[发明专利]一种飞秒庞加莱球矢量光束的偏振态调控系统

说明书

本发明公开了一种飞秒庞加莱球矢量光束的偏振态调控系统，包括：激发光源单元、脉冲分束单元、水平方向偏振以及光强大小调控单元、垂直方向偏振以及光强大小调控单元、正交偏振合束单元和液晶q波片；将飞秒激光束进行分束，一路进入水平方向偏振以及光强大小调控单元，产生水平方向光强大小可调节的线偏振的飞秒激光束；另一路进入竖直方向偏振以及光强大小调控单元，产生竖直方向光强大小可调节的线偏振的飞秒激光束；通过正交偏振合束单元调制为两束正交偏振的飞秒激光束后；再通过液晶q波片生成庞加莱矢量光束。本发明只需调节水平和垂直偏振脉冲间的时间延迟及水平和垂直方向偏振光光强大小就能完成庞加莱球上任意偏振态的调控。

技术领域

本发明涉及光束调控技术领域，尤其涉及一种飞秒庞加莱球矢量光束的 偏振态调控系统。

背景技术

自上世纪六十年代激光器产生以来，激光脉冲宽度和能量一直在不断的 发展和刷新数据，飞秒激光技术正在不断发展成熟，这使得激光直接应用于 物理、化学、生物等领域的基础研究以及工业应用日益成熟。飞秒激光的应 用主要是超短时空分辨率，超宽光谱带宽，超高峰值功率。其中一个重要应 用领域是激光超精细加工。科学研究所知，激光作用到固体材料表面，其电 子-声子耦合响应时间为皮秒量级，因此对于大于或接近这个时间长度的脉冲 激光，材料加工将受到热传导的影响，这将使得加工区域的材料的物理与化学性质因为热效应而发生变化并明显降低材料加工质量。而飞秒激光持续时 间小于电子-声子耦合时间，即激光作用材料过程早于热扩散出现时间，这明 显地抑制了热效应，从而可以对各种材料包括金属、半导体及透明电介质等 材料达到“冷加工”效果。另外，由于飞秒激光与物质相互作用的多光子吸 收过程，可以使加工精度小于激光聚焦尺寸，达到突破衍射极限加工效果。 我们相信，随着飞秒激光技术的日渐成熟，以及对飞秒激光相关理论研究的 逐步深入，飞秒激光必将更加广泛和深入的应用到人类社会的各个领域。

光波存在两个重要的调控参量：振幅和相位，除此之外,偏振也是光的一 个重要性质。偏振是光作为电磁波除了光强、位相、光谱等特性之外的一种 基本属性,表征了光波振动的矢量性。为了更好的描述光的偏振态，在1892 年Poincare提出了用庞加莱球来描述所有可能的偏振态的几何描述方法，庞 加莱球的笛卡尔坐标是三个Stokes参量，在庞加莱球的表面上映射了用琼斯 矢量表示的所有偏振态，将这种物理概念和几何图形相互连接，极大的简化 了很多复杂的偏振态问题，成为了研究矢量光束的偏振问题的主要方法。尽管庞加莱球法非常巧妙，但是直到2011年以前，庞加莱球上表示的偏振态仅 限于Maxwell矢量波方程的最简单和最基本的同质平面波解。在2011年 GiovanniMilione提出了高阶庞加莱球的概念，在高阶庞加莱球上面可以表 示非均匀的偏振态，比如激光腔谐振器。还有一种叫做矢量涡旋光，也成为 螺旋偏振光，其偏振态也可以用高阶庞加莱球表示。高阶庞加莱球的提出， 极大的拓展了传统平面波的偏振特性。线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光这 种偏振在空间均匀分布的光束是过去传统研究的热点，偏振态在空间呈非均 匀分布的矢量光束因为其特殊的性质和潜在的应用价值无论是在理论上还是 在实际应用中都引起了科技工作者极大的研究兴趣。随着近年来对矢量光束 研究的不断深入，光的这种矢量偏振性质以及矢量偏振光场与物质的相互作 用已经成为光学检测和计量、显示技术、数据存储、光通信、材料科学、天 文学、量子纠缠、光镊、显微技术、激光加工以及生物光子学等许多研究领 域的重要研究内容。

现有技术中，飞秒庞加莱矢量光束的偏振态调控系统需要大量波片进行 偏振态调控，调控步骤复杂，调控自由度低。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种飞秒庞加莱球矢 量光束的偏振态调控系统，旨在解决现有技术中飞秒庞加莱矢量光束的偏振 态调控步骤复杂、调控自由度低的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明第一实施例提供了一种飞秒庞加莱球矢量光束的偏振态调控系统， 系统包括：