一種階次可調的半腔內生成矢量光束的方法與系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光電技術領域，尤其涉及一種階次可調的半腔內生成矢量光束的方法 與系統。
【背景技術】
[0002] 矢量光束是一種新型的光束。與常見的光束不同，矢量光束的光場橫截面處的偏 振態分布是各向異性的，常見的矢量光束有徑向偏振光和角向偏振光等。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渦旋 光束和軸對稱偏振光束等。矢量光束的橫截面光強分布也與常見的激光光束不同，其呈一 中空環狀，中心處由于具有偏振奇點而無光強。
[0003] 矢量光束的這些特性，使得其在很多領域都有諸多應用。不同階次的矢量光束由 于攜帶有不同的偏振信息量，可進行編碼，實現數據的傳輸，同時其具有平面波前結構，相 比于渦旋光束，在自由空間中傳播時具有較大的優勢。矢量光束也可應用在高分辨率成像 技術中，這是由于其獨特的光束結構使其在高數值孔徑透鏡的聚焦下，聚焦光斑可以突破 衍射極限，并且在焦點附近具有很強的縱向電場分量。在表面等離子體波的激發技術中，對 于旋轉對稱光學系統，徑向偏振矢量光束可激發最優的等離子共振。
[0004] 科研人員在矢量光束的生成技術領域做了大量的研究，目前主要有兩種生成方 法，即腔內生成法和腔外轉化法。
[0005] 腔內生成法即在激光諧振腔中插入某些光學元件如軸向雙折射或軸向二向色性 器件等，通過模式選擇使得激光器以矢量光束模式振蕩輸出。這種方法調節起來較為復雜， 同時不同階次的矢量光束間的切換輸出也比較麻煩。
[0006] 腔外轉化法即在諧振腔外通過渦旋光束或厄米高斯光束的相干合成，實現矢量光 束的生成。我們一般采用渦旋光束的相干合成來生成矢量光束，其原理在于，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可以生成矢量光束，該 生成過程可表示為：
[0007]
[0008] 上式中，Φ表示角向坐標，1為渦旋光束的角量子數。上式同時表明，生成的矢量光 束的階次為入射渦旋光束角量子數的絕對值。
[0009] 目前常見的合束方法，有渥拉斯通棱鏡法，泰曼格林干涉儀法等。渥拉斯通棱鏡法 采用將兩束角量子數相反，且偏振態相互正交的線偏振渦旋光束入射至渥拉斯通棱鏡，合 束后的光束再經一快軸方向與水平方向呈45°的四分之一波片，則出射光為所生成的矢量 光束。泰曼格林干涉儀法只需一路渦旋光束，干涉儀出射光即為矢量光束，通過改變裝置中 光調制器加載的螺旋相位片的階次實現生成矢量光束階次的改變，操作相比渥拉斯通棱鏡 法更為簡單。總的來說，腔外轉化法生成的矢量光束純度較高，但其裝置較為復雜，調節比 較困難，仍不利于實際應用。
【發明內容】
[0010]有鑒于此，本發明提供了一種階次可調的半腔內生成矢量光束的方法與系統。其 目的在于，解決腔內生成法調節困難，不同階次矢量光束的切換輸出不易實現等問題。 [0011]其目的亦在于，解決腔外轉化法裝置復雜，調節精度要求較高的問題。
[0012] 本發明提供的一種半腔內生成矢量光束的方法與系統，采用腔內生成渦旋光束， 腔外附加偏振調制的方法，實現矢量光束的生成。同時，改變主機輸入模塊中的輸入指令， 即可快速實現生成的矢量光束的不同階次的切換，亦可實現生成的矢量光束的偏振態分布 的快速改變(徑向偏振變為角向偏振，角向偏振變為徑向偏振）。
[0013] 本發明的一種半腔內生成矢量光束的系統，其具備：
[0014] 主機，用于將使用者的指令轉化為控制信號，控制激光系統生成不同階次，不同偏 振態分布的矢量光束；
[0015] 栗浦源與激光諧振腔，受主機控制，生成不同階次的線偏振渦旋光束；
[0016] 腔外調制部分，用于實現線偏振渦旋光束的偏振調制，將渦旋光束轉化為矢量光 束。
[0017]本發明具有以下有益效果：
[0018] (1)裝置穩定，無需重復調節，若光路有微小偏離，只需通過軟件調節，無需調節硬 件；
[0019] (2)可生成任意階次的矢量光束，且生成矢量光束的階次與偏振態分布可任意改 變。
【附圖說明】
[0020] 圖1(a)為不同階次的徑向偏振矢量光束及其偏振態分布。
[0021 ]圖1 (b)為不同階次的角向偏振矢量光束及其偏振態分布。
[0022]圖2為本發明的實施方式構成圖。
[0023] 圖3為本發明的階次可調的半腔內生成矢量光束的系統中，主機的內部構成圖。
[0024] 圖4為本發明的階次可調的半腔內生成矢量光束的系統中，栗浦源與激光諧振腔 的內部構成圖，其中，401-栗浦源，402-45°鏡，403-布儒斯特窗，404-液晶空間光調制器， 405-晶體，406-輸出鏡，407-45°鏡，408-水冷系統，409-栗浦光，410-諧振激光。
[0025] 圖5為本發明的階次可調的半腔內生成矢量光束的系統中，腔外調制部分的內部 構成圖，其中，501-半波片，502-光隔離器，503-分光棱鏡，504-液晶空間光調制器，505-四 分之一波片，506-半波片組，507-半波片組控制器。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖，對本發明做一詳細的描述。
[0027] 本發明主要用于生成矢量光束。與常規的偏振光不同，矢量光束是一種具有偏振 態按特定規律分布的新型光束，常見的偏振態分布方式有徑向偏振和角向偏振。矢量光束 可用瓊斯矩陣表示為：
[0028]
[0029] 式中，1為矢量光束的階次，當1 = 0時，上式表示線偏振光。r為徑向坐標，為角 向坐標。Φ 〇為時的初始偏振方向，當Φ 〇 = 0時，表示徑向偏振矢量光束，當Φ 〇 = V2時 表不角向偏振矢量光束。矢量光束由于偏振態呈一定規律分布，因此通過加一個旋轉偏振 片即可確定其偏振態分布。徑向和角向矢量光束的光場分布、偏振態分布以及加不同角度 偏振片后的光場分布如圖1(a)和圖1(b)所示。
[0030] 本發明的核心原理可由下式表示為：
[0031]
[0032] 即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 束后可以生成徑向偏振矢量光束。上式中，Φ表示角向坐標，1為渦旋光束的角量子數。
[0033] 本發明采用腔內生成渦旋光束，腔外根據上式對渦旋光束進行偏振調制，實現矢 量光束的生成。
[0034] 下面結合圖2，簡要介紹本發明的【具體實施方式】構成。
[0035] 本發明的具體實施構成包括主機，栗浦源和激光諧振腔，腔外調制部分。
[0036] 主機，用于將使用者的指令轉化為控制信號，控制激光系統生成不同階次，不同偏 振態分布的矢量光束。如圖3所示，包括指令輸入模塊，溫控模塊，判斷模塊，計算處理模塊， 輸出模塊。其中：
[0037]所述指令輸入模塊，用于將接收使用者輸入的操作指令，包括需要生成的矢量光 束的階次，晶體的理想工作溫度，生成的矢量光束為徑向偏振還是角向偏振等；
[0038]溫控模塊，用于監測