[发明专利]利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学技术领域，特别涉及一种利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备。

背景技术

径向偏振光(Radial polarized beams)和方位角偏振光(azimuthal polarizedbeams)称为柱矢量振光光束(Cylindrical polarized beams)，它们拥有高度的对称性。径向偏振光束是指光束的偏振态呈中心对称分布的光束，各点的偏振方向始终沿光束横截面的半径方向。方位角偏振光束是指光束的偏振态呈旋转轴对称分布的光束，各点的偏振方向始终沿光束横截面上圆的切线方向。柱矢量光束应用到计量、聚焦、光谱、微椭圆、光刻技术、电子加速、材料加工等方面。例如，径向偏振光束对激光切割金属有用，这时要求加工表面有最大的辐射吸收。方位角偏振光束在通过圆形中空金属波导时损失最小。柱矢量偏振光束的产生是利用和研究柱矢量光束的必备前提条件，具有重要的意义，也引起了深入的研究和广泛的关注。在现有的技术中，有一种方法是利用TEM₀₀模通过一块相位板，该相位板的上半部分为π相位板，下半部分为0相位板，通过相位板的两束光线相差180°干涉后近似得到TEM₀₁模。由于此方法得到的TEM₀₁模是近似的，这样据此得到的柱矢量偏振光束的偏振度是不高的。还有一种方法是在激光谐振腔中加上一个圆环，圆环上放置一根金属丝，目的是去除基模和其它高阶模，仅使激光器输出TEM₁₀模。但是该方法中对圆环的大小和金属丝的尺寸设置是不容易实现的，且操作麻烦。还有许多方法，例如，一种双干涉结构将线偏振光转变为径向偏振光、激光器谐振腔内部两个正交TEM₀₁模的组合和带有偏移线偏振高斯光束单模光纤的激发等等。这些方法有一定的优点，但实施起来比较困难。

发明内容

本发明是针对现在实现柱矢量光束的方法偏振度是不高，实现困难的问题，提出了一种利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备，利用光学微分的方式将TEM₀₀模转化为TEM₁₀模或TEM₀₁模，利用马赫-曾德干涉仪按照一定的方式合成TEM₁₀模和TEM₀₁模，从而得到柱矢量偏振光束，方法简单，易于操纵且有较高的偏振度。

本发明的技术方案为：一种利用光学微分实现柱矢量光束的方法，从激光器中产生的TEM₀₀模通过一个扩束镜扩束后经过第一个透镜准直，经过第二个透镜实现傅里叶变换，通过频谱面上的一个微分滤波器，经过第三个透镜实现傅里叶逆变换即得到TEM₀₀模的微分结果TEM₁₀模；TEM₁₀模通过转像反射棱镜后得到TEM₀₁模，最后TEM₁₀模和TEM₀₁模两个模通过干涉仪干涉叠加得到柱矢量光束。

一种利用光学微分实现柱矢量光束的设备，包括第一个激光器1、第一个透镜2、第二个透镜3、第三个透镜4、微分滤波器5、第四个透镜6、起偏器7、第一个分束镜8、第一个1/2波片9、转像反射棱镜10、变相板11、第二个1/2波片12、第一个平面镜13、π相位板14和偏振分合镜15，第一个激光器1产生的TEM₀₀模通过由第一个透镜2和第二个透镜3组成的扩束整形镜后经过第二个透镜3准直，准直后的光束经过第三个透镜4实现傅里叶变换，后通过频谱面上的一个微分滤波器5，再经过第四个透镜6得到TEM₀₀模的微分结果TEM₁₀模；TEM₁₀模后接马赫-曾德干涉仪，即通过起偏器7和第一个分束镜8分成两束光，一束光通过第一个1/2波片9和转像反射棱镜10后得到TEM₀₁模进入偏振分合镜15，另一束光通过变相板11、第二个1/2波片12、第一个平面镜13和π相位板14进入偏振分合镜15，与进入偏振分合镜15的TEM₀₁模干涉叠加得到柱矢量光束。