后分為兩瓣，需要對其中一瓣進行相位調制，在 傅里葉變換透鏡42后加入光束的一瓣加入相位延遲器33進行相位調制，使兩瓣相位差為 (2n+l) Ji ， n為大于或等于0的自然數；此時可得到TEM1Q(或TEMQ1)模光束；
所得TEM1Q (或TEMQ1)模光束；經過半透半反鏡51后變成兩束等光強的光束；一束 光經過轉像系統52變成TEMQ1 (或TEM1Q)模光束并改變光軸方向，根據所需的柱矢量光柱選 擇加二分之一波片54 ;另一束光經過可變相位板53，經過成45度放置的平面反射鏡55改 變光軸方向；可變相位板53的作用在于調節使兩光束相干疊加前的光程相同；兩束光在偏 振合光鏡56相干疊加，從另一端輸出柱矢量光束。 圖2為實例一空間光調制器寫入信號的灰度圖，該灰度圖用在圖1所述光學系統中時可令TEM。。模光束變成TEMw模光束。其灰度函數為T= |x| ;其中以水平方向為x軸 其代表歸一化的距離值，以垂直方向為T軸其代表歸一化的透率值，以圖像中心為原點。高 斯光束入射時，使高斯光束的中心與空間光調制器上的該灰度圖像的中心重合。
如圖3所示產生柱矢量光束的裝置實例二光學系統示意圖，單模激光器10輸出基 橫模光束；經過擴束鏡11 ;光束中心經過光闌21的中心，得到擴束整形后的TEM。。模光束； 該光束經過與光軸成45度角放置的半透半反鏡71后分為等光強的兩束光，第一束光沿原 光軸方向傳播，第二束光經與半透半反鏡平行放置的反射鏡72反射后其傳播方向與第一 束光的傳播方向平行，且距離較近；兩束光束經過起偏器31變成線偏振光；光束進入空間 光調制器35 ;光束再經過檢偏器32，此時得兩個光束陣列，兩個陣列都要利用4f系統進行 空間濾波；傅里葉變換透鏡41與前面光學系統同軸，其前焦面位于空間光調制器35處；小 孔光闌22位于傅里葉變換透鏡41的后焦面處，且其中心在光軸上；傅里葉變換透鏡42的 前焦面與傅里葉變換透鏡41的后焦面重合，且兩透鏡同軸；每光束經過4f系統進行空間濾 波后分為兩瓣，需要對其中一瓣進行相位調制，在傅里葉變換透鏡42后加入兩光束的一瓣 加入相位延遲器33和相位延遲器34進行相位調制，使每束光束的兩瓣相位差為(2n+l) ji ， n為大于或等于0的自然數，上述相位延遲器只對每個光束的其中一瓣進行相位調制；此時 可得到TEM1Q和TEMQ1模光束； 所得TEM1Q和TEMQ1模光束；兩束光經過與光軸成45度角放置的平面反射鏡58和 平面反射鏡59后使光傳播方向改變90度；其中一束可根據所需的柱矢量光柱選擇加二分 之一波片54 ;另一束光經過可變相位板53，經過成45度放置的平面反射鏡55改變光軸方 向；可變相位板53的作用在于調節使兩光束相干疊加前的光程相同；兩束光在偏振合光鏡 56相干疊加，從另 一端輸出柱矢量光束。 圖4為實例二空間光調制器寫入信號的另一種灰度圖，該灰度圖用在圖3所述光 學系統中時可令TEM。。模光束變成TEM1Q和TEMQ1模光束。其左半部分灰度函數為T = | x | ; 其中以水平方向為x軸其代表歸一化的距離值，以垂直方向為T軸，其代表歸一化的透率 值，以該半部分圖像中心為原點。高斯光束入射時，使高斯光束的中心與空間光調制器上的 該灰度圖像左半部分的中心重合。其右半部分灰度函數為T= |y| ;其中以垂直方向為y 軸其代表歸一化的距離值，以水平方向為T軸，其代表歸一化的透率值，以該半部分圖像中 心為原點。高斯光束入射時，使高斯光束的中心與空間光調制器上的該灰度圖像右半部分 的中心重合。 與實施例1或2的原理相似，如圖5所示產生柱矢量光束的裝置實例三光學系統 示意圖，利用復數濾波器或透明顯示屏等代替空間光調制器的振幅調制作用和二分之一波 片的相位調制作用，也可產生柱矢量光束。 復數濾波器39的透過率為T = |x| ，其中以水平方向為x軸其代表歸一化的距離 值，以垂直方向為T軸其代表歸一化的透率值，以復數濾波器中心為原點；復數濾波器同時 起到調制相位的作用，即有入射光偏振的方向上，復數濾波器的左半部與右半部光程差為 (2n+l) Ji，n為大于或等于O的自然數。高斯光束入射時，使高斯光束的中心與復數濾波器 的中心重合。
權利要求
一種產生柱矢量光束的裝置，其特征在于，依次包括激光器、擴束鏡、光闌、起偏器、空間光調制器或復數濾波器、檢偏器、傅里葉變換透鏡、小孔光闌、傅里葉變換透鏡、相位延遲器、以及干涉系統，激光器輸出光束經過擴束鏡和光闌整形和擴束后再經過起偏器變成線偏振光，光束進入空間光調制器或復數濾波器，光束經過檢偏器，形成陣列，經過由一對傅里葉變換透鏡和小孔光闌組成4f系統，光束加入相位延遲器進行相位調制，得到光束經干涉系統合成柱矢量光束。
2. 根據權利要求1所述產生柱矢量光束的裝置，其特征在于，所述干涉系統至少包括 半透半反鏡、平面反射鏡、轉像系統、相位板、二分之一波片、偏振合光鏡。
3. 根據權利要求2所述產生柱矢量光束的裝置，其特征在于，所述半透半反鏡為平板或棱鏡。
4. 根據權利要求2所述產生柱矢3t光束的裝置，其特征在于，所述偏振合光鏡為棱鏡 或平板。
5. 根據權利要求1所述產生柱矢3t光束的裝置，其特征在于，所述激光器為單模基橫模激光器。
6. 根據權利要求1所述產生柱矢j:光束的裝置，其特征在于，所述擴束鏡為開普勒擴 束鏡或伽利略擴束鏡。
7. 根據權利要求1所述產生柱矢量光束的裝置，其特征在于，所述空間光調制器為透 射式空間光調制器，位于第一個傅里葉變換透鏡的前焦面上。
8. 根據權利要求1所述產生柱矢量光束的裝置，其特征在于，所述傅里葉變換透鏡至 少為兩個，且兩透鏡同光軸放置，第二個透鏡的前焦面與第一個透鏡的后焦面重合。
9. 一種產生柱矢量光束的方法，包括產生柱矢量光束的裝置，其特征在于，包括如下具 體步驟1) TEM。。模光束為輸入光束假設輸入函數為高斯函數<formula>formula see original document page 2</formula>則 TEM。。模的光束表達式為<formula>formula see original document page 2</formula>2) 利用空間光調制器及光學元件對其抽樣對輸入場g(x， y)進行抽樣，則抽樣函數 為<formula>formula see original document page 2</formula>，其中丄combO /X)combO/ F)為空間光調制器的振幅調制作用或復數濾波器的作用；則抽樣函數的頻譜為<formula>formula see original document page 2</formula>3)進行傅里葉變換輸入場g(x，y)的頻譜<formula>formula see original document page 2</formula>那么 進行反傅里葉變換得TEM1Q模的光束頻譜為<formula>formula see original document page 2</formula>同理可得到TEMQ1模的光束頻譜；4)經過干涉儀系統，最后合成所需要的柱矢量光束設兩個輸入光為同相位，五(x) (r, 0)=五o exP(-/ 2) cos(P),五w 0,0)=五。# exp(-/ 2) sin(P)，式中，r和9表示極坐標系，E。為振幅，w為高斯光束腰斑半徑，P 二2rVV，進行簡單的矢量相加減得方位角偏振光五w(r刀)== &0V^eXp(-P/2)徑向偏振光￡wO^) = :^wO^) + jp￡w(r，0 = ^。V^eXp(-/7/2)。
全文摘要
本發明涉及一種產生柱矢量光束的裝置及方法。激光器輸出TEM00模光束經過擴束鏡和光闌整形和擴束后再經過起偏器變成線偏振光，光束進入空間光調制器或復數濾波器，光束經過檢偏器，形成陣列，經過由一對傅里葉變換透鏡和小孔光闌組成4f系統，光束加入相位延遲器進行相位調制得到TEM10(或TEM01)模光束，經干涉系統合成柱矢量光束。本裝置及方法對入射光束要求低、裝置簡單，并具有易操作、輸出的柱矢量光束偏振度高等優點。
文檔編號G02B27/09GK101794024SQ20101013876
公開日2010年8月4日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者丁左紅, 莊松林, 王小亞, 翁曉羽, 董祥美, 藍景恒, 郭漢明 申請人:上海理工大學