CN101363964A - 可调式圆环形矢量光束产生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调式圆环形矢量光束产生系统。现有技术对入射光束要求高，无法实现圆环光形矢量光束和光束尺寸调节。本发明中入射光束依次经过扩束整形器、外反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形曲面偏振器、内反射式锥面反射镜、两平行放置的二分之一波片；光源出射光束经过扩束整形器和外反射式圆锥面反射镜后形成径向传播光束，经过圆柱筒形曲面偏振器后，被内反射式锥面反射镜反射形成圆环形旋转矢量偏振光束，通过旋转移动部件调节两二分之一波片光轴夹角改变偏振态，通过轴向移动部件调节外反射式圆锥面反射镜和内反射式锥面反射镜间距改变光束横向尺寸。本发明具有入射光束要求低、圆环形矢量光束输出、光束偏振态和横向尺寸调节便利等优点。

Description

可调式圆环形矢量光束产生系统
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种光束产生系统，特别是一种可调式圆环形矢量光束产生系统。主要用于光学显微技术、激光微加工、光学微操纵、光信息存储、光与物质相互作用等领域。
技术背景
旋转矢量偏振光束是指光束横向偏振态呈现旋转轴对称分布的光束，具有特殊的光束聚焦性质和传播特性，可应用到光信息存储、光学显微、平版印刷术，激光加工、光学微操纵、超分辨、光与物质相互作用等光学系统。例如，旋转矢量偏振光束可应用于光学显微系统中实现超分辨效应，因为一定的旋转矢量偏振光束经过聚焦后焦点比同一聚焦系统中线偏振光束聚焦的焦点的横向光斑小。旋转矢量偏振光束的产生系统是研究和利用旋转矢量偏振光束的必备前提条件，引起了广泛关注。在先技术中，有一种可调式矢量光束整形系统可以实现旋转矢量偏振光束的产生(参见中国发明专利“可调式矢量光束整形系统”，专利号：ZL200410052913.4)，该可调式矢量光束整形系统具有相当的优点，但是，仍然存在一些本质不足，主要为：1)如果利用在先技术产生旋转矢量偏振光束，所需要必备的条件是系统入射光束需要为旋转矢量偏振光束的特殊形式，比如径向偏振光束或方位角偏振光束，然而，径向偏振光束和方位角偏振光束的产生也属于旋转矢量偏振光束产生范畴，所以，在先技术系统本质决定无法实现非旋转矢量偏振光束转化为旋转矢量偏振光束，本质上决定无法实现非相干入射光束向旋转矢量偏振光束的转化过程，对入射光束要求高；2)无法实现出射光束与入射光束相对的光束横向扩束效应，无法调节出射光束外形尺寸，限制了应用范围；3)无法实现圆环光形矢量光束，对聚焦光学系统中聚焦物镜的高数值孔径区域使用效率低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述在先技术的不足，提供一种可调式圆环形矢量光束产生系统，具有可实现非旋转矢量偏振光束向旋转矢量偏振光束的转化、入射光束要求低、圆环形矢量光束输出、光束偏振态可调节、出射光束横向尺寸调节便利等特点。
本发明的基本构思是：将入射光束依次经过同对称光轴放置的扩束整形器、外反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形曲面偏振器、内反射式锥面反射镜、两平行放置的二分之一波片、轴向移动部件和旋转移动部件构成；轴向移动部件与外反射式圆锥面反射镜连接，旋转移动部件与一个二分之一波片连接；入射光束经过扩束整形器后，被外反射式圆锥面反射镜反射形成径向传播光束，经过圆柱筒形曲面偏振器时光束偏振态被调节，而后经过内反射式锥面反射镜反射后，形成圆环形旋转矢量偏振光束；通过旋转移动部件调节两二分之一波片的波片光轴夹角可以调解旋转矢量偏振光束偏振方向，通过轴向移动部件调节外反射式圆锥面反射镜和内反射式锥面反射镜的间距可改变出射光束横向尺寸，具有入射光束要求低、圆环形矢量光束输出、光束偏振态和横向尺寸调节便利等优点。
本发明的技术解决方案为：由入射光束传播方向上同对称光轴依次置有的扩束整形器、外反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形曲面偏振器、内反射式锥面反射镜、入射二分之一波片和出射二分之一波片构成；外反射式圆锥面反射镜的反射锥面与内反射式圆锥面反射镜的反射锥面平行，且外反射式圆锥面反射镜的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜的反射锥面均与对称光轴成45度夹角；入射光束经过扩束整形器后，被外反射式圆锥面反射镜反射，形成的径向传播光束，圆柱筒形曲面偏振器的圆柱曲面与径向传播光束垂直；径向传播光束经过圆柱筒形曲面偏振器后被内反射式圆锥面反射镜反射形成圆环形矢量光束，入射二分之一波片和出射二分之一波片与对称光轴垂直，并且依次位于圆环形矢量光束传播光路上；轴向移动部件与外反射式圆锥面反射镜相连接，旋转移动部件与出射二分之一波片相连接；旋转移动部件带动出射二分之一波片转动，调节入射二分之一波片和出射二分之一波片的波片光轴夹角；轴向移动部件带动外反射式圆锥面反射镜轴向移动，改变外反射式圆锥面反射镜和内反射式锥面反射镜的间距。
所述的扩束整形器为伽利略型扩束镜，或为开普勒型扩束镜。
所述的外反射式圆锥面反射镜为外圆锥曲面镀反射膜的外反射式圆锥面反射镜，或为反射膜构成的圆锥曲面外反射式反射镜。
所述的内反射式圆锥面反射镜为内圆锥曲面镀反射膜的内反射式圆锥面反射镜，或为反射膜构成的圆锥曲面内反射式反射镜。
所述的圆柱筒形曲面偏振器为圆柱筒形偏振膜，或为圆柱曲面壳式偏振元件。
所述的轴向移动部件为直线运动步进电机、直流电机、压电陶瓷移动部件的一种。
所述的旋转移动部件为转动式运动步进电机、转动式直流电机、转动齿轮机构的一种。
所述的轴向移动部件可与外反射式圆锥面反射镜连接，带动外反射式圆锥面反射镜进行轴向移动，也可以与内反射式圆锥面反射镜连接，带动内反射式圆锥面反射镜进行轴向移动。
所述的旋转移动部件可与出射二分之一波片连接，也可与入射二分之一波片连接。
本发明可调式圆环形矢量光束产生系统的工作过程为入射光束沿对称光轴传播经过扩束整形器进行扩束整形后，射向外反射式圆锥面反射镜；被外反射式圆锥面反射镜反射后，由于外反射式圆锥面反射镜反射锥面与对称光轴成45度夹角，光束转化为径向传播光束；径向传播光束经过圆柱筒形曲面偏振器后光束偏振态发生改变，而后经过内反射式锥面反射镜反射形成圆环形旋转矢量偏振光束，由于外反射式圆锥面反射镜的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜的反射锥面平行，旋转矢量偏振光束与对称光轴平行，沿对称光轴传播依次经过入射二分之一波片和出射二分之一波片形成装置出射的圆环光形矢量光束；轴向移动部件与外反射式圆锥面反射镜连接，轴向移动部件带动外反射式圆锥面反射镜轴向移动，改变外反射式圆锥面反射镜和内反射式锥面反射镜的两反射锥面间距，进而改变出射光束横向尺寸；旋转移动部件与出射二分之一波片连接，带动出射二分之一波片转动，调节入射二分之一波片和出射二分之一波片的波片光轴夹角，进而调节矢量偏振光束偏振态。
与现有技术相比，本发明的优点：
1)本质上可以实现非旋转矢量偏振光束向旋转矢量偏振光束的转化，系统对入射光束的偏振态无限制，对于入射光束要求低，系统应用范围广；
2)可以实现圆环光形矢量光束输出，使用便利，系统结构简单、稳定性和可靠性高；
3)可以调节圆环光形矢量光束的偏振态分布和出射光束横向尺寸，调节方法简单便利。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的圆环形矢量光束偏振态分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
可调式圆环形矢量光束产生系统，由入射光束传播方向上同对称光轴O1O2依次放置的扩束整形器1、外反射式圆锥面反射镜7、圆柱筒形曲面偏振器2、内反射式锥面反射镜3、入射二分之一波片4和出射二分之一波片5构成；入射光束经过扩束整形器1扩束整形后，被外反射式圆锥面反射镜7反射后形成的径向传播光束，圆柱筒形曲面偏振器2的圆柱曲面与径向传播光束垂直；外反射式圆锥面反射镜7反射锥面与内反射式圆锥面反射镜3的反射锥面平行，且外反射式圆锥面反射镜7的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜3的反射锥面均与对称光轴O1O2成45度夹角；径向传播光束经过圆柱筒形曲面偏振器2后被内反射式圆锥面反射镜3反射形成圆环形矢量光束；入射二分之一波片4和出射二分之一波片5与对称光轴O1O2垂直，依次位于圆环形矢量光束传播光路上；轴向移动部件8与外反射式圆锥面反射镜7连接，旋转移动部件6与出射二分之一波片5连接；旋转移动部件6带动出射二分之一波片5转动，调节入射二分之一波片4和出射二分之一波片5的波片光轴夹角；轴向移动部件8带动外反射式圆锥面反射镜7轴向移动，改变外反射式圆锥面反射镜7和内反射式锥面反射镜两反射3的锥面间距。
入射光束为氦氖气体激光器出射的圆偏振光束，波长为632.8nm，扩束整形器1为伽利略型扩束镜、外反射式圆锥面反射镜7为圆锥体镀反射膜的外反射式圆锥面反射镜、内反射式圆锥面反射镜3也为圆锥体镀反射膜的内反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形曲面偏振器2为圆柱筒形偏振膜、轴向移动部件8为直线运动步进电机，旋转移动部件6为转动式步进电机，入射二分之一波片4和出射二分之一波片5均为基底BK7玻璃的圆形二分之一波片。
本发明可调式圆环形矢量光束产生系统的工作过程为入射光束沿对称光轴O1O2传播经过扩束整形器1进行扩束整形后，射向外反射式圆锥面反射镜7；被外反射式圆锥面反射镜7反射后，由于外反射式圆锥面反射镜7反射锥面与对称光轴O1O2成45度夹角，光束转化为径向传播光束；径向传播光束经过圆柱筒形曲面偏振器2后光束偏振态发生改变，而后经过内反射式锥面反射镜3反射形成圆环形旋转矢量偏振光束，由于外反射式圆锥面反射镜7的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜3的反射锥面平行，旋转矢量偏振光束与对称光轴O1O2平行，沿对称光轴O1O2传播依次经过入射二分之一波片4和出射二分之一波片5形成装置出射的圆环光形矢量光束；轴向移动部件8与外反射式圆锥面反射镜7连接，轴向移动部件8带动外反射式圆锥面反射镜7轴向移动，改变外反射式圆锥面反射镜7和内反射式锥面反射镜3两反射锥面间距，进而改变出射光束横向尺寸；旋转移动部件与出射二分之一波片5连接，带动出射二分之一波片5转动，调节入射二分之一波片4和出射二分之一波片4的波片光轴夹角，进而调节矢量偏振光束偏振态。图2为本发明的圆环光形矢量光束偏振态分布示意图，箭头表示偏振态方向，本实施例具有入射光束要求低、圆环形矢量光束输出、光束偏振态和横向尺寸调节便利等优点。

Claims (9)

1、可调式圆环形矢量光束产生系统，包括扩束整形器、外反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形曲面偏振器、内反射式锥面反射镜、入射二分之一波片、出射二分之一波片、轴向移动部件、旋转移动部件，其特征在于：扩束整形器、外反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形曲面偏振器、内反射式锥面反射镜、入射二分之一波片和出射二分之一波片同对称光轴地依次设置在入射光束传播方向；
外反射式圆锥面反射镜的反射锥面与内反射式圆锥面反射镜的反射锥面平行，外反射式圆锥面反射镜的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜的反射锥面均与对称光轴成45度夹角；入射光束经过扩束整形器后，被外反射式圆锥面反射镜反射，形成的径向传播光束，圆柱筒形曲面偏振器的圆柱曲面与径向传播光束垂直；
径向传播光束经过圆柱筒形曲面偏振器后被内反射式圆锥面反射镜反射形成圆环形矢量光束，入射二分之一波片和出射二分之一波片与对称光轴垂直，并且依次位于圆环形矢量光束传播光路上；
轴向移动部件与外反射式圆锥面反射镜相连接，旋转移动部件与出射二分之一波片相连接。
2、如权利要求1所述的可调式圆环形矢量光束产生系统，其特征在于：所述的所述的扩束整形器为伽利略型扩束镜，或为开普勒型扩束镜。
3、如权利要求1所述的可调式圆环形矢量光束产生系统，其特征在于：所述的外反射式圆锥面反射镜为外圆锥曲面镀反射膜的外反射式圆锥面反射镜，或为反射膜构成的圆锥曲面外反射式反射镜。
4、如权利要求1所述的可调式圆环形矢量光束产生系统，其特征在于：所述的内反射式圆锥面反射镜为内圆锥曲面镀反射膜的内反射式圆锥面反射镜，或为反射膜构成的圆锥曲面内反射式反射镜。
5、如权利要求1所述的可调式圆环形矢量光束产生系统，其特征在于：所述的圆柱筒形曲面偏振器为圆柱筒形偏振膜，或为圆柱曲面壳式偏振元件。
6、如权利要求1所述的可调式圆环形矢量光束产生系统，其特征在于：所述的轴向移动部件为直线运动步进电机、直流电机、压电陶瓷移动部件的一种。
7、如权利要求1所述的可调式圆环形矢量光束产生系统，其特征在于：所述的旋转移动部件为转动式运动步进电机、转动式直流电机、转动齿轮机构的一种。
8、如权利要求1所述的可调式圆环形矢量光束产生系统，其特征在于：所述的轴向移动部件与外反射式圆锥面反射镜连接，或与内反射式圆锥面反射镜连接。
9、如权利要求1所述的可调式圆环形矢量光束产生系统，其特征在于：所述的旋转移动部件可与出射二分之一波片连接，或与入射二分之一波片连接。
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