产生径向偏振余弦高斯谢尔模光束的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及偏振余弦高斯谢尔模光束，特别是一种产生径向偏振余弦高斯谢尔模 光束的方法及装置。
【背景技术】
[0002] 在光学和激光的应用中，相干性和偏振性是激光光束的两个重要特性。以往人们 对激光束的偏振特性和相干特性大都是单独研究，近年来，部分相干矢量光束引起了人们 的广泛重视。矢量光束也称电磁光束，相对于标量光束而言，电磁光束能描述更多光源信 息。
[0003] 由于径向偏振光束具有特殊的偏振属性，相对于均匀偏振光场，如线偏振、椭圆偏 振、圆偏振，径向偏振光偏振态分布是非均勾的，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，使其受到了广泛关注。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〇.16λ 2,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。。
[0004] 在过去的几十年间部分相干光理论得到了充分的研究，但只有少数几种关联函数 被提出，用来描述光束的相干性，如谢尔模关联、贝塞尔关联、拉盖尔关联等。近几年研究表 明，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。2011年，Lajuen等人提出了非均匀关联的光束，它的相干度分布跟空间位置有关， 研究表明它会发生自聚焦现象;2012年，Sahin等人提出了能在远场产生平顶光强的部分相 干光束；2013年，能在远场产生空心光斑的特殊关联部分相干光束从理论和实验上得到研 究。研究构造具有相干性非均匀分布的激光光束，深入研究具有特殊相干性分布的光束在 传输、成像以及与物质相互作用等方面的新机理和新现象已经成为一大研究热点。
[0005] 然而，现有文献中尚未发现产生径向偏振余弦高斯谢尔模光束方法的相关记载。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种产生径向偏振余弦高斯谢尔模光束的方法及装置。
[0007] 实现本发明目的的技术方案为:一种产生径向偏振余弦高斯谢尔模光束的方法， 包括以下步骤：
[0008] 步骤1、对激光进行扩束，通过空间光调制器调制光束的关联特性，得到具有余弦 尚斯关联特性的光束；
[0009] 步骤2、对步骤1得到的光束进行空间偏振调控，得到径向偏振光束；
[0010] 步骤3、降低径向偏振光束的空间关联特性，得到非相干的余弦高斯关联光束；
[0011] 步骤4、非相干的余弦高斯关联光束经透镜聚焦和高斯振幅滤波片滤波后得到线 偏振的余弦尚斯关联尚斯光束；
[0012] 步骤5、线偏振的余弦高斯关联高斯光束通过径向偏振光转换器得到径向偏振余 弦高斯谢尔模光束。
[0013] -种产生径向偏振余弦高斯谢尔模光束的装置，包括激光产生装置、扩束器、反射 镜、空间光调制器、计算机、圆形孔径、线偏振片、毛玻璃片、薄透镜、高斯振幅滤波片和径向 偏振转换器；
[0014] 所述激光产生装置产生的激光通过扩束器进行扩束，经反射镜后通过空间光调制 器进行调制，所述空间光调制器与计算机连接，计算机将平面波与余弦高斯波干涉得到的 光栅全息图样加载到空间光调制器;调制后的光束经圆形孔径选取出一阶衍射图样，得到 余弦高斯关联光束;余弦高斯关联光束通过线偏振片和旋转的毛玻璃片降低激光束的空间 相干性，得到非相干的余弦高斯关联线偏振光束;非相干的余弦高斯关联线偏振光束经薄 透镜、高斯振幅滤波片后得到线偏振的余弦关联高斯光束，最后通过径向偏振转换器对线 偏振的余弦关联尚斯光束的偏振态进彳丁调制，得到具有径向偏振的余弦尚斯谢尔t旲光束。
[0015] 与现有技术相比，本发明的显著效果为:本发明提出了一种产生径向偏振余弦高 斯谢尔模光束的方法，确定了光束光参数的选取条件，通过对空间光调制器的操控可以改 变这种光束的余弦阶数n，不同阶数相干性分布的光束在传输过程中的聚焦特性不同，形成 多种光斑形状，产生光束分裂等新颖现象，理论与实验结果一致。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明提供的一种产生和测量径向偏振余弦高斯谢尔模光束的装置示意 图。
[0017] 图2(a)、图2(b)和图2(c)为理论模拟径向偏振余弦高斯谢尔模光束不同阶数n = 0，1，2的归一化强度分布以及一维剖面轮廓线示意图。
[0018] 图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)分别为理论模拟径向偏振余弦高斯谢尔模光束 在源场夺2、_fc、1、1的相干度分布轮廓图。
[0019] 图4(a)为光束源场实验测量的一维归一化强度分布图，图4(b)、图4(c)、图4(d)分 别为总光强二维轮廓图、X偏振方向强度二维轮廓图、y偏振方向强度二维轮廓图。
[0020] 图5(a)为光束源场实验测量的一维相干度分布图，图5(b)、图5(c)、图5(d)分别为 歹2、C、C二维轮廓图。
【具体实施方式】
[0021] 结合图1，本发明的一种产生径向偏振余弦高斯谢尔模光束的方法，包括以下步 骤：
[0022] 步骤1、对激光进行扩束，通过空间光调制器调制光束的关联特性，得到具有余弦 尚斯关联特性的光束；
[0023] 步骤2、对步骤1得到的光束进行空间偏振调控，得到径向偏振光束；
[0024] 步骤3、降低径向偏振光束的空间关联特性，得到非相干的余弦高斯关联光束；
[0025] 步骤4、非相干的余弦高斯关联光束经透镜聚焦和高斯振幅滤波片滤波后得到线 偏振的余弦尚斯关联尚斯光束；
[0026] 步骤5、线偏振的余弦高斯关联高斯光束通过径向偏振光转换器得到径向偏振余 弦高斯谢尔模光束。
[0027] 径向偏振余弦高斯谢尔模光束2X2阶交叉谱密度矩阵0(r|,r2)的矩阵元表示为
源场关联特性表示为
[0028] 1'1=(11，71)和^=(12,72)为源场位置矢量#〇为源场束腰宽度；〇8为源场相干长 度;是光场位置矢量，Αχ和Ay分别是光场在X和y方向上电场分量的振幅，δ χχ和δγγ分别是X分 量和y分量自相关函数的相干宽度，δχγ=δ γχ是电场X分量和y分量互相干宽度，Bxx = Byy= 1，
为光场X分量和y分量复关联系数，Φ Xy为电场X分量和y分量之间的 相位差，qae为各个矩阵元的相干度，η为正实数。
[0029] 结合图1，一种产生径向偏振余弦高斯谢尔模光束的装置，包括激光产生装置1、扩 束器2、反射镜3、空间光调制器4、计算机13、圆形孔径5、线偏振片6、毛玻璃片7、薄透镜U、 高斯振幅滤波片8和径向偏振转换器9;
[0030] 所述激光产生装置1产生的激光通过扩束器2进行扩束，经反射镜3后通过空间光 调制器4进行调制，所述空间光调制器4与计算机13连接，计算机13将平面波与余弦高斯波 干涉得到的光栅全息图样加载到空间光调制器；调制后的光束经圆形孔径5选取出一阶衍 射图样，得到余弦高斯关联光束;余弦高斯关联光束通过线偏振片6和旋转的毛玻璃片7降 低激光束的空间相干性，得到非相干的余弦高斯关联线偏振光束，其中，光束经过毛玻璃上 的光斑直径远大于毛玻璃片的粗糙尺度;非相干的余弦高斯关联线偏振光束经薄透镜U、 高斯振幅滤波片8后得到线偏振的余弦关联高斯光束，最后通过径向偏振转换器9对线偏振 的余弦关联尚斯光束的偏振态进彳丁调制，得到具有径向偏振的余弦尚斯谢尔t旲光束。
[0031] 如图1中虚线右侧部分所示，装置还包括分束器10、第一透镜1^2、第二透镜L3、光束 分析仪11和CCD12，其中CCD为电荷耦合元件，径向偏振的余弦高斯谢尔模光束通过分束器 10进行50:50分束，分成等强度光，一束光经过焦距为f 2的透镜L2的聚焦，在焦点处通过光束 分析仪11得到径向偏振余弦高斯谢尔模光束的强度分布;另一束光依次通过第二透镜L 3和 CCD12,其中第二透镜L3和CCD12的距离为第二透镜L3焦距的两倍，(XD12固定在光束的某一 点处，光束分析仪11上信号与CCD信号做符合计算，得到两路光的关联值，将关联值进行拟 合，得到光束某一点与光场的关联特性分布。
[0032] 进一步的，所述激光产生装置1为氦氖激光器。
[0033]下面结合附图及实施例对本发明进行进一步描述。
[0034] 实施例
[0035]本实施例中将基于部分相干部分偏振统一理论，随机电磁光束的2X2阶交叉谱密 度矩阵(_)(r|.r2)的矩阵可表示为：
[0037] Ex和Ey分别表不X和y方向上电场分量。
[0038]径向偏振余弦高斯谢尔模光束的交叉光谱密度矩阵元的一般式可表示为：
[0040]源场关联函数表示为
[0042]其中1'1=(11，71)和^=(12,72)为源场位置矢量#〇为源场束腰宽度;〇8为源场相干 长度;Αχ和Ay分别是光场在X和y方向上电场分量的振幅，δχχ和5yy分别是X分量和y分量自相 关函数的相干宽度，S xy = Syx是电场X分量和y分量互相干宽度，Bxx = Byy = 1，
是光场X分量和y分量复关联系数，Φ Xy是电场X分量和y分量之间的 相位差，qae表征了各个矩阵元的相干度，η为正实数，当n = 0时，光束退化为常见的径向偏振 谢尔模光束模型。
[0043]为确定模型建立可实现的光学参数，上述光束模型需要满足以下三个条件：
[0044] 条件1、具有余弦高斯关联函数的电磁光束的实现条件；
[0045] 条件2、偏振特性为径向偏振的余弦高斯关联光束的实现条件；
[0046] 条件3、满足余弦关联径向偏振光束的远场光束条件。
[0047] 本实施例中为满足条件1，具有余弦高斯关联函数的电磁光束的实现条件，将公式 (2)写为
[0049] Qxx和Qyy为交叉光谱密度矩阵的对角线元素，为标量自相关函数，由公式(4)可得 到对角线矩阵元是非负的，即只需要是非对角线元素满足条件即可。对于一般的电磁光束 而言，只需要满足非负性条件：
[0051] ξ的含义为空间频率域坐标，(幻和/#(3为关于点ξ的任意函数，*表示函数的 复共辄，α、β与交叉光谱密度矩阵元素