[发明专利]一种径向偏振光产生装置

说明书

技术领域

本发明属于应用光学领域，特别涉及一种应用于光镊技术粒子俘获、超分辨显微、激光加工、光信息存储的径向偏振光产生装置。

背景技术

轴对称偏振光束是一种具有轴对称特性的空间变化的线偏振光束，在局部的偏振态依然为线偏振，但在横截面上不同位置的偏振方位是变化的。基于偏振态分布的不同，提出了多种形式的轴对称偏振光束，如径向偏振光、角向偏振光和螺旋偏振光等。径向偏振光是轴对称偏振典型的偏振态，具有轴对称的偏振结构和中空环状的模式分布，在高数值孔径的透镜聚焦时可以产生超越衍射极限的极小的聚焦光斑且有很强的纵向电场分量，在诸多领域应用中比传统的均匀偏振光束更具有优势。例如操纵粒子、高分辨率成像、切割金属、电子加速、提高光学存储的密度等。因此，人们非常重视对径向偏振光的研究及应用，如何简单、快捷的产生高纯度的径向偏振光也得到了充分的发展和深入研究。

目前径向偏振光的产生可以分为在腔内法和在腔外法。腔内法是通过在激光谐振腔内设置具有偏振选择性的光学元件直接产生轴对称偏振光束，可以产生相对稳定的径向/角向偏振光，但是大多数要求特殊的制造技术和严密精确的设计。腔外法是谐振腔外转换实现，然而转换器件通常非常复杂且昂贵。

值得注意的是近几年在光波导中激发矢量模式的方法。这类方法使用的光纤可以是单模光纤或少模光纤，仅支持几个低阶模传输，包括HE₁₁模和TM₀₁模(径向偏振模式)、TE₀₁模(角向偏振模式)，HE₂₁模(混合偏振模式)。这种技术可以分为两类。一是利用偏振选择元件在激光器内部产生所需的光纤模式的直接震荡，例如双锥形棱镜、光子晶体光栅、全光纤或双折射方解石晶体。二是在光纤内部进行模式转换，通过倾斜入射高斯光束或者直接以厄米-高斯光束或第一阶拉盖尔-高斯光束为光源入射到光纤，这种方法简单稳定、消耗低。目前，在行业界已陆续提出了基于两个偏振方向正交的LP₁₁模式相干叠加的原理获得矢量光束，如文献1： Pengfei Ma，Zejin Liu“Generation of azimuthally and radially polarized beams by coherent polarization beam combination”.J.Opt.Lett.37,2658-2660(2012)；文献 2：Xiaoming Chen，Jintao Bai“Generation of various vector beams based on vector superposition of two orthogonal linearly polarized TEM01beams”.J.Opt. Communications.316,140-145(2014)。文献1是通过光耦合器将光源光束分成两路，分别通过单模光纤与少模光纤错芯对接激励起LP₁₁模式的光束，通过空间光路方式叠加。文献2是完全利用空间光路叠加产生。

发明内容

本发明的目的针对现有的径向偏振光产生方法的不足之处及产生装置类型的稀少，将光纤模式理论与耦合理论相结合，提出了一种操作简便、结构简单的径向偏振光产生装置。

本发明的目的是这样实现的：

径向偏振光的产生装置，包括第一光纤、第二光纤、单模激光光源、起偏器、第一光功率耦合器、第三光纤、第四光纤、第一光纤偏振态调制器和第二光纤偏振态调制器、第二光功率耦合器、第五光纤、成像装置，第一光纤与第二光纤错位焊接，使得单模激光束在第二光纤的纤芯中激励起LP₁₁模式的光束，LP₁₁模式的光在第二光纤传输，传输光经过第一光功率耦合器平均分配至第三光纤、第四光纤，第一光纤偏振态调制器和第二光纤偏振态调制器使得第三光纤、第四光纤传输的LP₁₁模式偏振态互相垂直，第三光纤、第四光纤中传输的光经过第二光功率耦合器耦合至第五光纤输出径向偏振光，由成像装置探测。

所述的第一光纤为单模光纤，第二光纤为少模光纤或双模光纤，只允许基模和LP₁₁模传输，第三光纤、第四光纤和第五光纤是少模保偏光纤。

所述的传输光经过第一光功率耦合器分配至第三光纤、第四光纤的光强比是 1:1，平均分配。

所述的第一光功率耦合器和第二光功率耦合器是两个等臂的2×2定向耦合器。