专利名称：偏振态可调空心光束的产生装置和方法
技术领域：
本发明涉及光束，特别是一种偏振态可调空心光束的产生装置和方法。
背景技术：
近年来，随着微观粒子光学捕获与超高分辨率显微镜技术的发展，偏振态空间不均勻的空心光束获得越来越多的重视。获取偏振态空间不均勻空心光束的方法主要分为有源方法和无源方法两种。其中较为典型的是采用光子晶体光栅镜作为激光器输出耦合镜， 利用稀土离子掺杂光纤作为增益介质获得这种光束的有源方案。通过这种有源方案可以获得较高功率的偏振态空间不均勻空心光束的激光输出，且光束的偏振纯度也很高，但该系统设计较为复杂，对操作人员专业技术性要求较高。元器件多采用光学精密仪器，使得整个系统价格昂贵，且有源系统自身容易引入干扰使系统的稳定性受到影响。迄今为止，该方案获得的光束质量(圆对称性、功率稳定性)依旧不高，使得利用该方法得到的空心光束用于微观粒子光学捕获与超高分辨率显微镜技术还需要一个发展过程。
发明内容
本发明针对上述有源方法的种种弊端，提出一种偏振态可调空心光束的产生装置和方法。该方法操作简单易行，装置结构简单，采用价格低廉的光学器件，即可实现高质量的偏振态空间不均勻的空心光束输出。本发明的技术解决方案如下一种偏振态可调空心光束的产生装置，特点于该装置包括激光光源，沿该激光光源的激光输出方向，依次是起偏器、四分之一波片、显微物镜、光纤、准直透镜和多维调整架，所述的显微物镜固定在所述的多维调整架的夹具，所述的光纤的输入端头固定在所述的多维调整架的光纤支架上且该输入端的端面位于所述的显微物镜的后焦点上，所述的光纤的输出端的端面位于所述的准直透镜的前焦点，所述的光纤是芯径较细，仅能支持入射激光波长的低阶模式的少模光纤，所述的多维调整架还有第一旋钮、第二旋钮和第三旋钮分别通过夹具对所述的显微物镜的水平和俯仰角度进行调整，以实现聚焦后的光束对光纤的离轴入射。所述的光纤是仅能支持入射激光波长的两个低阶模式LPOl模与LP02模的少模光纤。在所述的准直透镜的输出光路上还设置有偏振分析器和CXD探测器，所述的CXD 探测器的成像面位于所述的准直透镜的焦平面上。利用上述偏振态可调空心光束的产生装置产生空心光束的方法，其特点在于该方法包括下列步骤①在所述的准直透镜的输出光路上依次设置偏振分析器和CXD探测器，使所述的 CCD探测器的成像面位于所述的准直透镜的焦平面上；②调整所述的多维调整架的第一旋钮、第二旋钮和第三旋钮，通过夹具对所述的显微物镜的水平和俯仰角度进行调整，以实现聚焦后的光束对光纤的离轴入射，从而抑制所述的光纤中LPOl模的激发，实现空心光束的输出；③旋转所述的四分之一波片的旋转角度以实现选择性的激发径向偏振、方位偏振和中间态偏振的空心光束旋转所述的四分之一波片使该波片的光轴与所述的起偏器的偏振方向平行，调节所述的多维调整架上的第三旋钮，使所述的CCD探测器能观察到清晰的空心光束，此时微调第二旋钮并旋转所述的偏振分析器，通过所述的CCD探测器观察检偏后的光斑样式，当输出光束中的暗线一直与所述的偏振分析器的偏振方向垂直，此时输出的光束即为径向偏振光；旋转所述四分之一波片使该波片的光轴与所述的起偏器的偏振方向的夹角为方位偏振角θ ^时，调节所述的多维调整架上的第三旋钮使所述的CCD探测器能观察到清晰的空心光束，此时微调第二旋钮并旋转所述的偏振分析器，通过CCD探测器观察检偏后的光斑样式，当输出光束中的暗线一直与所述的偏振分析器的偏振方向平行，此时输出的光束即为方位偏振光；旋转所述四分之一波片使该波片的光轴与所述的起偏器的偏振方向的夹角为 0° θ ^之间任一角度时，调节所述的多维调整架上的第三旋钮使所述的CCD探测器能观察到清晰的空心光束，此时微调第二旋钮并旋转所述的偏振分析器，通过CCD探测器观察检偏后的光斑样式，当输出光束中的暗线一直与所述的偏振分析器的偏振方向呈某一夹角，此时输出的光束即为中间态偏振光束。所述的方位偏振角θ ^因不同的光纤有所变化，θ ^ 5°本发明的技术效果1、由于本发明均采用无源器件，系统自身引入的干扰因素较少，使得输出光斑质量获得了很大的提高；2、装置的整个调整过程中需要调整的元件较少，调节非常简便，即可实现高质量的偏振态空间不均勻的空心光束输出。对专业技能要求不高。3、同时该方法所采用的器件均为商用器件、价格低廉，费用可有效控制。
图1为本发明装置一个最佳实施例的光路结构原理图。图2为多维调整架12及装配的显微镜物镜4和光纤5入射端头8的连接结构示意3示出了本发明实验所获得的径向偏振、方位偏振和中间态偏振的光强及偏振态分布示意图。图3(a)为利用本发明方法获得的径向偏振输出的光束光强与偏振态分布示意图。图3(b)是利用本发明方法获得的方位偏振输出的光束光强与偏振态分布示意图。图3(c)是利用本发明方法获得的中间态偏振输出的光强与偏振态分布示意图。
具体实施例方式下面结合实施例好附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图1为本发明装置一个最佳实施例的光路结构原理图。由图可见， 本发明偏振态可调空心光束的产生装置，该装置包括激光光源1，沿该激光光源1的激光输出方向，依次是起偏器2、四分之一波片3、显微物镜4、光纤5、准直透镜6和多维调整架12， 所述的显微物镜4固定在所述的多维调整架12的夹具10上，所述的光纤5的输入端头8固定在所述的多维调整架12的光纤支架11上且该输入端8的端面位于所述的显微物镜4的后焦点上，所述的光纤5的输出端9的端面位于所述的准直透镜6的前焦点，所述的光纤5 是芯径较细，仅能支持入射激光波长的低阶模式的少模光纤，所述的多维调整架12还有第一旋钮13、第二旋钮14和第三旋钮15分别通过夹具10对所述的显微物镜4的水平和俯仰角度进行调整，以实现聚焦后的光束对光纤的离轴入射。在所述的准直透镜6的输出光路上还设置有偏振分析器16和CXD探测器7，所述的CXD探测器7的成像面位于所述的准直透镜6的焦平面上。所述的光纤5是仅能支持入射激光波长的两个低阶模式LPOl模与LP02模的少模光纤。本发明是用光纤作为模式选择器来获得高质量的偏振态空间不均勻空心光束输出的无源方法。该方案中光纤5作为模式选择器，选择的光纤芯径较细，仅能支持入射激光波长的两个低阶模式LPOl模与LP02模的少模光纤。选择这种光纤虽然使得系统能量转换效率下降，但是光纤的模式选择能力增强，这是由于LP02模的三个等价简并模式(TE01模，TMOl 模，HEll模)中包含需要激发的偏振态空间不均勻的模式(TE01模，TMOl模)，只需要有效的抑制少数几个模式，即可实现特定的偏振态空间不均勻空心光束的输出。所述的多维调整架12上的调节第一旋钮13、第二旋钮14和第三旋钮15用于调整显微物镜4的水平和俯仰角度，以实现聚焦后的光束对光纤的离轴入射，从而抑制光纤5中LPOl模的激发，实现空心光束的输出。基于普通光纤对于偏振敏感的特性，在显微镜物镜4前加入四分之一波片3用于对入射的线偏振光的偏振态的调整，以有效激发所需的偏振态空间不均勻的空心光束。通过同时控制显微物镜4的水平和俯仰角度及四分之一波片3的旋转角度即可实现选择性的激发径向偏振、方位偏振和中间态偏振的空心光束，此处的径向偏振是指光的空间各点的偏振态均沿着圆的径向方向(如图3(a)所示)，方位偏振是指光的空间各点的偏振态均沿着圆的切向方向(如图3(b)所示)，中间态偏振是指光的空间各点的偏振态介于径向与方位偏振之间的方向(如图3(c)所示)。通过控制显微镜物镜4的倾角和四分之一波片3的旋转角度即可实现径向偏振、方位偏振和中间态偏振的空心光束间相互切换。首先利用坐标靶屏对激光光源1进行准直，激光光源同时作为准直光源及光纤的激发光源。利用准直的激光光源1对光路中的起偏器2、四分之一波片3、显微物镜4进行共轴调节。此后将光纤的入射端8固定于多维调整架12上的光纤固定支架11，并调节光纤的入射端8使其端面位于显微物镜4的焦点，此时达到最佳耦合，光纤出射光功率最高。 调节光纤输出端9的位置使其端面位于所述的准直透镜6的焦平面，此时调节准直透镜6 的水平、俯仰角度使光纤输出端9的出射光束准直。在准直透镜6后放置偏振分析器16和CXD探测器7，所述的CXD探测器7的成像面位于所述的准直透镜6的焦平面上。利用CXD 成像器件7对出射光束进行观察。利用上述的偏振态可调空心光束的产生装置产生空心光束的方法，包括下列步骤①在所述的准直透镜6的输出光路上依次设置偏振分析器16和CXD探测器7，使所述的CCD探测器7的成像面位于所述的准直透镜6的焦平面上；②调整所述的多维调整架12的第一旋钮13、第二旋钮14和第三旋钮15，通过夹具10对所述的显微物镜4的水平和俯仰角度进行调整，以实现聚焦后的光束对光纤的离轴入射，从而抑制所述的光纤5中LPOl模的激发，实现空心光束的输出；③旋转所述的四分之一波片3的旋转角度以实现选择性的激发径向偏振、方位偏振和中间态偏振的空心光束旋转所述的四分之一波片3使该波片的光轴与所述的起偏器2的偏振方向平行， 调节所述的多维调整架12上的第三旋钮15使所述的CCD探测器7能观察到清晰的空心光束，此时微调第二旋钮14并旋转所述的偏振分析器16，(设定为22. 5°步距，旋转一周)， 通过所述的CCD探测器7观察检偏后的光斑样式，当输出光束中的暗线一直与所述的偏振分析器16的偏振方向垂直，此时输出的光束即为径向偏振光，参见图3(a)；旋转所述四分之一波片( 使该波片的光轴与所述的起偏器2的偏振方向的夹角为方位偏振角θ ^时，调节所述的多维调整架12上的第三旋钮15使所述的CXD探测器 7能观察到清晰的空心光束，此时微调第二旋钮14并旋转所述的偏振分析器16，(设定为 22. 5°步距，旋转一周)，通过CXD探测器7观察检偏后的光斑样式，当输出光束中的暗线一直与所述的偏振分析器16的偏振方向平行，此时输出的光束即为方位偏振光，参见图 3(b)；旋转所述四分之一波片3使该波片的光轴与所述的起偏器2的偏振方向的夹角为 0° θ ^之间任一角度时，调节所述的多维调整架12上的第三旋钮15使所述的CXD探测器7能观察到清晰的空心光束，此时微调第二旋钮14并旋转所述的偏振分析器16，(设定为22. 5°步距，旋转一周)，通过CXD探测器7观察检偏后的光斑样式，当输出光束中的暗线一直与所述的偏振分析器16的偏振方向呈某一夹角，此时输出的光束即为中间态偏振光束，参见图3(c)。所述的方位偏振角θ ^因不同的光纤有所变化，θ ^ 5°由此可见，本发明通过联动旋转多维调整架12的第二旋钮14和第三旋钮15及四分之一波片3，即可实现径向偏振、方位偏振与中间态偏振空心光束间的切换。使用十分方便。
权利要求
1.一种偏振态可调空心光束的产生装置，特征在于该装置包括激光光源(1)，沿该激光光源(1)的激光输出方向，依次是起偏器O)、四分之一波片(3)、显微物镜、光纤 (5)、准直透镜(6)和多维调整架(12)，所述的显微物镜(4)固定在所述的多维调整架(12) 的夹具(10)，所述的光纤(5)的输入端头(8)固定在所述的多维调整架(1 的光纤支架 (11)上且该输入端(8)的端面位于所述的显微物镜的后焦点上，所述的光纤(5)的输出端头(9)的端面位于所述的准直透镜(6)的前焦点，所述的光纤(5)是芯径较细，仅能支持入射激光波长的低阶模式的少模光纤，所述的多维调整架(1 还有第一旋钮(13)、第二旋钮(14)和第三旋钮(15)分别通过夹具(10)对所述的显微物镜(4)的水平和俯仰角度进行调整，以实现聚焦后的光束对光纤的离轴入射。
2.根据权利要求1所述的偏振态可调空心光束的产生装置，其特征在于所述的光纤 (5)是仅能支持入射激光波长的两个低阶模式LPOl模与LP02模的少模光纤。
3.根据权利要求1所述的偏振态可调空心光束的产生装置，其特征在于，在所述的准直透镜(6)的输出光路上还设置有偏振分析器(16)和CCD探测器(7)，所述的CCD探测器 (7)的成像面位于所述的准直透镜(6)的焦平面上。
4.利用权利要求1所述的偏振态可调空心光束的产生装置产生空心光束的方法，其特征在于该方法包括下列步骤①在所述的准直透镜(6)的输出光路上依次设置偏振分析器(16)和CCD探测器(7)， 使所述的CCD探测器(7)的成像面位于所述的准直透镜(6)的焦平面上；②调整所述的多维调整架(1 的第一旋钮(13)、第二旋钮(14)和第三旋钮(15)，通过夹具(10)对所述的显微物镜(4)的水平和俯仰角度进行调整，以实现聚焦后的光束对光纤的离轴入射，从而抑制所述的光纤(5)中LPOl模的激发，实现空心光束的输出；③旋转所述的四分之一波片( 的旋转角度以实现选择性的激发径向偏振、方位偏振和中间态偏振的空心光束旋转所述的四分之一波片( 使该波片的光轴与所述的起偏器O)的偏振方向平行， 调节所述的多维调整架(1 上的第三旋钮(1 使所述的CCD探测器(7)能观察到清晰的空心光束，此时微调第二旋钮(14)并旋转所述的偏振分析器(16)，通过所述的CCD探测器 (7)观察检偏后的光斑样式，当输出光束中的暗线一直与所述的偏振分析器(16)的偏振方向垂直，此时输出的光束即为径向偏振光；旋转所述四分之一波片C3)使该波片的光轴与所述的起偏器( 的偏振方向的夹角为方位偏振角θ ^时，调节所述的多维调整架(1 上的第三旋钮(1 使所述的CCD探测器 (7)能观察到清晰的空心光束，此时微调第二旋钮(14)并旋转所述的偏振分析器(16)，通过CCD探测器(7)观察检偏后的光斑样式，当输出光束中的暗线一直与所述的偏振分析器 (16)的偏振方向平行，此时输出的光束即为方位偏振光；旋转所述四分之一波片C3)使该波片的光轴与所述的起偏器( 的偏振方向的夹角为 0° θ ^之间任一角度时，调节所述的多维调整架(1 上的第三旋钮(1 使所述的CCD 探测器(7)能观察到清晰的空心光束，此时微调第二旋钮(14)并旋转所述的偏振分析器 (16)，通过CCD探测器(7)观察检偏后的光斑样式，当输出光束中的暗线一直与所述的偏振分析器(16)的偏振方向呈某一夹角，此时输出的光束即为中间态偏振光束。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的方位偏振角θ^因不同的光纤有所变化，Θ。 5°。
全文摘要
一种偏振态可调空心光束的产生装置和方法，该装置包括激光光源，沿该激光光源的激光输出方向，依次是起偏器、四分之一波片、显微物镜、光纤、准直透镜和多维调整架，所述的显微物镜固定在所述的多维调整架的夹具，所述的光纤的输入端头固定在所述的多维调整架的光纤支架上且该输入端的端面位于所述的显微物镜的后焦点上，所述的光纤的输出端的端面位于所述的准直透镜的前焦点，所述的光纤是少模光纤，所述的多维调整架还有第一旋钮、第二旋钮和第三旋钮分别通过夹具对所述的显微物镜的水平和俯仰角度进行调整，以实现聚焦后的光束对光纤的离轴入射。本发明具有装置结构简单，操作简便，即可实现高质量的偏振态可调的空心光束输出。
文档编号G02B27/09GK102289075SQ20111021931
公开日2011年12月21日 申请日期2011年8月2日 优先权日2011年8月2日
发明者方志强, 李建郎 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所