[发明专利]一种产生柱矢量光束的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学技术，特别涉及一种产生柱矢量光束的装置及方法。

背景技术

径向偏振光(Radial polarized beams)和方位角偏振光(azimuthalpolarized beams)称为柱矢量光束(Cylindrical polarized beams)，它们拥有高度的对称性。由于柱矢量光束的一些特性可应用到粒子加速技术、光学镊子、材料加工、微粒的囚禁和操控、大数值孔径透镜以及一些特别的测量方法等领域。例如，柱矢量光束可应用于光学显微系统中实现超分辨效应，因为一定的柱矢量光束经过聚焦后焦点比同一聚焦系统中线偏振光束聚焦的焦点的横向光斑小。柱矢量光束的产生系统是研究和利用旋转矢量偏振光束的必备前提条件，引起了广泛关注。产生柱矢量光束有很多种方法，比如，调整一束线偏振光让其射向扭曲排列的向列相畸变的晶体，用两束偏振方向相互正交的线偏振光通过干涉仪合成，调制光束不同位置的相位后干涉合成，还有就是同时利用干涉仪和衍射的方法对激光基横模进行转换等等。每种方法各有优势，但是，仍然存在一些本质不足，主要是入射光要求高和无法产生高偏振度的柱矢量光束。

对于激光模式的选择，通常的激光器输出的是基横模光束(记为TEM₀₀模)。但是，要合成柱矢量光束，必须用TEM₁₀(或TEM₀₁)模光束。这样，就要改变激光器的输出模式。由激光原理可知，通常的横模选择即是要在参与振荡的大量横模中选出基横模，根据高阶横模所占据的空间大于基横模，因此在谐振腔内加入一定尺寸限制的光阑和合理设计谐振腔的腔型及参数将会增大高阶横模的衍射损耗从而抑制其振荡。选择的方法可分两种，其一是通过设计谐振腔的几何结构和腔参数实现基横模运转，其二是在腔内加入选模元件。然而，要保留TEM₁₀(或TEM₀₁)模光束而抑制其它阶的模要更加复杂，而且改变激光的谐振腔也是比较麻烦的，比如，可以设计一个带有一条线通过圆心的圆环，理论上可以较好地实现输出TEM₁₀(或TEM₀₁)模光束，然而对于中间过滤线的精度要求很高，因此现实中很难实现。随着信息社会和知识经济的迅速发展，激光的各阶模式在各种实验和设计制造中运用得越来越广泛，在国防建设和现代科学技术中显得更加重要。因此，能简单、快捷地获得所须的激光模式是十分关键的。

发明内容

本发明是针对的问题，提出了一种产生柱矢量光束的装置及方法，利用空间光调制器产生柱矢量光束，方法新颖，并且具有易于操纵的优点。

本发明的技术方案为：一种产生柱矢量光束的装置，依次包括激光器、扩束镜、光阑、起偏器、空间光调制器或复数滤波器、检偏器、傅里叶变换透镜、小孔光阑、傅里叶变换透镜、相位延迟器、以及干涉系统，激光器输出光束经过扩束镜和光阑整形和扩束后再经过起偏器变成线偏振光，光束进入空间光调制器或复数滤波器，光束经过检偏器，形成阵列，经过由一对傅里叶变换透镜和小孔光阑组成4f系统，光束加入相位延迟器进行相位调制，得到光束经干涉系统合成柱矢量光束。

所述干涉系统至少包括：半透半反镜、平面反射镜、转像系统、相位板、二分之一波片、偏振合光镜。所述半透半反镜为平板或棱镜。所述偏振合光镜为棱镜或平板。

所述激光器为单模基横模激光器。

所述扩束镜为开普勒扩束镜或伽利略扩束镜。

所述空间光调制器为透射式空间光调制器，位于第一个傅里叶变换透镜的前焦面上。

所述傅里叶变换透镜至少为两个，且两透镜同光轴放置，第二个透镜的前焦面与第一个透镜的后焦面重合。

一种产生柱矢量光束的方法，包括产生柱矢量光束的装置，其特征在于，包括如下具体步骤：

1)TEM₀₀模光束为输入光束：假设输入函数为高斯函数：g(x，y)＝exp[-(x²+y²)/w²]则TEM₀₀模的光束表达式为：

2)利用空间光调制器及光学元件对其抽样：对输入场g(x，y)进行抽样，则抽样函数为：其中为空间光调制器的振幅调制作用或复数滤波器的作用；则抽样函数的频谱为