专利名称：一种产生柱矢量光束的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种光学技术，特别涉及一种产生柱矢量光束的装置及方法。
背景技术：
径向偏振光(Radial polarized beams)禾口方位角偏振光(azimuthalpolarized beams)称为柱矢量光束(Cylindrical polarized beams)，它们拥有高度的对称性。由于 柱矢量光束的一些特性可应用到粒子加速技术、光学镊子、材料加工、微粒的囚禁和操控、 大数值孔径透镜以及一些特别的测量方法等领域。例如，柱矢量光束可应用于光学显微系 统中实现超分辨效应，因为一定的柱矢量光束经过聚焦后焦点比同一聚焦系统中线偏振光 束聚焦的焦点的横向光斑小。柱矢量光束的产生系统是研究和利用旋转矢量偏振光束的必 备前提条件，引起了广泛关注。产生柱矢量光束有很多种方法，比如，调整一束线偏振光让 其射向扭曲排列的向列相畸变的晶体，用两束偏振方向相互正交的线偏振光通过干涉仪合 成，调制光束不同位置的相位后干涉合成，还有就是同时利用干涉仪和衍射的方法对激光 基横模进行转换等等。每种方法各有优势，但是，仍然存在一些本质不足，主要是入射光要 求高和无法产生高偏振度的柱矢量光束。 对于激光模式的选择，通常的激光器输出的是基横模光束(记为TEM。。模)。但是， 要合成柱矢量光束，必须用TEMw(或TEM。》模光束。这样，就要改变激光器的输出模式。由 激光原理可知，通常的横模选择即是要在参与振荡的大量横模中选出基横模，根据高阶横 模所占据的空间大于基横模，因此在谐振腔内加入一定尺寸限制的光阑和合理设计谐振腔 的腔型及参数将会增大高阶横模的衍射损耗从而抑制其振荡。选择的方法可分两种，其一 是通过设计谐振腔的几何结构和腔参数实现基横模运转，其二是在腔内加入选模元件。然 而，要保留TEM1Q (或TEMQ1)模光束而抑制其它阶的模要更加复杂，而且改变激光的谐振腔也 是比较麻烦的，比如，可以设计一个带有一条线通过圆心的圆环，理论上可以较好地实现输 出TEMJ或TEM^)模光束，然而对于中间过滤线的精度要求很高，因此现实中很难实现。随 着信息社会和知识经济的迅速发展，激光的各阶模式在各种实验和设计制造中运用得越来 越广泛，在国防建设和现代科学技术中显得更加重要。因此，能简单、快捷地获得所须的激 光模式是十分关键的。
发明内容
本发明是针对的问题，提出了一种产生柱矢量光束的装置及方法，利用空间光调 制器产生柱矢量光束，方法新颖，并且具有易于操纵的优点。 本发明的技术方案为一种产生柱矢量光束的装置，依次包括激光器、扩束镜、光 阑、起偏器、空间光调制器或复数滤波器、检偏器、傅里叶变换透镜、小孔光阑、傅里叶变换 透镜、相位延迟器、以及干涉系统，激光器输出光束经过扩束镜和光阑整形和扩束后再经过 起偏器变成线偏振光，光束进入空间光调制器或复数滤波器，光束经过检偏器，形成阵列， 经过由一对傅里叶变换透镜和小孔光阑组成4f系统，光束加入相位延迟器进行相位调制，得到光束经干涉系统合成柱矢量光束。 所述干涉系统至少包括半透半反镜、平面反射镜、转像系统、相位板、二分之一波
片、偏振合光镜。所述半透半反镜为平板或棱镜。所述偏振合光镜为棱镜或平板。 所述激光器为单模基横模激光器。 所述扩束镜为开普勒扩束镜或伽利略扩束镜。 所述空间光调制器为透射式空间光调制器，位于第一个傅里叶变换透镜的前焦面 上。 所述傅里叶变换透镜至少为两个，且两透镜同光轴放置，第二个透镜的前焦面与 第一个透镜的后焦面重合。 —种产生柱矢量光束的方法，包括产生柱矢量光束的装置，其特征在于，包括如下 具体步骤 1)TEM。。模光束为输入光束假设输入函数为高斯函数g(x， y) = e邓[-(x、y2)/ w2]则TEM。。模的光束表达式为gc(x,力-王comb(x/X)combO;/:r); 2)利用空间光调制器及光学元件对其抽样对输入场g(x，y)进行抽样，则抽样函 数为gs(x,力=丄comb(x / Z)comb(:v /力，其中三comb(x / X)comb(;; / F)为空间光调
制器的振幅调制作用或复数滤波器的作用；则抽样函数的频谱为
、 、
<formula>formula see original document page 5</formula>
^並 l曰 3)进行傅里叶变换输入场g(x， y)的频 G(/x，/,)=詣2 exp[-^w2(// + //)]，那么进行反傅里叶变换得TEM10模的光束频谱为
G(w)c/;,y;)=-2"v^ exPHr v(//+//)]，同理可得到temq1模的光束频谱；4)经过干涉仪系统，最后合成所需要的柱矢量光束设两个输入光为同相位，
￡"w 0， S) = ￡0 # exp(-;0 / 2) cos(^)，
= ￡oV exp(-/ /2)sin(0)， 式中，r和e表示极坐标系，E。为振幅，w为高斯光束腰斑半径，P = 2r2/V，进行 简单的矢量相加减得 方位角偏振光^)0"") = i^(x)(r，0 —化w(r刀)=^qV^exp(-p/2)径向偏振光￡(,) (r， 0)=化("(r， + (r, 0)=化。# exp(-p/ 2)。
本发明的有益效果在于本发明产生柱矢量光束的装置及方法，激光的操纵是在
稳定的环境下进行的，实施方便；系统对入射光束的偏振态无限制，对于入射光束要求低，系统应用范围广；可以调节起偏器和二分之一波片的位置，产生不同的柱适j 变系统整体结构、操作简单。
t光束，不用改
图1为本发明产生柱矢]
图2为本发明产生柱矢3
图3为本发明产生柱矢]
图4为本发明产生柱矢]
图5为本发明产生柱矢3
t光束的装置实例一光学系统示意图； t光束的装置实例一空间光调制器写入信号的灰度图 t光束的装置实例二光学系统示意图； t光束的装置实例二空间光调制器写入信号的灰度图 t光束的装置实例三光学系统示意图。
具体实施例方式
本发明的基本构思是以TEM。。模光束为输入光束，然后利用空间光调制器及相 关光学元件对其进行一定方式的抽样，或利用复数滤波器，使输出光束的傅里叶变换为 TEM1Q (或TEMQ1)模光束的频谱，在上述的频谱的频谱面上进行滤波，再进行把傅里叶变换得 到TEM1Q (或TEMQ1)模光束；使TEM1Q (或TEMQ1)模光束经过干涉仪系统，最后合成所需要的 柱矢量光束。其理论基础为
假设输入函数为高斯函数 g(x， y) = exp[-(x2+y2)/w2] (1)
易知上式为TEM。。模的光束表达式；
采用函数gc (x，力=王comb(x / X)comb(y /1") (2)
对输入场g(x， y)进行抽样，则抽样函数为g,(x,y) = —comb(x/X)combO/;T)g(x，>0 (3) 其中工comb(WX)comb(:^/:r)为空间光调制器的振幅调制作用或复数滤波器的作
H7
用；则抽样函数的频谱为 <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>
输入场g(x，y)的频谱
<formula>formula see original document page 6</formula>
那么
G(w)C/;，力)=-2;r3W4/, e邓[一;rVC/;2 +力2)] (5) 对(5)式进行反傅里叶变换得TEM1Q模的光束，同理可得到TEMQ1模的光束。所利 用的空间光调制器为透射式电寻址的空间光调制器，它的读出光为TEM。。模光束，写入(电) 信号为直线二维灰度图。 利用TEMQ1和TEM1Q模光束可以合成柱矢量光束，设两个输入光为同相位，
￡(x) (r ， (9) = ￡0 7 exp(-p / 2) cos((9),
(r， 0) = ￡0 exp(-p / 2) sin(6>) 式中，r和e表示极坐标系，E。为振幅，w为高斯光束腰斑半径，P = 2r2/V。进 行简单的矢量相加减得￡w (r, 0) = (r, 0)-纽w (r， 0)=紐。# exp(-p / 2) ， ( 6 )
(r, 0) = ， 0) + (r， 0) = M。 # exp(-/ 2) ，( 7 ) 式中g和f是方位角和径向的单位矢量，其中式(6)与式(7)分别表示方位角偏振 光和径向偏振光。 由入射光束传播方向上同对称光轴依次置有扩束镜、光阑、起偏器、空间光调制器 或复数滤波器、检偏器、傅里叶变换透镜、小孔光阑、傅里叶变换透镜、相位延迟器，以及干 涉系统。 激光器输出TEM。。模光束；该光束经过扩束镜和光阑整形和扩束后再经过起偏器 变成线偏振光，若激光器输出为线偏振光则上述起偏器可以省略；光束进入空间光调制器 或复数滤波器；光束经过检偏器，形成阵列；光束经过由一对傅里叶变换透镜和小孔光阑 组成4f系统；再对光束的一瓣加入相位延迟器进行相位调制，使两瓣相位差为(2n+l) Ji， n为大于或等于0的自然数，得到TEM1Q (或TEMQ1)模光束；TEM1Q (或TEMQ1)模光束经干涉系 统合成柱矢量光束；上述干涉系统至少包括半透半反镜、平面反射镜、转像系统、相位板、 二分之一波片、偏振合光镜。 如图1所示产生柱矢量光束的装置实例一光学系统示意图，单模激光器10输出 基横模光束；经过扩束镜11 ;光束中心经过光阑21的中心，得到扩束整形后的TEM。。模光 束；光束经过起偏器31变成线偏振光；光束进入空间光调制器35 ;光束再经过检偏器32， 此时得一个光束阵列，要利用4f系统进行空间滤波；傅里叶变换透镜41与前面光学系统同 轴，其前焦面位于空间光调制器35处；小孔光阑22位于傅里叶变换透镜41的后焦面处，且 其中心在光轴上；傅里叶变换透镜42的前焦面与傅里叶变换透镜41的后焦面重合，且两 透镜同轴；光束经过4f系统进行空间滤波后分为两瓣，需要对其中一瓣进行相位调制，在 傅里叶变换透镜42后加入光束的一瓣加入相位延迟器33进行相位调制，使两瓣相位差为 (2n+l) Ji ， n为大于或等于0的自然数；此时可得到TEM1Q(或TEMQ1)模光束；
所得TEM1Q (或TEMQ1)模光束；经过半透半反镜51后变成两束等光强的光束；一束 光经过转像系统52变成TEMQ1 (或TEM1Q)模光束并改变光轴方向，根据所需的柱矢量光柱选 择加二分之一波片54 ;另一束光经过可变相位板53，经过成45度放置的平面反射镜55改 变光轴方向；可变相位板53的作用在于调节使两光束相干叠加前的光程相同；两束光在偏 振合光镜56相干叠加，从另一端输出柱矢量光束。 图2为实例一空间光调制器写入信号的灰度图，该灰度图用在图1所述光学系统中时可令TEM。。模光束变成TEMw模光束。其灰度函数为T= |x| ;其中以水平方向为x轴 其代表归一化的距离值，以垂直方向为T轴其代表归一化的透率值，以图像中心为原点。高 斯光束入射时，使高斯光束的中心与空间光调制器上的该灰度图像的中心重合。
如图3所示产生柱矢量光束的装置实例二光学系统示意图，单模激光器10输出基 横模光束；经过扩束镜11 ;光束中心经过光阑21的中心，得到扩束整形后的TEM。。模光束； 该光束经过与光轴成45度角放置的半透半反镜71后分为等光强的两束光，第一束光沿原 光轴方向传播，第二束光经与半透半反镜平行放置的反射镜72反射后其传播方向与第一 束光的传播方向平行，且距离较近；两束光束经过起偏器31变成线偏振光；光束进入空间 光调制器35 ;光束再经过检偏器32，此时得两个光束阵列，两个阵列都要利用4f系统进行 空间滤波；傅里叶变换透镜41与前面光学系统同轴，其前焦面位于空间光调制器35处；小 孔光阑22位于傅里叶变换透镜41的后焦面处，且其中心在光轴上；傅里叶变换透镜42的 前焦面与傅里叶变换透镜41的后焦面重合，且两透镜同轴；每光束经过4f系统进行空间滤 波后分为两瓣，需要对其中一瓣进行相位调制，在傅里叶变换透镜42后加入两光束的一瓣 加入相位延迟器33和相位延迟器34进行相位调制，使每束光束的两瓣相位差为(2n+l) ji ， n为大于或等于0的自然数，上述相位延迟器只对每个光束的其中一瓣进行相位调制；此时 可得到TEM1Q和TEMQ1模光束； 所得TEM1Q和TEMQ1模光束；两束光经过与光轴成45度角放置的平面反射镜58和 平面反射镜59后使光传播方向改变90度；其中一束可根据所需的柱矢量光柱选择加二分 之一波片54 ;另一束光经过可变相位板53，经过成45度放置的平面反射镜55改变光轴方 向；可变相位板53的作用在于调节使两光束相干叠加前的光程相同；两束光在偏振合光镜 56相干叠加，从另 一端输出柱矢量光束。 图4为实例二空间光调制器写入信号的另一种灰度图，该灰度图用在图3所述光 学系统中时可令TEM。。模光束变成TEM1Q和TEMQ1模光束。其左半部分灰度函数为T = | x | ; 其中以水平方向为x轴其代表归一化的距离值，以垂直方向为T轴，其代表归一化的透率 值，以该半部分图像中心为原点。高斯光束入射时，使高斯光束的中心与空间光调制器上的 该灰度图像左半部分的中心重合。其右半部分灰度函数为T= |y| ;其中以垂直方向为y 轴其代表归一化的距离值，以水平方向为T轴，其代表归一化的透率值，以该半部分图像中 心为原点。高斯光束入射时，使高斯光束的中心与空间光调制器上的该灰度图像右半部分 的中心重合。 与实施例1或2的原理相似，如图5所示产生柱矢量光束的装置实例三光学系统 示意图，利用复数滤波器或透明显示屏等代替空间光调制器的振幅调制作用和二分之一波 片的相位调制作用，也可产生柱矢量光束。 复数滤波器39的透过率为T = |x| ，其中以水平方向为x轴其代表归一化的距离 值，以垂直方向为T轴其代表归一化的透率值，以复数滤波器中心为原点；复数滤波器同时 起到调制相位的作用，即有入射光偏振的方向上，复数滤波器的左半部与右半部光程差为 (2n+l) Ji，n为大于或等于O的自然数。高斯光束入射时，使高斯光束的中心与复数滤波器 的中心重合。
权利要求
一种产生柱矢量光束的装置，其特征在于，依次包括激光器、扩束镜、光阑、起偏器、空间光调制器或复数滤波器、检偏器、傅里叶变换透镜、小孔光阑、傅里叶变换透镜、相位延迟器、以及干涉系统，激光器输出光束经过扩束镜和光阑整形和扩束后再经过起偏器变成线偏振光，光束进入空间光调制器或复数滤波器，光束经过检偏器，形成阵列，经过由一对傅里叶变换透镜和小孔光阑组成4f系统，光束加入相位延迟器进行相位调制，得到光束经干涉系统合成柱矢量光束。
2. 根据权利要求1所述产生柱矢量光束的装置，其特征在于，所述干涉系统至少包括 半透半反镜、平面反射镜、转像系统、相位板、二分之一波片、偏振合光镜。
3. 根据权利要求2所述产生柱矢量光束的装置，其特征在于，所述半透半反镜为平板或棱镜。
4. 根据权利要求2所述产生柱矢3t光束的装置，其特征在于，所述偏振合光镜为棱镜 或平板。
5. 根据权利要求1所述产生柱矢3t光束的装置，其特征在于，所述激光器为单模基横模激光器。
6. 根据权利要求1所述产生柱矢j:光束的装置，其特征在于，所述扩束镜为开普勒扩 束镜或伽利略扩束镜。
7. 根据权利要求1所述产生柱矢量光束的装置，其特征在于，所述空间光调制器为透 射式空间光调制器，位于第一个傅里叶变换透镜的前焦面上。
8. 根据权利要求1所述产生柱矢量光束的装置，其特征在于，所述傅里叶变换透镜至 少为两个，且两透镜同光轴放置，第二个透镜的前焦面与第一个透镜的后焦面重合。
9. 一种产生柱矢量光束的方法，包括产生柱矢量光束的装置，其特征在于，包括如下具 体步骤1) TEM。。模光束为输入光束假设输入函数为高斯函数<formula>formula see original document page 2</formula>则 TEM。。模的光束表达式为<formula>formula see original document page 2</formula>2) 利用空间光调制器及光学元件对其抽样对输入场g(x， y)进行抽样，则抽样函数 为<formula>formula see original document page 2</formula>，其中丄combO /X)combO/ F)为空间光调制器的振幅调制作用或复数滤波器的作用；则抽样函数的频谱为<formula>formula see original document page 2</formula>3)进行傅里叶变换输入场g(x，y)的频谱<formula>formula see original document page 2</formula>那么 进行反傅里叶变换得TEM1Q模的光束频谱为<formula>formula see original document page 2</formula>同理可得到TEMQ1模的光束频谱；4)经过干涉仪系统，最后合成所需要的柱矢量光束设两个输入光为同相位，五(x) (r, 0)=五o exP(-/ 2) cos(P),五w 0,0)=五。# exp(-/ 2) sin(P)，式中，r和9表示极坐标系，E。为振幅，w为高斯光束腰斑半径，P 二2rVV，进行简单的矢量相加减得方位角偏振光五w(r刀)== &0V^eXp(-P/2)径向偏振光￡wO^) = :^wO^) + jp￡w(r，0 = ^。V^eXp(-/7/2)。
全文摘要
本发明涉及一种产生柱矢量光束的装置及方法。激光器输出TEM00模光束经过扩束镜和光阑整形和扩束后再经过起偏器变成线偏振光，光束进入空间光调制器或复数滤波器，光束经过检偏器，形成阵列，经过由一对傅里叶变换透镜和小孔光阑组成4f系统，光束加入相位延迟器进行相位调制得到TEM10(或TEM01)模光束，经干涉系统合成柱矢量光束。本装置及方法对入射光束要求低、装置简单，并具有易操作、输出的柱矢量光束偏振度高等优点。
文档编号G02B27/09GK101794024SQ20101013876
公开日2010年8月4日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者丁左红, 庄松林, 王小亚, 翁晓羽, 董祥美, 蓝景恒, 郭汉明 申请人:上海理工大学