专利名称：利用渥拉斯顿棱镜合束生成矢量光束的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用渥拉斯顿棱镜合束生成矢量光束的系统，属于光电技术领域。
背景技术：
偏振是光的重要性质之一，线偏振光、椭圆偏振光是人们所熟知的光场形式，它们已广泛地应用到很多领域。线偏振光、椭圆偏振光的共同特点是波面内各点的偏振态都是相同的。近年来，人们通过研究发现一些偏振态按特定规律非均勻分布的光束在许多应用领域具有更重要的价值。这种新型的偏振光束在波面内各点的偏振态都不相同，很难用传统的标量方法表征，较好的表征方法是给出偏振态的矢量分布，因此这类光也被称为矢量光束。矢量光束中的径向偏振光束(偏振拓扑数为1)是偏振态按径向分布的轴对称矢量光束，是最典型的、应用最广泛的一种矢量光束。研究发现，径向偏振光束经高数值孔径透镜聚焦后的聚焦光斑可超过衍射极限，且在焦点处具有很强的纵向电场等特殊的性质，使其在微纳光学领域具有广阔的应用前景，另外，高阶矢量光束在信息传输和光学捕获方面也具有重要的应用前景。矢量光束的生成方法是国内外的研究热点之一。矢量光束的生成方法主要分为两大类，即腔外产生法和腔内产生法。近年来已报道的腔外法主要包括1)使两束偏振态正交的TEMtll和TEMltl的线偏振Hermite-Gaussian(HG)光束相干叠加生成一阶矢量光束；2)利用两束螺旋相位相反的左旋和右旋圆偏振Laguerre-GaussianOii)光束或 Bessel-Gaussian(BG)光束相干叠加生成矢量光束；3)腔外放置一个空间偏振转化器件 (例如组合半波片、扭转向列液晶器件和亚波长光栅等)产生矢量光束；腔内产生法主要指在激光腔内插入偏振模式选择器件(例如布儒斯特轴锥镜、光子晶体光栅镜等)产生矢量光束的方法。上述采用空间偏振转化器件的腔外生成法和腔内生成矢量光束的方法都需用到一些特殊加工的光学元器件，这些器件的加工难度较大，使实际应用增加了难度；而采用利用两束光相干合成生成矢量光束的方法大多需用到类似于马赫_曾德尔干涉仪形式的合束装置，影响了合成光束的稳定性。针对上述问题，我们设计了一种新型的光束合成生成矢量光束的光学系统，该系统由常规光学元件构成，结构简单，稳定性好，易于调节，可在较宽波段内生成多种矢量光束。
发明内容
本发明的目的是提供一种稳定、结构简单、可在宽波段内生成多种矢量光束的系统。本发明的目的是由下述技术方案实现的本发明的装置包括激光器、起偏器、第一扩束器、一叉三叉的复合二元振幅光 栅、 第二扩束器、光阑、聚焦透镜、二分之一波片、渥拉斯顿棱镜、四分之一波片、检偏器、C⑶相机。所述的激光器输出光束为高斯光束；所述的起偏器起偏方向为0°置于激光器后，用于将入射光转变为偏振方向为0°的线偏振光；所述的第一扩束器置于起偏器后，用于对入射的光束进行扩束；所述的一叉三叉的复合二元振幅光栅置于第一扩束器后，用于在士 1级衍射光的位置得到士m阶拉盖尔高斯光束；所述的第二扩束器倒置于一叉三叉的复合二元振幅光栅后， 用于增大各衍射级的衍射角；所述的光阑置于第二扩束器后，用于滤出+1级和-1级衍射光；所述的聚焦透镜置于光阑后，用于使两束光会聚，并可移动聚焦透镜的位置来控制两束光会聚后的夹角并使其等于渥拉斯顿棱镜的分离角；所述的二分之一波片的快轴方向为45°，置于聚焦透镜后一束光的光路中，用于使这一束偏振光的偏振方向旋转90°。所述的渥拉斯顿棱镜的分离角可以由Φ =ZsirT1 [Oitl-IO tan θ]计算得到， 式中 和为渥拉斯顿棱镜所用双折射晶体的寻常光和非常光的折射率，θ为渥拉斯顿棱镜晶体的切割角，将其中心置于聚焦透镜后两束光的交汇点处，用于使两束偏振方向正交的衍射光合束成为一束光；所述的四分之一波片的快轴方向为45°，其置于渥拉斯顿棱镜后，用于使合束的两束偏振方向正交的线偏振衍射光变换为两束旋向相反的圆偏振光， 使其符合相干合成矢量光束的理论从而得到m阶的矢量光束；所述的检偏器置于四分之一波片后，用于检测得到的矢量光束的阶数；所述的CCD相机置于检偏器后，用于观察生成的矢量光束。本发明提供的生成矢量光束的方法的具体步骤为从激光器出射的高斯光束经过0°放置的起偏器变换为0°偏振的线偏振光，经过第一扩束器进行扩束，入射到一叉三叉的复合二元振幅光栅上，旋转二元振幅光栅使其士 1级衍射光为士m阶拉盖尔高斯光束，产生的衍射光经过一个倒置的第二扩束器来增大各衍射级的衍射角，利用光阑将+1级和-1级衍射光滤出，滤出的光束再经过一个聚焦透镜对两束光进行会聚，在其中一束光的光路中放置一快轴方向为45°的二分之一波片，使得这一束偏振光的偏振方向旋转90°，两束偏振方向正交的衍射光经聚焦透镜聚焦后以渥拉斯顿棱镜的分离角交汇于渥拉斯顿棱镜的中心，之后两束光合束成为一束光，合束后的光垂直透过一快轴方向为45°的四分之一波片后，使合束的两束偏振方向正交的线偏振衍射光变换为两束旋向相反的圆偏振光，从而得到m阶的矢量光束，最后利用检偏器和CCD相机观测所生成的矢量光束。本发明的有益效果①可以生成任意阶的矢量光束。②系统中没有用到反射器件，提高了合束的稳定性。③系统结构简单，可在较宽波段内合成矢量光束，生成效率也较高，易于调节。
图1是本发明的原理图；图中，I-激光器，2-起偏器，3-第一扩束器，4- 一叉三叉的复合二元振幅光栅，5-第二扩束器，6-光阑，7-聚焦透镜，8- 二分之一波片，9-渥拉斯顿棱镜，10-四分之一波片，11-检偏器，12-CXD相机。图2是本发明中使用的一叉三叉的复合二元振幅光栅在基模高斯光束的照射下生成一个3X3的拉盖尔高斯光束阵列的示意图；图中，基模高斯光束经过一叉三叉的复合二元振幅光栅后在水平方向生成LGtll和LGch1光束，垂直方向生成LGtl3和LGch3光束，对角线方向生成LGtl2和LGch2光束以及LGtl4和LGch4光束。 图3是采用图1系统进行实验的结果图；图中，横向为生成的1至4阶矢量光束， 列向分别为不加检偏器时，以及加入检偏器并将其旋转0°、45°、90°时CCD相机拍摄的
实验结果。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步说明。如图1所示，本发明的装置包括激光器(1)、起偏器(2)、第一扩束器(3)、一叉三叉的复合二元振幅光栅(4)、第二扩束器(5)、光阑(6)、聚焦透镜(7)、二分之一波片(8)、渥拉斯顿棱镜(9)、四分之一波片(10)、检偏器(11)和CCD相机(12)。从激光器(1)出射的高斯光束经过起偏方向为0°的起偏器(2)后变换为0°线偏振光，经过第一扩束器(3)进行扩束，垂直入射到一叉三叉的复合二元振幅光栅(4)上，生成一个3X3的拉盖尔高斯光束阵列，如图2所示，水平方向为LGtll和LGch1光束，垂直方向为LGtl3和LGch3光束，对角线方向为 LG02和LGch2光束以及LGtl4和LGch4光束，旋转光栅使其士 1级衍射光为士m阶拉盖尔高斯光束，产生的衍射光经过一个倒置的第二扩束器(5)来增大各衍射级的衍射角，利用光阑(6) 将+1级和-1级衍射光滤出，滤出的光束再经过一个聚焦透镜(7)对两束光进行会聚，在其中一束光的光路中放置一快轴方向为45°的二分之一波片(8)，使得这一束偏振光的偏振方向旋转90°，调节聚焦透镜(7)的位置，使两束偏振方向正交的衍射光经聚焦透镜(7)聚焦后以渥拉斯顿棱镜(9)的分离角交汇于渥拉斯顿棱镜(9)的中心，渥拉斯顿棱镜(9)的分离角可以由Φ =ZsirT1 [Oitl-IO tan θ]计算得到，式中η(ι和~为渥拉斯顿棱镜(9)所用双折射晶体的寻常光和非常光的折射率，θ为渥拉斯顿棱镜(9)晶体的切割角，之后根据渥拉斯顿棱镜(9)的性质两束光合束成为一束光，合束后的光垂直透过一快轴方向为45° 的四分之一波片(10)后，使合束的两束偏振方向正交的线偏振衍射光变换为两束旋向相反的圆偏振光，使其符合相干合成矢量光束的理论从而得到m阶的矢量光束，最后利用检偏器(11)和CCD相机(12)观测所生成的矢量光束，实验结果如图3所示。
权利要求
1.一种利用渥拉斯顿棱镜合束生成矢量光束的系统，包括激光器(1)、起偏器(2)、第一扩束器(3)、一叉三叉的复合二元振幅光栅(4)、第二扩束器(5)、光阑(6)、聚焦透镜(7)、 二分之一波片(8)、渥拉斯顿棱镜(9)、四分之一波片(10)、检偏器(11)和CCD相机(12)， 其特征在于激光器(1)输出的高斯光束垂直入射透过起偏方向为0°的起偏器(2)后，经过第一扩束器(3)进行扩束，入射到一叉三叉的复合二元振幅光栅(4)上，旋转一叉三叉的复合二元振幅光栅(4)使其士 1级衍射光为士m阶拉盖尔高斯光束，产生的衍射光经过一个倒置的第二扩束器(5)来增大各衍射级的衍射角，利用光阑(6)将+1级和-1级衍射光滤出，滤出的光束再经过一个聚焦透镜(7)对两束光进行会聚，在其中一束光的光路中放置一快轴方向为45°的二分之一波片(8)，使得这一束偏振光的偏振方向旋转90°，两束偏振方向正交的衍射光经聚焦透镜(7)聚焦后以渥拉斯顿棱镜(9)的分离角交汇于渥拉斯顿棱镜(9)的中心，之后两束光合束成为一束光，合束后的光垂直透过一快轴方向为45° 的四分之一波片(10)后得到m阶矢量光束，最后利用检偏器(11)和CCD相机(12)观测所生成的矢量光束。
2.根据权利要求1所述的利用渥拉斯顿棱镜合束生成矢量光束的系统，其特征在于 系统使用了一个一叉三叉的复合二元振幅光栅(4)，在基模高斯光束的照射下，可以生成一个3X3的拉盖尔高斯光束阵列，在水平方向生成LGtll和LGch1光束，垂直方向生成LGtl3和 LGch3光束，对角线方向生成LGtl2和LGch2光束以及LGtl4和LGch4光束，我们可以将这4对拉盖尔高斯光束合束生成4束高阶矢量光束。
3.根据权利要求1所述的利用渥拉斯顿棱镜合束生成矢量光束的系统，其特征在于 系统采用了倒置的第二扩束器(5)，这个扩束系统有两个作用，一是对经过一叉三叉的复合二元振幅光栅(4)的光场进行傅里叶变换，另一个作用是扩大+1级和-1级衍射的夹角，这样便于我们将二分之一波片(8)放置到其中的一个衍射级上。经过光栅后+1级和-1级衍射光束的夹角可由θ =2sin-1(A/d)计算得到。其中λ为波长，d为光栅常数。经过倒置的第二扩束器+1级和-1级衍射光束的夹角扩大为原来的M倍，M是扩束器的扩束倍率。
4.根据权利要求1所述的利用渥拉斯顿棱镜合束生成矢量光束的系统，其特征在于 渥拉斯顿棱镜(9)是一种常见的偏振分光棱镜，根据光路可逆原理将其倒置使用时，可将一束P偏振光和一束s偏振光合束，条件是ρ偏振光和s偏振光的夹角为渥拉斯顿棱镜(9) 的分离角，分离角可以由Φ =ZsirT1 [Oitl-IO tan θ]计算得到，式中 和 为渥拉斯顿棱镜(9)所用双折射晶体的寻常光和非常光的折射率，θ为渥拉斯顿棱镜(9)晶体的切割角， 因此将渥拉斯顿棱镜(9)放置在聚焦透镜(7)的焦点附近，移动聚焦透镜(7)可以控制会聚光束的夹角，微调其位置让会聚光的交点正好位于渥拉斯顿棱镜(9)的中心。
全文摘要
本发明是一种利用渥拉斯顿棱镜合束生成矢量光束的系统，属于光电技术领域。本发明由激光器、起偏器、第一扩束器、一叉三叉的二元振幅光栅、第二扩束器、光阑、聚焦透镜、二分之一波片、渥拉斯顿棱镜、四分之一波片、检偏器和CCD相机组成。本发明实现了一种高效、稳定、结构简单的生成高纯度任意矢量光束的系统，采用渥拉斯顿棱镜为核心元件将两束偏振旋向相反且具有相反螺旋相位的圆偏振螺旋光束合束成为一束光，得到所需的矢量光束。本发明生成的矢量光束由于其具有的特殊性质，使其在微纳光学和光通信领域具有广阔的应用前景。
文档编号G02B27/09GK102269876SQ201110240488
公开日2011年12月7日 申请日期2011年8月22日 优先权日2011年8月22日
发明者王铮, 辛璟焘, 高春清 申请人:北京理工大学