[发明专利]产生矢量光束并实现焦场定制的方法及系统

说明书

本发明提供一种产生矢量光束并实现焦场定制的方法及系统，利用光纤激光阵列产生系统产生光纤激光阵列，采集一小部分光纤激光阵列，用于活塞相位控制；对其余光纤激光阵列中的各子光束进行偏振调控，使其成为具有设定偏振分布的矢量光束；矢量光束经高数值孔径透镜紧聚焦后发射，得到焦平面附近的矢量光束紧聚焦场分布；改变矢量光束中各子光束的初始偏振方位角和方位角，就能改变焦平面附近的矢量光束紧聚焦场分布，实现矢量光束的焦场定制。本发明有望得到高功率的紧聚焦矢量光场，通过对各子光束进行偏振控制，实现矢量光束焦场的灵活调控。

技术领域

本发明涉及光纤激光相干合成技术领域，特别是涉及一种产生矢量光束并实现焦场定制的方法及系统。

背景技术

偏振态是光的重要矢量特性之一。与空间均匀偏振光束(如：线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光)不同的是，矢量光束有着空间不均匀分布。在众多矢量光束中，一种具有偏振态轴对称分布和中空强度分布的光束称之为柱矢量光束。

近年来，柱矢量光束凭借其特有的紧聚焦特性引起了国内外研究人员的广泛关注。例如，与线偏振光相比，径向偏振矢量光束会产生极强的轴向光场而得到比线偏振光更小的聚焦光斑。切向偏振矢量光束在焦平面会形成环形的焦场分布。基于以上优良特性，柱矢量光束在高分辨率成像、微纳加工和粒子捕获等应用中将有着巨大的应用潜力。

在现有技术上，产生柱矢量光束的方法包括有源型和无源型。其中，有源生成方法输出模式的复杂性受到了激光谐振器的限制；而无源生成方法需要较大的光学元件和复杂的光路，输出功率受到了非线性效应、模式不稳定和光学元件承受功率的影响，并且其转换效率较低。

光纤激光相干合成系统在获得高功率输出的同时能够保持良好的光束质量，在工业生产、材料加工、生物医疗和科学研究等领域中有广泛的应用价值。基于相干合成技术，对阵列激光系统的振幅、相位和偏振态进行控制能够得到特殊空间分布的结构光场，如涡旋光束、贝塞尔高斯光束和艾里光束。基于上述分析，使用光纤激光相干合成系统产生高输出功率柱矢量光束将具有较大的优势。然而，目前还未见使用光纤激光相干合成系统产生高输出功率柱矢量光束的相关报道。

发明内容

针对现有的产生矢量光束方法中存在的缺陷，本发明提出一种产生矢量光束并实现焦场定制的方法及系统，使柱矢量光束在保持高功率输出的同时能实现焦场的灵活定制。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：

产生矢量光束并实现焦场定制的方法，包括：

利用光纤激光阵列产生系统产生光纤激光阵列；

采集一小部分光纤激光阵列，用于活塞相位控制；对其余光纤激光阵列中的各子光束进行偏振调控，使其成为具有设定偏振分布的矢量光束；

矢量光束经高数值孔径透镜紧聚焦后发射，得到焦平面附近的矢量光束紧聚焦场分布；

改变矢量光束中各子光束的初始偏振方位角或/和各子光束的方位角，就能改变焦平面附近的矢量光束紧聚焦场分布，实现矢量光束的焦场定制。

进一步地，上述方法中，还包括采集一小部分矢量光束进行观测，检验矢量光束中的各子光束的偏振方向是否达到了设定偏振分布要求。

进一步地，上述方法中，矢量光束呈径向分布，具有N圈径向排布的环形子阵列，环形子阵列的圈数越多，相干合成的矢量光束越接近理想的矢量光束。

进一步地，上述方法中，矢量光束中各子光束的束腰半径为w₀，波长为λ，光束子口径为R，第i圈环形子阵列的子光束个数为M_i，第i圈环形子阵列的子光束中心与矢量光束中心距离为r_i，第i圈环形子阵列中的相邻子光束间的中心距离为d_i，矢量光束中每一个子光束的初始偏振方位角为矢量光束中各子光束的方位角为第i圈环形子阵列其第n个子光束的方位角。