基于一螺旋波片板产生多种高功率柱矢量偏振光束的方法与流程

本发明涉及空间偏振光束整形技术领域，具体涉及一种基于一螺旋波片板产生多种高功率柱矢量偏振光束的方法，该方法将高功率线偏振光束转化为高功率柱矢量偏振光束，如：径向偏振光、角向偏振光，相位可变的柱矢量偏振光束、高阶柱矢量偏振光束和涡旋光束等。

背景技术：

柱矢量偏振光是一种特殊的矢量偏振光，其空间偏振态分布不均匀，但关于光轴具有一定的对称或相似性。轴对称光束属于柱矢量偏振光的一种，包括径向偏振光、角向向偏振光等，由于其偏振和相位在光束横截面上呈轴对称分布而具有独特的光学特性和应用。此外，相位可调的柱对称光束如径向偏振涡旋光束，具有柱对称或相似的高阶径向偏振光等，因其特殊的空间偏振和相位分布，也有许多特殊的光学特性和应用。涡旋光束是具有螺线形相位分布的光束，其表达式中带有相位因子exp(ilθ)，光束中的每个光子携带的轨道角动量，其中l称为拓扑荷，具有中空的特点，由于其特殊的空间相位分布，已在光学微操纵、生物医学、信息传输等领域发挥重要作用。以径向偏振光为例。径向偏振光具有完美的轴对称分布，与线偏振光和圆偏振光相比有着显著不同的特性。例如径向偏振光具有沿光轴对称的电场分布以及中空的圆环型光束结构；径向偏振光和角向偏振光都是偏振本征态，在c切向晶体中传播时，不会发生串扰；高数值孔径透镜聚焦时径向偏振光可以产生超越衍射极限的极小焦点，比线偏振光和圆偏振光的聚焦点小得多，而且焦点区域的纵向电场变得非常强。使得其在牵引、捕获和加速金属粒子，切割金属，提高光学存储密度和提高纵向分辨率等方面具有优势。

柱矢量偏振光和涡旋光束具有独特的光学特性，应用潜力巨大。因产生柱矢量偏振光和涡旋光束较难，目前国内大多采用理论分析方法研究，开展实验研究还不多，导致光学特性研究不足，应用受限。

国外，径向偏振光的产生方法研究相对较多，主要分为两类：即腔内法(主动式)和外部转化法(腔外法，被动式)。腔内法是指在激光器内直接产生径向偏振光，需要对激光器的结构做相应调整，涉及到增益介质，核心思想是控制振荡器中径向偏振光和其它偏振光的损耗，使得其它偏振态损耗较大，无法实现振荡，从而只有径向偏振光输出。目前腔内法产生径向偏振光大体有为以下几种：利用晶体轴双折射产生径向偏振光、利用晶体二向色性产生径向偏振光、利用晶体布鲁斯特角特性产生径向偏振光和利用干涉法产生径向偏振光。但在腔内放置特殊的器件并不都是可行的，因为对现有的激光器进行改造设计是一项十分复杂的技术，且其空间受限。

外部转化法是指在激光器外，通过一定的位相器件或者利用分解再合成的方法，将空间均匀的偏振光转化为径向偏振光，由于无需要对激光器进行改造，因而具有很大的设计灵活性，但利用效率相对低些。常用的外部转化法有：用相干偏振操纵法产生径向偏振光、用分块波片或旋光晶体产生近似的径向偏振光、利用空间光调制器产生径向偏振光与利用光纤产生径向偏振光等。

相干偏振操纵法尽管可以产生纯度较高的径向偏振光，但其对实验光路的稳定性和精度控制要求较高，操作控制复杂；以往分块波片或旋光晶体产生的柱矢量偏振光种类单一，纯度相对较低，应用效果受限；利用空间光调制器或光纤产生的径向偏振光能量较小，应用有限。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种利用一螺旋波片板产生高功率柱矢量偏振光束，并且一螺旋相位板可用以空间相位补偿，通过简单的旋转两块λ/4波片便可产生多种柱矢量偏振光束，具有结构简单、易操作控制、实用性好，可获得多种高纯度光束等特点。

本发明技术解决方案：基于一螺旋波片板产生多种高功率柱矢量偏振光束的方法，包括以下步骤：

s1:设置入射光束，入射光束为线偏振光，偏振方向可任意；

s2:设置和调节λ/2波片，使光束的光轴过λ/2波片中心且与法线平行，λ/2波片能够更换且主轴沿光轴旋转可调；

s3:设置水平检偏器，可为偏振片或偏振棱镜，使光束光轴过水平检偏器中心且与法线平行，其偏振透射方向为水平方向，对某一波段光束具有高消光比；

s4:设置透镜组，实现光束放大，且放大倍数与波片尺寸大小有关；

s5:设置和调节两块λ/4波片，使光束光轴过λ/4波片中心与法线平行，λ/4波片能够更换且主轴沿光轴旋转可调；

s6:设置螺旋波片板，置于两块λ/4波片之间，整块螺旋波片板具有同一快轴，且快轴方向沿x轴方向，螺旋波片板厚度顺时针随旋转角度渐变，光束光轴过其中心且与基底法线平行；

s7:设置螺旋相位板，具有各向同性，产生螺旋相位延迟，螺旋方向与螺旋波片板相反，即逆时针旋转，光束光轴过其中心且与基底法线平行；

s8:根据需要通过光束放缩器对光束进行放大或缩小；

s9:水平线偏振光通过两块λ/4波片与螺旋波片板后实现空间偏振态的旋转，再通过螺旋相位板后实现空间相位的调制，两者结合实现了空间光束相位和空间偏振态的同步调节，兼顾了空间相位和偏振态，当旋转两块λ/4波片，便可以产生不同种类的柱矢量偏振光，当两块λ/4波片快轴在水平或竖直方向时，还可产生涡旋光束。

其中，所述步骤s1中，设置入射光束采用高功率激光光源，经偏振片或偏振分光棱镜后获得线偏振光束，谱宽小于±3nm，也可直接采用线偏振光源。

其中，所述步骤s2和s3中，λ/2波片能够更换和旋转，且与光源的中心波长λ相一致，以提高适用范围，通过旋转λ/2波片可调节入射光的偏振方向；水平检偏器确保出射光束为水平线偏振光，水平检偏器与λ/2波片组合，通过旋转λ/2波片可实现光束光强的调节。

其中，所述步骤s5和s9中，两块λ/4波片能够更换和旋转，且与光源的中心波长λ相一致，初始设置第一λ/4波片的快轴与x轴(即顺着光路垂直于光轴水平向右方向)成-45°即135°角，第二λ/4波片的快轴与x轴成45°角，根据需要可以通过旋转两块λ/4波片改变快轴方向，进而产生不同的柱矢量偏振光，比如分别旋转两块λ/4波片90°，便可以产生4种不同的柱矢量偏振光，当旋转两块λ/4波片使快轴在水平或竖直方向时，可产生涡旋光束。

其中，所述步骤s6中，螺旋波片板的快轴沿x方向，螺旋波片板厚度h顺时针随旋转角度θ渐变其中基底厚度h0＝mλ，m为整数，x轴正向θ＝0，λ为入射光波长，ne，no为波片晶体的两个主折射率，光束光轴垂直于螺旋波片板基底并过其中心。由于连续螺旋渐变波片制作较难，可用分块渐变扇形波片板代替，假设共有n块扇形波片组成一个圆，则第k块波片厚度

其中，所述步骤s7中，螺旋相位板的相位延迟量与旋转角度θ的关系为即相位逆时针旋转，x轴正向时θ＝0，可通过镀不同厚度的某种各性同性介质实现，如sin、h-k9l、熔石英jgs1等介质，假设该介质折射率为n，空气折射率设为1，则镀层厚度随顺指针角度θ的变化为l0为基底厚度，也可通过倒模切割打磨等工艺直接制作而成，光束光轴垂直于螺旋相位板基底并过其中心。当用分块渐变扇形波片板时，其对应的分块渐变扇形相位板也有n块，第k块的镀层厚度

其中，所述步骤s2、s5、s6和s7中，λ/2波片、两块λ/4波片、螺旋波片板、螺旋相位板，均可承受高功率激光，且可根据入射光波长变更参数。

本发明的原理是将一个螺旋波片板置于两块λ/4波片之间，可实现线偏振光偏振方向的旋转。第一λ/4波片快轴方向与x轴成135°(-45°)，螺旋波片板的快轴与x轴平行，螺旋波片板厚度h顺时针随旋转角度θ渐变第二λ/4波片快轴方向与x轴成45°。第一和第二λ/4波片的琼斯矩阵是j1和j2，螺旋波片板可产生一个空间相位延迟2θ，其琼斯矩阵为j0，分别表述为：其中，i为复数。故该系统的琼斯矩阵可表述为：

琼斯矩阵j12可以顺时针旋转输入光θ的角度，但伴随着一个波前整体相位延迟量θ。因此，系统可以通过一螺旋相位板对其进行空间相位补偿，该螺旋相位板的相位延迟量与旋转角度θ的关系为x轴正向时θ＝0，即逆时针旋转，可通过镀不同厚度的某种各性同性介质实现，设该介质折射率为n，假设空气折射率为1，则镀层厚度随角度的变化为

当同时旋转两块λ/4波片90°后，该系统的琼斯矩阵可表述为：

琼斯矩阵j21可以逆时针旋转输入光θ的角度，但伴随着一个波前整体相位延迟量θ，同样可以通过螺旋相位板对其进行空间相位补偿。

当旋转第二λ/4波片90°，第一λ/4波片保持不变，则该系统的琼斯矩阵可表述为：

琼斯矩阵j11可以使输入光先关于y＝x轴做对称旋转，然后再逆时针旋转θ的角度，但伴随着一个波前整体相位延迟量θ+π/2，可通过螺旋相位板对其进行空间相位补偿。

当旋转第一λ/4波片90°，第二λ/4波片保持不变，则该系统的琼斯矩阵可表述为：

琼斯矩阵j22可以使输入光先关于y＝x轴做对称旋转，然后再顺时针旋转θ的角度，但伴随着一个波前整体相位延迟量θ-π/2，可通过螺旋相位板对其进行空间相位补偿。

当旋转两块λ/4波片其他不同角度后，该系统可产生其他柱矢量偏振光，当旋转两块λ/4波片使快轴在水平或竖直方向，或直接去掉两块λ/4波片，该系统还可产生涡旋光束。

通过更换波片、螺旋波片板和螺旋相位板，可实现对多波段光束的控制，并且从新设计螺旋波片板和螺旋相位板，也可产生高阶柱矢量偏振光，如当螺旋波片板厚度满足且螺旋相位板满足时，可以产生二阶柱矢量偏振光，此外，螺旋波片板厚度变化的起点不同，产生的柱矢量偏振光的偏振方向也不同，如当螺旋波片板厚度满足时，柱矢量偏振光的偏振方向会整体旋转θ0角度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)采用螺旋波片板和螺旋相位板可产生高功率光束，而且性能稳定。

(2)通过简单的旋转两块λ/4波片，便可产生多种柱矢量偏振光，包括涡旋光束，结构简单，易操作控制，功能性强。

(3)通过更换波片、螺旋波片板和螺旋相位板，可实现对多波段光束的控制，并且从新设计螺旋波片板和螺旋相位板，也可产生高阶柱矢量偏振光。

附图说明

图1为本发明基于一螺旋波片板产生多种高功率柱矢量偏振光束的方法利用的光束产生系统光路原理示意图，图中，1为高功率激光器，2为λ/2波片，3为水平检偏器，4为第一透镜，5为第二透镜，6为第一λ/4波片,7为螺旋波片板，8为第二λ/4波片，9为螺旋相位板，10为光束放缩器，11为柱矢量偏振光；

图2为螺旋波片板和螺旋相位板示意图；

图3为偏振方向旋转原理示意图，由两块λ/4波片和螺旋波片板组成；

图4为旋转两块λ/4波片90°后产生的一些柱矢量偏振光束示意图；

图5为本发明实验产生的一些柱矢量偏振光束。

具体实施方式

结合附图给出本发明的具体实施方式，详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，光束产生系统包括高功率激光器1、λ/2波片2、水平检偏器3、透镜组(包括第一透镜4和第二透镜5)、第一λ/4波片6、螺旋波片板7、第二λ/4波片8、螺旋相位板9以及光束放缩器10。图1中虚实线代表光束的左右部分，体现了空间光束的变化。任意偏振方向的线偏振光入射，首先通过λ/2波片2调节线偏振光的偏振方向，再经过水平检偏器3确保获得水平线偏振光束，λ/2波片2与水平检偏器3结合也可调节光束强度。然后经透镜组后实现光束放大，水平线偏振光束依次通过第一λ/4波片6、螺旋波片板7和第二λ/4波片8，实现对空间光束偏振态的控制，再经螺旋相位板9后进行空间相位调制实现空间相位补偿，最后经光束放缩器10后产生适合需求的柱矢量偏振光束11。

如图1、2、3所示，为本发明方法具体实现如下：

步骤101设置入射光束。入射光束为线偏振光，可由线偏振光源获得，或非偏振光源经偏振片或偏振棱镜后获得，偏振方向可以为任意方向，实验中选择水平线偏振光、谱宽小于±3nm为好(如高功率飞秒脉冲激光)；

步骤102设置λ/2波片2。光束垂直通过λ/2波片2中心，λ/2波片2主轴沿光轴旋转可调，可读取主轴方位和旋转角度，当光源波长变化时，波片随之更换；

步骤103设置水平检偏器3。光束垂直通过水平检偏器3中心，其透射方向为水平方向；

步骤104设置透镜组。由两个焦距不同的透镜组成光束放大器，第一透镜4焦距小，第二透镜5焦距大，实现光束放大，放大倍数与波片尺寸大小有关；

步骤105设置两块λ/4波片，使光束光轴过λ/4波片中心与法线平行，λ/4波片主轴沿光轴旋转可调，可读取主轴方位和旋转角度，当光源波长变化时，λ/4波片随之更换；初始设置第一λ/4波片6的快轴与x轴(即顺着光路垂直于光轴水平向右方向)成-45°即135°角，第二λ/4波片8的快轴与x轴成45°角，根据需要可以通过旋转波片改变快轴方向，进而产生不同的柱矢量偏振光，比如分别旋转两块λ/4波片90°，便可以产生4种不同的柱矢量偏振光，当旋转两块λ/4波片使快轴在水平或竖直方向时，或直接去掉两块λ/4波片，可产生涡旋光束；

步骤106设置螺旋波片板7，置于两块λ/4波片之间，整块螺旋波片板7具有同一快轴，且快轴方向沿x轴方向，螺旋波片板7厚度h顺时针随旋转角度θ渐变其中基底厚度h0＝mλ，m为整数，x轴正向θ＝0，λ为入射光波长，ne，no为波片晶体的两个主折射率，光束光轴垂直于螺旋波片板7基底并过其中心；由于连续螺旋渐变波片板制作较难，可用分块渐变扇形波片板代替，假设共有n块扇形波片组成一个圆，则第k块波片厚度

步骤107设置螺旋相位板9，具有各向同性，产生螺旋相位延迟，螺旋方向与螺旋波片板7相反，实现空间相位补偿，螺旋相位板9的相位延迟量与旋转角度θ(顺时针)的关系为即相位逆时针旋转，x轴正向时θ＝0，可通过镀不同厚度的某种各性同性介质实现，如sin、h-k9l、熔石英jgs1等介质，假设该介质折射率为n，空气折射率设为1，则镀层厚度随顺指针角度θ的变化为l0为基底厚度，也可通过倒模切割打磨等工艺直接制作而成，光束光轴过其中心且与基底法线平行；当用分块渐变扇形波片板时，其对应的分块渐变扇形相位板也有n块，第k块的镀层厚度

步骤108更换波片(包括λ/2波片2、第一λ/4波片6和第二λ/4波片8)、螺旋波片板7和螺旋相位板9，可实现对多波段光束的控制，且从新设计螺旋波片板7和螺旋相位板9，还可产生高阶柱矢量偏振光，如当螺旋波片板满足且螺旋相位板9满足时，可以产生二阶柱矢量偏振光；

步骤109根据需要可通过光束放缩器10对光束进行放大或缩小，放缩倍数可调。

图4为旋转两块λ/4波片90°后产生的一些柱矢量偏振光束示意图，其中，图4(a)为输入的水平线偏振光，图4(b)-(e)分别对应琼斯矩阵j12、j21、j11和j22产生的4种柱矢量偏振光束，其中图4(b)和图4(e)为径向偏振光和角向偏振光；图5为本发明实验产生的一些柱矢量偏振光束，图5(a)-(d)为实验产生的4种柱矢量偏振光束，其中图5(a1)-(d1)为各光束经水平线偏振片后的光场分布，图5(a2)-(d2)为各光束经45°线偏振片后的光场分布，图5(a3)-(d3)为各光束经竖直线偏振片后的光场分布，图5(a4)-(d4)为各光束经-45°(135°)偏振片后的光场分布，箭头方向为偏振片透光方向。实验结果与理论分析结果相一致，证明了本发明方法的正确性和有效性。

总之，本发明基于一螺旋波片板产生了高功率柱矢量偏振光，通过简单旋转两块λ/4波片，可产生多种光束，系统结构简单，易操作控制。另外，通过更换波片、螺旋波片板和螺旋相位板，可以实现多波长调制和多类型光束。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改(例如，螺旋波片板和螺旋相位板材料的选择，螺旋波片板厚度的改变，起点位置的改变，起点角度的改变，旋转方向的改变，水平检偏器的选择等)，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。