[发明专利]利用渥拉斯顿棱镜合束生成矢量光束的系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用渥拉斯顿棱镜合束生成矢量光束的系统，属于光电技术领域。

背景技术

偏振是光的重要性质之一，线偏振光、椭圆偏振光是人们所熟知的光场形式，它们已广泛地应用到很多领域。线偏振光、椭圆偏振光的共同特点是波面内各点的偏振态都是相同的。近年来，人们通过研究发现一些偏振态按特定规律非均匀分布的光束在许多应用领域具有更重要的价值。这种新型的偏振光束在波面内各点的偏振态都不相同，很难用传统的标量方法表征，较好的表征方法是给出偏振态的矢量分布，因此这类光也被称为矢量光束。矢量光束中的径向偏振光束(偏振拓扑数为1)是偏振态按径向分布的轴对称矢量光束，是最典型的、应用最广泛的一种矢量光束。研究发现，径向偏振光束经高数值孔径透镜聚焦后的聚焦光斑可超过衍射极限，且在焦点处具有很强的纵向电场等特殊的性质，使其在微纳光学领域具有广阔的应用前景，另外，高阶矢量光束在信息传输和光学捕获方面也具有重要的应用前景。

矢量光束的生成方法是国内外的研究热点之一。矢量光束的生成方法主要分为两大类，即腔外产生法和腔内产生法。近年来已报道的腔外法主要包括：1)使两束偏振态正交的TEM₀₁和TEM₁₀的线偏振Hermite-Gaussian(HG)光束相干叠加生成一阶矢量光束；2)利用两束螺旋相位相反的左旋和右旋圆偏振Laguerre-Gaussian(LG)光束或Bessel-Gaussian(BG)光束相干叠加生成矢量光束；3)腔外放置一个空间偏振转化器件(例如组合半波片、扭转向列液晶器件和亚波长光栅等)产生矢量光束；腔内产生法主要指在激光腔内插入偏振模式选择器件(例如布儒斯特轴锥镜、光子晶体光栅镜等)产生矢量光束的方法。

上述采用空间偏振转化器件的腔外生成法和腔内生成矢量光束的方法都需用到一些特殊加工的光学元器件，这些器件的加工难度较大，使实际应用增加了难度；而采用利用两束光相干合成生成矢量光束的方法大多需用到类似于马赫-曾德尔干涉仪形式的合束装置，影响了合成光束的稳定性。针对上述问题，我们设计了一种新型的光束合成生成矢量光束的光学系统，该系统由常规光学元件构成，结构简单，稳定性好，易于调节，可在较宽波段内生成多种矢量光束。

发明内容

本发明的目的是提供一种稳定、结构简单、可在宽波段内生成多种矢量光束的系统。

本发明的目的是由下述技术方案实现的：

本发明的装置包括激光器、起偏器、第一扩束器、一叉三叉的复合二元振幅光栅、第二扩束器、光阑、聚焦透镜、二分之一波片、渥拉斯顿棱镜、四分之一波片、检偏器、CCD相机。

所述的激光器输出光束为高斯光束；所述的起偏器起偏方向为0°置于激光器后，用于将入射光转变为偏振方向为0°的线偏振光；所述的第一扩束器置于起偏器后，用于对入射的光束进行扩束；所述的一叉三叉的复合二元振幅光栅置于第一扩束器后，用于在±1级衍射光的位置得到±m阶拉盖尔高斯光束；所述的第二扩束器倒置于一叉三叉的复合二元振幅光栅后，用于增大各衍射级的衍射角；所述的光阑置于第二扩束器后，用于滤出+1级和-1级衍射光；所述的聚焦透镜置于光阑后，用于使两束光会聚，并可移动聚焦透镜的位置来控制两束光会聚后的夹角并使其等于渥拉斯顿棱镜的分离角；所述的二分之一波片的快轴方向为45°，置于聚焦透镜后一束光的光路中，用于使这一束偏振光的偏振方向旋转90°。所述的渥拉斯顿棱镜的分离角可以由φ＝2sin^-1[(n₀-n_e)tanθ]计算得到，式中n₀和n_e为渥拉斯顿棱镜所用双折射晶体的寻常光和非常光的折射率，θ为渥拉斯顿棱镜晶体的切割角，将其中心置于聚焦透镜后两束光的交汇点处，用于使两束偏振方向正交的衍射光合束成为一束光；所述的四分之一波片的快轴方向为45°，其置于渥拉斯顿棱镜后，用于使合束的两束偏振方向正交的线偏振衍射光变换为两束旋向相反的圆偏振光，使其符合相干合成矢量光束的理论从而得到m阶的矢量光束；所述的检偏器置于四分之一波片后，用于检测得到的矢量光束的阶数；所述的CCD相机置于检偏器后，用于观察生成的矢量光束。

本发明提供的生成矢量光束的方法的具体步骤为：