利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备的制作方法

专利名称：利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学技术领域，特别涉及一种利用光学微分实现柱矢量 光束的方法及设备。
背景技术：
径向偏振光(Radial polarized beams)禾口方位角偏振光(azimuthal polarized beams)称为柱矢量振光光束(Cylindrical polarized beams),它们拥有高度的对 称性。径向偏振光束是指光束的偏振态呈中心对称分布的光束，各点的偏振 方向始终沿光束横截面的半径方向。方位角偏振光束是指光束的偏振态呈旋 转轴对称分布的光束，各点的偏振方向始终沿光束横截面上圆的切线方向。 柱矢量光束应用到计量、聚焦、光谱、微椭圆、光刻技术、电子加速、材料 加工等方面。例如，径向偏振光束对激光切割金属有用，这时要求加工表面 有最大的辐射吸收。方位角偏振光束在通过圆形中空金属波导时损失最小。 柱矢量偏振光束的产生是利用和研究柱矢量光束的必备前提条件，具有重要 的意义，也引起了深入的研究和广泛的关注。在现有的技术中，有一种方法 是利用raM。。模通过一块相位板，该相位板的上半部分为;r相位板，下半部分 为0相位板，通过相位板的两束光线相差180。干涉后近似得到rEMw模。由 于此方法得到的7^M。t模是近似的，这样据此得到的柱矢量偏振光束的偏振
度是不高的。还有一种方法是在激光谐振腔中加上一个圆环，圆环上放置一 根金属丝，目的是去除基模和其它高阶模，仅使激光器输出7^Mi。模。但是
该方法中对圆环的大小和金属丝的尺寸设置是不容易实现的，且操作麻烦。 还有许多方法，例如， 一种双干涉结构将线偏振光转变为径向偏振光、激光器谐振腔内部两个正交7^A/。,模的组合和带有偏移线偏振高斯光束单模光纤的
激发等等。这些方法有一定的优点，但实施起来比较困难。

发明内容
本发明是针对现在实现柱矢量光束的方法偏振度是不高，实现困难的问 题，提出了一种利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备，利用光学微分 的方式将7EM。。模转化为7EM1Q模或7^Mm模，利用马赫-曾德干涉仪按照一定 的方式合成7^^。模和7EM。,模，从而得到柱矢量偏振光束，方法简单，易于 操纵且有较高的偏振度。
本发明的技术方案为 一种利用光学微分实现柱矢量光束的方法，从激 光器中产生的7^M。。模通过一个扩束镜扩束后经过第一个透镜准直，经过第
二个透镜实现傅里叶变换，通过频谱面上的一个微分滤波器，经过第三个透 镜实现傅里叶逆变换即得到WM。。模的微分结果T^M,。模；7EM,。模通过转像 反射棱镜后得到r￡MQ1模，最后7EM,。模和7EMQ1模两个模通过干涉仪干涉叠 加得到柱矢量光束。
一种利用光学微分实现柱矢量光束的设备，包括激光器1、透镜2、 3、 4、微分滤波器5、透镜6、起偏器7、分束镜8、 1/2玻片9、转像反射棱镜 10、变相板11、 1/2玻片12、平面镜13、 ；r相位板14和偏振分合镜15，激 光器1产生的7EM。。模通过由透镜2和透镜3组成的扩束整形镜后经过透镜3
准直，准直后的光束经过透镜4实现傅里叶变换，后通过频谱面上的一个微 分滤波器5，再经过透镜6得到7^M。。模的微分结果7^^。模；rfil《。模后接马
赫-曾德干涉仪，即通过起偏器7和分束镜8分成两束光， 一束光通过1/2 玻片9和转像反射棱镜10后得到7^l^模进入偏振分合镜15，另一束光通过变相板ll、 1/2玻片12、平面镜13和;r相位板14进入偏振分合镜15，与进 入偏振分合镜15的7^l^模干涉叠加得到柱矢量光束。
所述微分滤波器5由激光器16、分束镜17、平面镜18、平面镜19、扩 束镜20、扩束镜21、干板22和平台23构成，激光器16发出光束经分束镜 17分成两束光，两束光分别通过平面镜18和平面镜19反射后到达扩束镜 20和扩束镜21，被分别扩束成成一定夹角的两束相干光，相干光投射到玻 璃全息干板22上，干板22架置于一个能在水平面内转动的平台23上。所 述平面镜18和平面镜19;扩束镜20和扩束镜21都是轴对称的。所述激光 器16为氦氖激光器；平面镜18和平面镜19为普通的平面镜；扩束镜20和 扩束镜21为伽利略型扩束镜。
本发明的有益效果在于本发明利用光学微分实现柱矢量光束的方法，
具有柱矢量光束输出和光束偏振态调节便利的特点且产生方法步骤简单、实
现方便、容易操作和适合广泛应用。


图1为本发明利用光学微分实现柱矢量光束的设备的结构示意图2为本发明利用光学微分实现柱矢量光束的设备中微分滤波器的制作光路
示意图3为本发明利用光学微分实现柱矢量光束的设备中柱矢量光束偏振态的分
布示意图。
具体实施例方式
通过对方形球面镜共焦腔的行波场表达式分析可知rEi^。模可以通过 WM。。模对X求导得到(同理，7EMM模可以通过rEM。。模对^求导得到)，于是利用光学微分的方式可以得到T^M，。模(或WM。1模),
w，+
J乂
=w0 +
7
w0 =
'丄义 /A
2;r V "
2(/:
—+ + 1)
,;r z 、
—+ arctan —
4 /
(2JT)附— =0,1,2..
其中，E^(:c,j;,z)表示rM^w模在腔内任一点(x，y，z)处的电场强 度；4为与模阶次有关的归一化常数；￡。为与坐标无关的常量；
i /〖义
—，j _
;Z为共焦腔腔长;
/2 2;r 分别为m，n阶厄米多项式。 由上式可以得到
/ = | =垂为腔镜的焦距。/U"与""
五oo (X, 7， z)=」00￡ o
p。。 0, :^，o = *
+ 2 (/2 + )
冗 z
--h a rc ta n——
4 /
￡10 (x，凡z) =
(0
# U 厂+ z
并且有
A:
/ + z +
--h 2 arctan —
2 /
7Poo 0 J,O = & / + z +
+ 2 + 一 &
+ arctan —
因此，A。(x,;;,z)与
只是系数上的差异故可以通过微
分转换得到；光学微分的实现过程是三透镜4f系统，从激光器中产生的 raM。。模通过一个扩束镜扩束后经过第一个透镜准直，经过第二个透镜实现
傅里叶变换，通过频谱面上的一个微分滤波器，经过第三个透镜实现傅里叶 逆变换即得到WM。。模的微分结果raM,。模；7EM1()模通过转像反射棱镜后得 到raM。,模，后两个模通过干涉仪干涉叠加得到柱矢量光束；具有柱矢量光 束输出，光束偏振态可调节。
如图1利用光学微分实现柱矢量光束设备的结构示意图，包括激光器 1、透镜2、透镜3、透镜4、微分滤波器5、透镜6、起偏器7、分束镜8、 1/2玻片9 、转像反射棱镜10、变相板11、 1/2玻片12、平面镜13、 ；r相 位板14和偏振分合镜15。
激光器1为可以产生raM。。模的激光器、透镜2、透镜3、透镜4和透镜 6为普通的透镜、微分滤波器5为制作的复合光栅、起偏器7的作用是获得 沿x方向偏振的7^^。模、分束镜8的作用是得到两束相同光强的光束、1/2 玻片9和1/2玻片12为了调整偏振光的方向、像反射棱镜10为了实现 T^MM模转化为7EM。,模、变相板11为可以改变相位的玻璃片、平面镜13为 普通的平面镜、；r相位板14实现光线的相位改变180° ，偏振分合镜15实 现一束光全透过一束光全反射，透过的光和反射的光干涉叠加。利用光学微分的方式实现柱矢量光束的工作过程为激光器1产生 T^M。。模，ZEM。。模通过由透镜2和透镜3组成的扩束整形镜后经过透镜3准
直，准直后的光束经过透镜4实现傅里叶变换，后通过频谱面上的一个微分 滤波器5，再经过透镜6得到raM。。模的微分结果7^l《。模；T^《。模通过起偏
器7和分束镜8分成两束光， 一束光通过1/2玻片9和转像反射棱镜10后 得到rEMM模进入偏振分合镜15，另一束光通过变相板11、 1/2玻片12、平 面镜13和;r相位板14进入偏振分合镜15，与进入偏振分合镜15的rEM。,模
干涉叠加得到柱矢量光束；变相板确保两束光所走过的光程是一样的，通过 调节l/2玻片9 、 1/2玻片12和;r相位板14来调节偏振光束的偏振态。
图2为微分滤波器的制作光路示意图，由激光器16、分束镜17、平面 镜18、平面镜19、扩束镜20、扩束镜21、干板22和平台23构成。激光器 16发出光束经分束镜17分成两束光，两束光分别通过平面镜18和平面镜 19反射后到达扩束镜20和扩束镜21，被扩束成两束相干光，经过扩束镜后 得到的两束成一定夹角的相干光投射到一块玻璃全息干板22上，当扩束镜 与干板的距离足够远时，干板上接收到的可近似看成平行光。干板22架置 于一个能在水平面内转动的平台23上。第一次曝光时，干板对于两束光呈 对称状态；第二次曝光前将平台转过一微小角度，曝光后经处理便得到复合 光栅，也就是微分滤波器。平面镜18和平面镜19且扩束镜20和扩束镜21 是轴对称的。
激光器16为氦氖激光器、分束镜17为可以分束的分束镜、平面镜18 和平面镜19为普通的平面镜、扩束镜20和扩束镜21为伽利略型扩束镜、 干板22为一块玻璃干板。图3为柱矢量光束偏振态的分布示意图，箭头表示偏振态方向，如图所 示:上面的图为方位角偏振光的获得，下面的图为径向偏振光的获得。不妨 将方位角偏振光用￡^表示，径向偏振光用A.表示，则有-五/w = :vT^M01 + exp(7;r)xr五M^
五> =ir五M^ + ;r五M^
;与纟分别为偏振光沿x轴，y轴的单位方向向量，变相板确保两束光所走 过的光程是一样的，通过调节1/2玻片9 、 1/2玻片12和;r相位板14来调 节偏振光束的偏振态。当经过起偏器7和分束镜8后得到两束沿x方向偏振 且光强相同的7^M,。模后，如果一束光通过1/2玻片9和转像反射棱镜10后 得到沿y方向的7^Mm模，另外一束光通过变相板11、平面镜13和;r相位板 14 (实现expG;r))后进入偏振分合镜15，这两束光干涉叠加得到方位角偏 振光束；如果一束光通过转像反射棱镜10后进入偏振分合镜15，另外一束 光通过变相板10、 1/2玻片12和平面镜13后得到沿y方向的7^M,。模，这
两束光干涉叠加得到径向偏振光束。
权利要求
1、一种利用光学微分实现柱矢量光束的方法，其特征在于，方法为从激光器中产生的TEM00模通过一个扩束镜扩束后经过第一个透镜准直，经过第二个透镜实现傅里叶变换，通过频谱面上的一个微分滤波器，经过第三个透镜实现傅里叶逆变换即得到TEM00模的微分结果TEM10模；TEM10模通过转像反射棱镜后得到TEM01模，最后TEM10模和TEM01模两个模通过马赫-曾德干涉仪干涉叠加得到柱矢量光束。
2、 一种利用光学微分实现柱矢量光束的设备，其特征在于，包括激光器 (1)、透镜(2)、透镜(3)、透镜(4)、微分滤波器(5)、透镜(6)、起偏 器(7)、分束镜(8)、 1/2玻片(9)、转像反射棱镜(IO)、变相板(ll)、 1/2玻片(12)、平面镜(13)、 ；r相位板(14)和偏振分合镜(15)，激光器(l)产 生的^M。。模通过由透镜(2)和透镜(3)组成的扩束整形镜后经过透镜(3)准直，准直后的光束经过透镜(4)实现傅里叶变换，后通过频谱面上的一个 微分滤波器(5)，再经过透镜(6)得到7EM。。模的微分结果7^i^。模；raM,。 模通过起偏器(7)和分束镜(8)分成两束光， 一束光通过1/2玻片(9) 和转像反射棱镜(10)后得到raMw模进入偏振分合镜(15)，另一束光通过 变相板(11)、 1/2玻片(12)、平面镜(13)和;r相位板(14)进入偏振分 合镜(15)，与进入偏振分合镜(15)的ra:M。,模干涉叠加得到柱矢量光束。 3 、根据
3.权利要求2所述利用光学微分实现柱矢量光束的设备，其特征在 于，所述微分滤波器(5)由激光器(16)、分束镜(17)、平面镜(18)、平面 镜(19)、扩束镜(20)、扩束镜(21)、干板(22)和平台(23)构成，激光器(16) 发出光束经分束镜(17)分成两束光，两束光分别通过平面镜(18)和平面镜(19)反射后到达扩束镜(20)和扩束镜(21)，被分别扩束成成一定夹角 的两束相干光，相干光投射到玻璃全息干板(22)上，干板(22)架置于一 个能在水平面内转动的平台(23)上。
4 、根据权利要求3所述利用光学微分实现柱矢量光束的设备，其特征在 于，所述平面镜(18)和平面镜(19);扩束镜(20)和扩束镜(21)都是 轴对称的。
5、根据权利要求3所述利用光学微分实现柱矢量光束的设备，其特征在 于，所述激光器(16)为氦氖激光器；平面镜(18)和平面镜(19)为普通 的平面镜；扩束镜(20)和扩束镜(21)为伽利略型扩束镜。
全文摘要
本发明涉及一种利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备，从激光器中产生的TEM₀₀模通过一个扩束镜扩束后经过第一个透镜准直，经过第二个透镜实现傅里叶变换，通过频谱面上的一个微分滤波器，经过第三个透镜实现傅里叶逆变换即得到TEM₀₀模的微分结果TEM₁₀模；TEM₁₀模通过转像反射棱镜后得到TEM₀₁模，最后TEM₁₀模和TEM₀₁模两个模通过马赫-曾德干涉仪干涉叠加得到柱矢量光束。此方法具有柱矢量光束输出和光束偏振态调节便利的特点且产生方法步骤简单、实现方便、容易操作和适合广泛应用。
文档编号G02F1/01GK101551530SQ200910045680
公开日2009年10月7日 申请日期2009年1月22日 优先权日2009年1月22日
发明者丁左红, 庄松林, 方宝英, 蓝景恒, 郭汉明, 郭舒文, 高秀敏 申请人:上海理工大学