产生径向偏振阵列光束的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及径向偏振光束，特别是一种产生径向偏振阵列光束的方法及装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，一种空间非均匀偏振光束一一径向偏振光束受到了广泛关注。径向偏振 光束具有特殊的偏振属性，相对于均勾偏振光场，如线偏振、椭圆偏振、圆偏振，径向偏振光 偏振态分布是不均匀的，其电场振动具有完美的旋转对称特性，且光场中心强度为零。近年 来的理论和实验研究发现，径向偏振光束相比一般均匀偏振光束具有一些新特点，如"紧聚 焦"径向偏振光束的最小光斑面积可达〇. 16λ2，比同条件下的线偏振光小近50 %。此外，还 可获得很强的长程无衍射轴向电场分量以及更容易激发表面等离子体激元等。径向偏振光 束的产生方法主要可分为腔内产生和腔外产生两种:腔内产生方法是通过在腔内放置学元 件，如圆锥镜、双折射元件以及液晶偏振选择器件等，通过这些元件来选择或改变光束的偏 振态产生径向偏振光束。腔外产生法则主要通过模式干涉叠加或利用一些特殊偏振模式转 换元件，如径向偏振器、液晶空间光调制器、相位延迟元件、偏振选择光纤以及亚波长光栅 等获得径向偏振光束。目前的研究表明径向偏振光束在粒子捕获、超分辨测量、超分辨成 像、高密度存储、以及材料加工等领域具有重要应用前景。
[0003] 基于部分相干部分偏振统一理论，光束可以用空间频域2X2阶交叉光谱密度矩阵 表示，考虑光场的空间相干性，关联特性服从高斯分布的径向偏振光束被提出并实验产生 (F.ffang,Y.Cai,Y.Dong,and 0.Korotkova,Experimental generation of a radially polarized beam with controllable spatial coherence.Appl.Phys.Lett.100,051108 (2012))，研究表明径向偏振光的聚焦特性可以通过光束的空间相干性进行调控，产生空 心、平顶以及高斯型的强度分布，在材料热处理以及粒子捕获领域有重要的应用前景。研究 还发现，部分相干径向偏振光束相比线偏振矢量光束，能有效降低大气端流对光信号的扰 动，在自由光通信方面具有重要应用。
[0004] 光束的关联特性在满足光束构造的真实性条件下，可以通过设计调控光束的关联 特性来有效调控光参数特性。径向偏振阵列光束与单模光束相比，在一些如高密度存储、超 分辨成像、材料热处理、粒子捕获等应用领域可以大大提高工作效率，具有很高的实用研究 价值。阵列光束的产生可通过激光器阵列经过光束整形直接得到，或将光束通过分束器调 控强度分布实现，但通过对光束的关联特性调控，使得光束在经过光学系统传输后实现阵 列光束的方法一直未见报道。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种产生径向偏振阵列光束的方法及装置。
[0006] 实现本发明目的的技术方案为:一种产生径向偏振阵列光束的方法，包括如下步 骤：
[0007] 步骤1、对线偏振激光进行空间偏振调控，得到径向偏振光束；
[0008] 步骤2、降低径向偏振光束的空间关联特性，得到空间关联特性服从高斯分布的径 向偏振谢尔模光束；
[0009] 步骤3、采用二维梳状函数调控径向偏振谢尔模光束的关联性，得到高斯阵列关联 径向偏振光束；
[0010] 步骤4、高斯阵列关联径向偏振光束经过薄透镜聚焦后，在焦点位置得到径向偏振 阵列光束。
[0011 ] -种产生径向偏振阵列光束的装置，包括线偏振氦氖激光器、径向偏振转换器、旋 转的毛玻璃片、空间光调制器、准直透镜、高斯振幅滤波片、聚焦透镜和光束分析仪；
[0012] 线偏振氦氖激光器产生的线偏振激光束通过径向偏振光转换器，使线偏振激光束 由空间均匀的线偏振转换为空间径向偏振，之后通过旋转的毛玻璃片降低激光束的空间相 干性，得到相干性服从高斯分布的径向偏振光束；空间光调制器调制径向偏振光束的关联 特性，使其具有高斯阵列关联，通过准直透镜对准直光束，并通过高斯滤波片调控光束在源 场的束腰半径，最终在源场产生具有高斯阵列关联特性的径向偏振光束，之后通过聚焦透 镜进行光束聚焦，并在焦点处用光束分析仪测量光场强度分布。
[0013] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1)本发明在焦点处得到的径向偏振阵列 光束可以通过初始参数进行调控。阵列大小可以通过初始参数N，M调控;光斑间距可以通过 α调控;光斑强度分布可以通过源场的相干长度〇g来进行调控为高斯阵列分布和空心阵列 分布，这两种光束在光束操控粒子方面可以操控两种不同的粒子:折射率大于周围环境的 粒子和折射率小于周围环境的粒子，并且相干性也可操控焦点处点斑的大小；（2)径向偏振 阵列光束与单模光束相比，在一些如粒子捕获、高密度存储等应用领域可以大大提高工作 效率，具有很高的实用研究价值；（3)本发明通过对径向偏振光束的关联特性调控，使得光 束在经过光学系统传输后实现径向偏振阵列光束，构造简单，调控参数丰富，成本相比于激 光器阵列合束有明显降低。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明提供的一种产生径向偏振阵列光束的装置示意图。
[0015] 图2(a)中为源场高斯阵列关联径向偏振光束的光强及偏振态分布，图2(b)中为源 场强度分布在y = 〇处的剖面图，图2(c)和图2(d)为y = 0剖面上关于光场任意一点与中心点 的一维相干度分布图。
[0016]图3 (a)和图3(b)分别为光源相干长度取10mm和1mm下焦点处阵列光束的强度分布 二维轮廓图。
[0017] 图4(a)为经过透镜聚焦后光束在传输距离z = 0.8f处强度及偏振态分布图，图4 (b)为传输距离z = 0.95f处强度及偏振态分布图，图4(c)为传输距离z = f处强度及偏振态 分布图。
【具体实施方式】
[0018] 结合图1，本发明的一种产生径向偏振阵列光束的方法，包括如下步骤：
[0019] 步骤1、对线偏振激光进行空间偏振调控，得到径向偏振光束;径向偏振光束的电 场矢量数学模型表不为X偏振ΤΕΜιο与y偏振ΤΕΜοι的相干叠加：
[0021 ]其中r2 = x2+y2，x、y分别为笛卡尔坐标下的横坐标和纵坐标，e x、ey表示相互垂直的 电场振动单位矢量；
[0022]步骤2、降低径向偏振光束的空间关联特性，得到空间关联特性服从高斯分布的径 向偏振谢尔模光束;径向偏振谢尔模光束的空间关联特性为
[0023]步骤3、采用二维梳状函数调控径向偏振谢尔模光束的关联性，得到高斯阵列关联 径向偏振光束;具体为：
[0024]采用空间光调制器编写二维梳状函数，对径向偏振谢尔模光束进行调制，得到空 间关联特性的逆傅里叶变换，表示为：
[0026] (ux，uy)表示空间频率域坐标，τχ、τγ*别表示高斯阵列的横、纵坐标;δ表示狄拉克 函数；
[0027] 高斯阵列关联径向偏振光束的2X2阶交叉谱密度矩阵为：
[0029]高斯阵列关联表示为：
[0031] 1'1=(11，71)、^=(12,72)为光场两点位置坐标;〇()为光束束腰宽度;〇8为高斯阵列 关联径向偏振光束的相干长度;a为无量纲实数，用来调控点阵间距;Ν，Μ表示阵列大小，η χ、 ny分别为高斯阵列的位置；
[0032] 步骤4、高斯阵列关联径向偏振光束经过薄透镜聚焦后，在焦点位置得到径向偏振 阵列光束；
[0033] 薄透镜聚焦的AB⑶矩阵表示为：
[0035] f为薄透镜焦距，z为观测面到薄透镜的距离，焦点处z的取值为f;
[0036]径向偏振阵列光束的2X2阶交叉光谱密度矩阵，矩阵元表示为：
[0040]其中，α表示χ或y; OpP^z)表示ΚριΡζ,ζ)的共辄;p1= (plx，ply)和p2= (p2x, P2y)为接受面上的任意两点；
[0043] 其中，k表示波数。
[0044] 如图1所示，一种产生径向偏振阵列光束的装置，其特征在于，包括线偏振氦氖激 光器1、径向偏振转换器2、旋转的毛玻璃片3、空间光调制器4、准直透镜5、高斯振幅滤波片 6、聚焦透镜7和光束分析仪8;
[0045] 线偏振氦氖激光器1产生的线偏振激光束通过径向偏振光转换器2,使线偏振激光 束由空间均匀的线偏振转换为空间径向偏振，之后通过旋转的毛玻璃片3降低激光束的空 间相干性，得到相干性服从高斯分布的径向偏振光束;计算机9通过梳状函数编写空间光调 制器4,调制径向偏振光束的关联特性，使其具有高斯阵列关联，通过准直透镜5对准直光 束，并通过高斯滤波片6调控光束在源场的束腰半径，最终在源场产生具有高斯阵列关联特 性的径向偏振光束，之后通过聚焦透镜7进行光束聚焦，并在焦点处用光束分析仪8测量光 场强度分布。
[0046]所述聚焦透镜7与光束分析仪8的距离为聚焦透镜7的焦距。
[0047]下面结合附图及实施例对本发明进行进一步描述。
[0048] 实施例
[0049]参见图1，一线偏振激光束通过径向偏振光转换器，本实施例中将使用线偏振激光 器产生的激光束首先通过径向偏振转换器得到径向偏振光束，激光束的空间相干性很高可 认为是完全相干的，则径向偏振光束的电场矢量数学模型可表不为X偏振ΤΕΜιο与y偏振 ΤΕΜοι的相干叠加：
[0051] 其中r2 = x2+y2，σ〇为光束束腰半径，可通过高斯振幅滤波片进行调控。
[0052] 根据相