三维矢量光束及其生成方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种新型的光束一一三维矢量光束及其生成 方法与装置。
【背景技术】
[0002] 偏振态是光束的基本特征之一，常见的偏振光有线偏振光、椭圆偏振光以及圆偏 振光等，这些光束的偏振态在其横截面内的分布是各向同性的。与这些常见的光束不同，矢 量光束的光束横截面中的偏振态分布是各向异性的，其基本的偏振分布模式有径向偏振分 布、角向偏振分布等。具有轴对称偏振态分布的矢量光束是麦克斯韦方程组在柱坐标系下 的本征解，因此也可将其称为偏振祸旋光束或轴对称偏振光束。矢量光束的光场分布是一 环状结构，这是因为其光束中心处的偏振态是无法确定的，即存在一偏振奇点。矢量光束之 所以得到人们的广泛关注，在于它具有许多其它光束不具有的特性。矢量光束光场的中空 环状结构使其可用于光镊中，可提高粒子的捕获效率。同时，矢量光束还可携带偏振信息 量，可用于光通信系统中拓展信道容量。矢量光束在先进制造领域也具有重要的应用价值。 研究表明，在金属的激光切割技术中，切割效率与光束的偏振态密切相关。金属对P偏振光 的吸收效率最高，散射效率最低。而采用径向偏振矢量光束，相对于激光切割刀口，所有入 射光都是P偏振光，且光束具有很好的偏振对称性。因此采用径向偏振矢量光束进行激光切 割不但可以提高切割效率，还可以得到十分均匀的切割刀口。在金属的激光打孔技术中，以 低碳钢为例，在相同条件下对低碳钢进行激光打孔加工，与线偏振光和圆偏振光相比，采用 角向偏振光可以提高1.5~4倍的打孔效率。
[0003] 国内外学者在矢量光束的生成技术方面做了大量研究工作，并发明了多种生成矢 量光束的方法。其中，利用涡旋光束偏振合成矢量光束的方法最为广泛，其原理可理解为： 一左旋圆偏振涡旋光束与一携带有相反轨道角动量的右旋圆偏振涡旋光束合束后生成矢 量光束，且矢量光束的阶次为涡旋光束阶次的绝对值。这一偏振合成过程可用琼斯矩阵表 示为：
[0005]式中，1和-1为涡旋光束的角量子数。常见的偏振合成方法有渥拉斯通棱镜法，马 赫增德尔干涉法等，这些方法的主要特点是两束旋向相反且携带有相反轨道角动量的涡旋 光束同时入射到装置中，则出射合成光即为矢量光束。2015年北京理工大学的研究人员利 用泰曼格林干涉仪实现了矢量光束的生成，该技术只需要一束涡旋光束入射即可，一定程 度上降低了光路调节的复杂度。然而，上述这些方法虽都能很好的生成矢量光束，但是生成 的矢量光束的偏振分布是固定不变的。要想改变矢量光束的偏振态分布，需要在光路中加 入波片等器件，这在一定程度上增加其实际应用的不方便性。例如，在激光先进制造应用 中，径向偏振光有利于金属切割，而角向偏振光有利于打孔。如果一束矢量光束既含有径向 偏振成分，又含有角向偏振成分，那么切割与打孔就可以同时进行。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明提供了一种新型的矢量光束一一三维矢量光束，及其生成方法 与装置。
[0007] 本发明的三维矢量光束，其光场分布与贝塞尔光束相似，其光束横截面偏振态分 布随着其传输距离的改变而改变。在一个空间周期内，其偏振态会从径向偏振到角向偏振 交替变化。
[0008] 本发明的三维矢量光束的生成方法是将轴棱镜与1阶螺旋相位片叠加后的全息光 栅，以及径向周期相位与21阶螺旋相位片叠加后的全息光栅，分别加载在两个液晶空间光 调制器上，则该系统的出射光束即为1阶三维矢量光束。当给液晶空间光调制器加载不同的 全息光栅时，可生成不同阶次的三维矢量光束。
[0009] 本发明的一种三维矢量光束的生成方法与装置，包含激光器、偏振分光棱镜、准直 器、两个液晶空间光调制器、半波片和四分之一波片，其中：
[0010] 所述偏振分光棱镜置于激光器发出的光路中，用于生成水平线偏振激光；
[0011] 所述准直器置于偏振分光棱镜后方的光路中，用于对水平线偏振激光进行准直；
[0012] 所述第一个液晶空间光调制器置于准直器后方的光路中，用于加载轴棱镜与螺旋 相位片叠加后的全息光栅，将高斯光束转化为携带有轨道角动量的贝塞尔光束；
[0013] 所述半波片置于第一个液晶空间光调制器后方的光路中，且其快轴方向与水平面 呈22.5°放置，用于将水平偏振的贝塞尔光束转化为偏振方向与水平面呈45°的线偏振贝塞 尔光束；
[0014] 所述第二个液晶空间光调制器置于半波片后方的光路中，用于加载径向周期相位 与螺旋相位片叠加后的全息光栅，将偏振方向与水平面呈45°的线偏振贝塞尔光束转化为 两束偏振方向分别为水平和垂直且携带有相反轨道角动量的线偏振贝赛尔光束的合束，同 时水平偏振分量相比于垂直偏振分量有相位延迟；
[0015] 所述四分之一波片置于第二个液晶空间光调制器后方的光路中，其快轴方向与水 平面呈45°，用于将两束偏振方向为水平和垂直且携带有相反轨道角动量的线偏振贝赛尔 光束的合束转化为两束左旋和右旋且携带有相反轨道角动量的圆偏振贝赛尔光束的合束， 同时左旋圆偏振分量相比于右旋圆偏振分量有相位延迟。
[0016] 本发明具有以下有益效果：
[0017] (1)本发明的三维矢量光束，光束横截面偏振态分布随着其传输距离的改变而改 变，并呈周期变化。
[0018] (2)本发明的三维矢量光束，在一个空间周期内，其偏振态会从径向偏振到角向偏 振交替变化。
[0019] (3)本发明的三维矢量光束，在实际应用时可通过增大或缩小传播距离实现偏振 态分布的改变。
[0020] (4)本发明提供的一种三维矢量光束的生成装置，相比于现有的其他矢量光束生 成装置，结构简单，调节简便。
[0021] (5)本发明提供的一种三维矢量光束的生成装置，一次调节完成后，无需再次调 节，只需改变加载在两个液晶空间光调制器上的全息光栅，即可实现不同阶次的三维矢量 光束的生成，操作方便。
【附图说明】
[0022]图1为三维矢量光束的生原理图。
[0023]图2(a)为轴棱镜生成贝塞尔光束原理图。图中，1-入射光束，2-轴棱镜，3-无衍射 区（贝塞尔光束区域）。
[0024]图2(b)为径向周期相位板在不同传输距离引入不同附加相位的原理图。图中，1-入射光束，2-轴棱镜，3-无衍射区（贝塞尔光束区域），4_径向周期相位板，5-引入附加相位 区域。
[0025] 图2(c)为径向周期相位板的相位分布。
[0026] 图3为三维矢量光束的生成装置示意图。图中，1-激光器，2-偏振分光棱镜，3-准直 器，4-液晶空间光调制器，5-半波片，6-液晶空间光调制器，7-四分之一波片。
[0027] 图4为生成一阶三维矢量光束时给液晶空间光调制器加载的全息光栅图，从左至 右分别为轴棱镜与1阶螺旋相位片叠加后的全息光栅，和径向周期相位与2阶螺旋相位片叠 加后的全息光栅。
[0028] 图5为生成的一阶三维矢量光束。图中，从上至下分别为在初始位置、1/4空间周期 处、1/2空间周期处以及3/4空间周期处测得的三维矢量光束的光场、偏振态分布及通过不 同角度放置的偏振片的光场。
[0029] 图6为生成二阶三维矢量光束时给液晶空间光调制器加载的全息光栅图，从左至 右分别为轴棱镜与2阶螺旋相位片叠加后的全息光栅，和径向周期相位与4阶螺旋相位片叠 加后的全息光栅。
[0030] 图7为生成的二阶三维矢量光束。图中，从上至下分别为在初始位置、1/4空间周期 处、1/2空间周期处以及3/4空间周期处测得的三维矢量光束的光场、偏振态分布及通过不 同角度放置的偏振片的光场。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图并实施例，对本发明做一详细描述。
[0032] 本发明的三维矢量光束如图1所示，其偏振态分布随传输距离的变化而呈周期改 变。在一个空间周期内，其偏振态会从径向偏振到角向偏振交替变化。其生成原理可理解 为，贝塞尔光束是一种涡旋光束，其携带有轨道角动量，因此一左旋圆偏振贝塞尔光束与一 携带有相反轨道角动量的右旋圆偏振贝塞尔光束合束后可以生成矢量光束，且矢量光束的 阶次为贝塞尔光束的角量子数的绝对值。若给左旋贝塞尔光束引入一个相位延迟，则合束 过程可用琼斯矩阵表示为：
[0033]
[0034] 其中，Φ表示矢量光束的初始偏振方向，Φ =0表示径向偏振矢量光束，当Φ =π/2 时表示角向偏振矢量光束。若Φ可以写成关于传输距离ζ的函数，即可实现在不同的传输距 离引入不同的附加相位，进而引起不同传输距离处偏振态分布的不同。
[0035] 如图2(a)所示，在光路中加入轴棱镜，可实现贝塞尔光束的生成，且贝塞尔光束只 存在于无衍射区中。如图2(b)所示