三維矢量光束及其生成方法與裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光電技術領域，尤其涉及一種新型的光束一一三維矢量光束及其生成 方法與裝置。
【背景技術】
[0002] 偏振態是光束的基本特征之一，常見的偏振光有線偏振光、橢圓偏振光以及圓偏 振光等，這些光束的偏振態在其橫截面內的分布是各向同性的。與這些常見的光束不同，矢 量光束的光束橫截面中的偏振態分布是各向異性的，其基本的偏振分布模式有徑向偏振分 布、角向偏振分布等。具有軸對稱偏振態分布的矢量光束是麥克斯韋方程組在柱坐標系下 的本征解，因此也可將其稱為偏振禍旋光束或軸對稱偏振光束。矢量光束的光場分布是一 環狀結構，這是因為其光束中心處的偏振態是無法確定的，即存在一偏振奇點。矢量光束之 所以得到人們的廣泛關注，在于它具有許多其它光束不具有的特性。矢量光束光場的中空 環狀結構使其可用于光鑷中，可提高粒子的捕獲效率。同時，矢量光束還可攜帶偏振信息 量，可用于光通信系統中拓展信道容量。矢量光束在先進制造領域也具有重要的應用價值。 研究表明，在金屬的激光切割技術中，切割效率與光束的偏振態密切相關。金屬對P偏振光 的吸收效率最高，散射效率最低。而采用徑向偏振矢量光束，相對于激光切割刀口，所有入 射光都是P偏振光，且光束具有很好的偏振對稱性。因此采用徑向偏振矢量光束進行激光切 割不但可以提高切割效率，還可以得到十分均勻的切割刀口。在金屬的激光打孔技術中，以 低碳鋼為例，在相同條件下對低碳鋼進行激光打孔加工，與線偏振光和圓偏振光相比，采用 角向偏振光可以提高1.5~4倍的打孔效率。
[0003] 國內外學者在矢量光束的生成技術方面做了大量研究工作，并發明了多種生成矢 量光束的方法。其中，利用渦旋光束偏振合成矢量光束的方法最為廣泛，其原理可理解為： 一左旋圓偏振渦旋光束與一攜帶有相反軌道角動量的右旋圓偏振渦旋光束合束后生成矢 量光束，且矢量光束的階次為渦旋光束階次的絕對值。這一偏振合成過程可用瓊斯矩陣表 示為：
[0005]式中，1和-1為渦旋光束的角量子數。常見的偏振合成方法有渥拉斯通棱鏡法，馬 赫增德爾干涉法等，這些方法的主要特點是兩束旋向相反且攜帶有相反軌道角動量的渦旋 光束同時入射到裝置中，則出射合成光即為矢量光束。2015年北京理工大學的研究人員利 用泰曼格林干涉儀實現了矢量光束的生成，該技術只需要一束渦旋光束入射即可，一定程 度上降低了光路調節的復雜度。然而，上述這些方法雖都能很好的生成矢量光束，但是生成 的矢量光束的偏振分布是固定不變的。要想改變矢量光束的偏振態分布，需要在光路中加 入波片等器件，這在一定程度上增加其實際應用的不方便性。例如，在激光先進制造應用 中，徑向偏振光有利于金屬切割，而角向偏振光有利于打孔。如果一束矢量光束既含有徑向 偏振成分，又含有角向偏振成分，那么切割與打孔就可以同時進行。
【發明內容】
[0006] 有鑒于此，本發明提供了一種新型的矢量光束一一三維矢量光束，及其生成方法 與裝置。
[0007] 本發明的三維矢量光束，其光場分布與貝塞爾光束相似，其光束橫截面偏振態分 布隨著其傳輸距離的改變而改變。在一個空間周期內，其偏振態會從徑向偏振到角向偏振 交替變化。
[0008] 本發明的三維矢量光束的生成方法是將軸棱鏡與1階螺旋相位片疊加后的全息光 柵，以及徑向周期相位與21階螺旋相位片疊加后的全息光柵，分別加載在兩個液晶空間光 調制器上，則該系統的出射光束即為1階三維矢量光束。當給液晶空間光調制器加載不同的 全息光柵時，可生成不同階次的三維矢量光束。
[0009] 本發明的一種三維矢量光束的生成方法與裝置，包含激光器、偏振分光棱鏡、準直 器、兩個液晶空間光調制器、半波片和四分之一波片，其中：
[0010] 所述偏振分光棱鏡置于激光器發出的光路中，用于生成水平線偏振激光；
[0011] 所述準直器置于偏振分光棱鏡后方的光路中，用于對水平線偏振激光進行準直；
[0012] 所述第一個液晶空間光調制器置于準直器后方的光路中，用于加載軸棱鏡與螺旋 相位片疊加后的全息光柵，將高斯光束轉化為攜帶有軌道角動量的貝塞爾光束；
[0013] 所述半波片置于第一個液晶空間光調制器后方的光路中，且其快軸方向與水平面 呈22.5°放置，用于將水平偏振的貝塞爾光束轉化為偏振方向與水平面呈45°的線偏振貝塞 爾光束；
[0014] 所述第二個液晶空間光調制器置于半波片后方的光路中，用于加載徑向周期相位 與螺旋相位片疊加后的全息光柵，將偏振方向與水平面呈45°的線偏振貝塞爾光束轉化為 兩束偏振方向分別為水平和垂直且攜帶有相反軌道角動量的線偏振貝賽爾光束的合束，同 時水平偏振分量相比于垂直偏振分量有相位延遲；
[0015] 所述四分之一波片置于第二個液晶空間光調制器后方的光路中，其快軸方向與水 平面呈45°，用于將兩束偏振方向為水平和垂直且攜帶有相反軌道角動量的線偏振貝賽爾 光束的合束轉化為兩束左旋和右旋且攜帶有相反軌道角動量的圓偏振貝賽爾光束的合束， 同時左旋圓偏振分量相比于右旋圓偏振分量有相位延遲。
[0016] 本發明具有以下有益效果：
[0017] (1)本發明的三維矢量光束，光束橫截面偏振態分布隨著其傳輸距離的改變而改 變，并呈周期變化。
[0018] (2)本發明的三維矢量光束，在一個空間周期內，其偏振態會從徑向偏振到角向偏 振交替變化。
[0019] (3)本發明的三維矢量光束，在實際應用時可通過增大或縮小傳播距離實現偏振 態分布的改變。
[0020] (4)本發明提供的一種三維矢量光束的生成裝置，相比于現有的其他矢量光束生 成裝置，結構簡單，調節簡便。
[0021] (5)本發明提供的一種三維矢量光束的生成裝置，一次調節完成后，無需再次調 節，只需改變加載在兩個液晶空間光調制器上的全息光柵，即可實現不同階次的三維矢量 光束的生成，操作方便。
【附圖說明】
[0022]圖1為三維矢量光束的生原理圖。
[0023]圖2(a)為軸棱鏡生成貝塞爾光束原理圖。圖中，1-入射光束，2-軸棱鏡，3-無衍射 區（貝塞爾光束區域）。
[0024]圖2(b)為徑向周期相位板在不同傳輸距離引入不同附加相位的原理圖。圖中，1-入射光束，2-軸棱鏡，3-無衍射區（貝塞爾光束區域），4_徑向周期相位板，5-引入附加相位 區域。
[0025] 圖2(c)為徑向周期相位板的相位分布。
[0026] 圖3為三維矢量光束的生成裝置示意圖。圖中，1-激光器，2-偏振分光棱鏡，3-準直 器，4-液晶空間光調制器，5-半波片，6-液晶空間光調制器，7-四分之一波片。
[0027] 圖4為生成一階三維矢量光束時給液晶空間光調制器加載的全息光柵圖，從左至 右分別為軸棱鏡與1階螺旋相位片疊加后的全息光柵，和徑向周期相位與2階螺旋相位片疊 加后的全息光柵。
[0028] 圖5為生成的一階三維矢量光束。圖中，從上至下分別為在初始位置、1/4空間周期 處、1/2空間周期處以及3/4空間周期處測得的三維矢量光束的光場、偏振態分布及通過不 同角度放置的偏振片的光場。
[0029] 圖6為生成二階三維矢量光束時給液晶空間光調制器加載的全息光柵圖，從左至 右分別為軸棱鏡與2階螺旋相位片疊加后的全息光柵，和徑向周期相位與4階螺旋相位片疊 加后的全息光柵。
[0030] 圖7為生成的二階三維矢量光束。圖中，從上至下分別為在初始位置、1/4空間周期 處、1/2空間周期處以及3/4空間周期處測得的三維矢量光束的光場、偏振態分布及通過不 同角度放置的偏振片的光場。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合附圖并實施例，對本發明做一詳細描述。
[0032] 本發明的三維矢量光束如圖1所示，其偏振態分布隨傳輸距離的變化而呈周期改 變。在一個空間周期內，其偏振態會從徑向偏振到角向偏振交替變化。其生成原理可理解 為，貝塞爾光束是一種渦旋光束，其攜帶有軌道角動量，因此一左旋圓偏振貝塞爾光束與一 攜帶有相反軌道角動量的右旋圓偏振貝塞爾光束合束后可以生成矢量光束，且矢量光束的 階次為貝塞爾光束的角量子數的絕對值。若給左旋貝塞爾光束引入一個相位延遲，則合束 過程可用瓊斯矩陣表示為：
[0033]
[0034] 其中，Φ表示矢量光束的初始偏振方向，Φ =0表示徑向偏振矢量光束，當Φ =π/2 時表示角向偏振矢量光束。若Φ可以寫成關于傳輸距離ζ的函數，即可實現在不同的傳輸距 離引入不同的附加相位，進而引起不同傳輸距離處偏振態分布的不同。
[0035] 如圖2(a)所示，在光路中加入軸棱鏡，可實現貝塞爾光束的生成，且貝塞爾光束只 存在于無衍射區中。如圖2(b)所示