[发明专利]一种产生矢量涡旋光束的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种产生矢量涡旋光束的方法和装置，属于矢量涡旋光束技术领域。

背景技术

矢量涡旋光束是指在光束横截面内同时具有非均匀偏振态和螺旋位相结构的新型光束。矢量涡旋光束相比与其他光束，具有很多特殊的性质，在超分辨成像、激光精密加工、微粒操纵、数据存储和遥感等领域都具有潜在的应用价值，对矢量涡旋光束的产生方法研究更是备受关注。同时也提出了许多新的产生方法，如腔内Sagnac干涉法、锥形布儒斯特棱镜法、螺旋相位板法、分区延迟法、干涉法和亚波长光栅法等。

国内中国科学院上海光学精密机械研究所李建郎首次发表了基于空心光束泵浦的微片激光器中直接输出矢量涡旋光束的研究[IEEEJ.Sel.TopQuantumElectron，21，1600406，2015；Appl.Phys.B，117，219，2014；China.Opt.Lett，13，031405，2015]。尽管出现了很多产生方法，但是大多数都只是针对某一种特定的矢量涡旋光束而设计的，在实际使用过程中往往会受限制。因此，近几年开始将重点集中于任意矢量涡旋光束产生方法的研究，国内南京大学和山东师范大学结合液晶空间光调制器构成共光路干涉仪装置，实现了任意矢量涡旋光束的产生[Opt.Lett，32(24):3549-51,2008]。但是这种共光路干涉仪装置结构复杂，对光路中光学元件的位置精度要求非常高，所需的衍射光学元件不易获得，成本高。

近几年来，针对矢量涡旋光束产生方法提出了很多新方法，专利CN105182547A提出一种基于双折射偏振分束器产生矢量拉盖尔-高斯光束的方法及装置，采用4f空间滤波成像光路，并结合计算全息图实现矢量光束的输出。该方法最显著的特点是：在计算全息图和双折射分束器之间不需要任何其他元件，但是这种方法最大的缺点是产生的矢量拉盖尔-高斯光束的偏振态没法调控。专利US7599069B2与专利CN102289080A相类似，均是采用相干叠加的方法获得矢量光束，不同的是US7599069B2中采用的是衍射光学元件对光束进行位相编码，虽然可以提高产生的矢量光束的相对质量，但该方法装置同样也对光路要求很高，衍射元件需要进行特定设计，制作过程复杂，成本较高。

综上所述，如何采用较为简单的方法和装置产生矢量涡旋光束，同时还能保证光束质量，这仍然是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明为了解决如何采用较为简单的方法和装置产生高质量的矢量涡旋光束的问题，提出一种可以产生矢量涡旋光束的方法和装置。

本发明采用的技术方案是：

一种产生矢量涡旋光束的装置，其特征是，该装置中激光器、扩束镜、针孔、准直镜、孔径光阑、起偏器、消偏振分束器和反射式纯位相液晶空间光调制器依次同轴设置，PC控制端与反射式纯位相液晶空间光调制器相连；1/4波片、径向偏振器、偏振旋转器、会聚镜和CCD相机与消偏振分束器的入射光轴垂直的方向同轴设置；

激光器出射的激光光束经扩束镜和准直镜后准直扩束，在扩束镜和准直镜的之间焦点位置设置针孔，对激光光束滤波；

准直扩束后经过孔径光阑选择入射光束直径，光束再正入射到起偏器，产生的线偏振光入射到消偏振分束器，经过消偏振分束器透射的线偏振光到达反射式纯位相液晶空间光调制器的作用窗口，通过PC控制端加载灰度图对线偏振光进行位相调制，获得相应的涡旋光束；

反射式纯位相液晶空间光调制器出射涡旋光，涡旋光经过消偏振分束器后光路反射，反射光经过1/4波片后变为圆偏振光入射到径向偏振器，产生径向偏振涡旋光束；

径向偏振涡旋光束再经过偏振旋转器获得所需要的矢量涡旋光束；

矢量涡旋光束经过会聚镜，对矢量涡旋光束进行聚焦到达CCD相机上，形成中空圆环状的光强分布。

所述的消偏振分束器是一种将入射光束分为两支相互垂直传播的出射光束，且不改变入射光束的偏振态，消偏振分束器的分光比为1:1。

所述的反射式纯位相液晶空间光调制器的有效液晶尺寸大于等于入射平行光束的直径，且所述的起偏器的出射偏振态与反射式纯位相液晶空间光调制器所要求的入射光束偏振态相一致。

所述的径向偏振器是将偏振空间均匀分布的入射光束转换为偏振空间非均匀分布的矢量光束，且采用准直圆偏振光作为入射光束。

所述的偏振旋转器是由第一1/2波片和第二1/2波片组成；通过改变两个1/2波片的快轴之间的夹角实现对光束偏振方向进行对应的旋转，可实现径向偏振矢量光束与角向偏振涡旋光束或广义矢量涡旋光束之间的连续转换。