CN101551530A - 利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备，从激光器中产生的TEM₀₀模通过一个扩束镜扩束后经过第一个透镜准直，经过第二个透镜实现傅里叶变换，通过频谱面上的一个微分滤波器，经过第三个透镜实现傅里叶逆变换即得到TEM₀₀模的微分结果TEM₁₀模；TEM₁₀模通过转像反射棱镜后得到TEM₀₁模，最后TEM₁₀模和TEM₀₁模两个模通过马赫－曾德干涉仪干涉叠加得到柱矢量光束。此方法具有柱矢量光束输出和光束偏振态调节便利的特点且产生方法步骤简单、实现方便、容易操作和适合广泛应用。

Description

利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备

技术领域

本发明涉及一种光学技术领域，特别涉及一种利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备。

背景技术

径向偏振光(Radial polarized beams)和方位角偏振光(azimuthal polarizedbeams)称为柱矢量振光光束(Cylindrical polarized beams)，它们拥有高度的对称性。径向偏振光束是指光束的偏振态呈中心对称分布的光束，各点的偏振方向始终沿光束横截面的半径方向。方位角偏振光束是指光束的偏振态呈旋转轴对称分布的光束，各点的偏振方向始终沿光束横截面上圆的切线方向。柱矢量光束应用到计量、聚焦、光谱、微椭圆、光刻技术、电子加速、材料加工等方面。例如，径向偏振光束对激光切割金属有用，这时要求加工表面有最大的辐射吸收。方位角偏振光束在通过圆形中空金属波导时损失最小。柱矢量偏振光束的产生是利用和研究柱矢量光束的必备前提条件，具有重要的意义，也引起了深入的研究和广泛的关注。在现有的技术中，有一种方法是利用TEM₀₀模通过一块相位板，该相位板的上半部分为π相位板，下半部分为0相位板，通过相位板的两束光线相差180°干涉后近似得到TEM₀₁模。由于此方法得到的TEM₀₁模是近似的，这样据此得到的柱矢量偏振光束的偏振度是不高的。还有一种方法是在激光谐振腔中加上一个圆环，圆环上放置一根金属丝，目的是去除基模和其它高阶模，仅使激光器输出TEM₁₀模。但是该方法中对圆环的大小和金属丝的尺寸设置是不容易实现的，且操作麻烦。还有许多方法，例如，一种双干涉结构将线偏振光转变为径向偏振光、激光器谐振腔内部两个正交TEM₀₁模的组合和带有偏移线偏振高斯光束单模光纤的激发等等。这些方法有一定的优点，但实施起来比较困难。

发明内容

本发明是针对现在实现柱矢量光束的方法偏振度是不高，实现困难的问题，提出了一种利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备，利用光学微分的方式将TEM₀₀模转化为TEM₁₀模或TEM₀₁模，利用马赫-曾德干涉仪按照一定的方式合成TEM₁₀模和TEM₀₁模，从而得到柱矢量偏振光束，方法简单，易于操纵且有较高的偏振度。

本发明的技术方案为：一种利用光学微分实现柱矢量光束的方法，从激光器中产生的TEM₀₀模通过一个扩束镜扩束后经过第一个透镜准直，经过第二个透镜实现傅里叶变换，通过频谱面上的一个微分滤波器，经过第三个透镜实现傅里叶逆变换即得到TEM₀₀模的微分结果TEM₁₀模；TEM₁₀模通过转像反射棱镜后得到TEM₀₁模，最后TEM₁₀模和TEM₀₁模两个模通过干涉仪干涉叠加得到柱矢量光束。

一种利用光学微分实现柱矢量光束的设备，包括激光器1、透镜2、3、4、微分滤波器5、透镜6、起偏器7、分束镜8、1/2玻片9、转像反射棱镜10、变相板11、1/2玻片12、平面镜13、π相位板14和偏振分合镜15，激光器1产生的TEM₀₀模通过由透镜2和透镜3组成的扩束整形镜后经过透镜3准直，准直后的光束经过透镜4实现傅里叶变换，后通过频谱面上的一个微分滤波器5，再经过透镜6得到TEM₀₀模的微分结果TEM₁₀模；TEM₁₀模后接马赫-曾德干涉仪，即通过起偏器7和分束镜8分成两束光，一束光通过1/2玻片9和转像反射棱镜10后得到TEM₀₁模进入偏振分合镜15，另一束光通过变相板11、1/2玻片12、平面镜13和π相位板14进入偏振分合镜15，与进入偏振分合镜15的TEM₀₁模干涉叠加得到柱矢量光束。

所述微分滤波器5由激光器16、分束镜17、平面镜18、平面镜19、扩束镜20、扩束镜21、干板22和平台23构成，激光器16发出光束经分束镜17分成两束光，两束光分别通过平面镜18和平面镜19反射后到达扩束镜20和扩束镜21，被分别扩束成成一定夹角的两束相干光，相干光投射到玻璃全息干板22上，干板22架置于一个能在水平面内转动的平台23上。所述平面镜18和平面镜19；扩束镜20和扩束镜21都是轴对称的。所述激光器16为氦氖激光器；平面镜18和平面镜19为普通的平面镜；扩束镜20和扩束镜21为伽利略型扩束镜。

本发明的有益效果在于：本发明利用光学微分实现柱矢量光束的方法，具有柱矢量光束输出和光束偏振态调节便利的特点且产生方法步骤简单、实现方便、容易操作和适合广泛应用。

附图说明

图1为本发明利用光学微分实现柱矢量光束的设备的结构示意图；

图2为本发明利用光学微分实现柱矢量光束的设备中微分滤波器的制作光路示意图；

图3为本发明利用光学微分实现柱矢量光束的设备中柱矢量光束偏振态的分布示意图。

具体实施方式

通过对方形球面镜共焦腔的行波场表达式分析可知TEM₁₀模可以通过TEM₀₀模对x求导得到(同理，TEM₀₁模可以通过TEM₀₀模对y求导得到)，于是利用光学微分的方式可以得到TEM₁₀模(或TEM₀₁模)，

$w\left(z\right)=\frac{w_{\mathrm{os}}}{\sqrt{2}}\sqrt{1+{\left(\frac{z}{f}\right)}^2}=w_0\sqrt{1+{\left(\frac{z}{f}\right)}^2}$

$w_0=\sqrt{\frac{\mathrm{L\λ}}{2\mathrm{\π}}}=\sqrt{\frac{\mathrm{f\λ}}{\mathrm{\π}}}$

$H_m\left(x\right)={(-1)}^m{e}^{X^2}\frac{d^m}{{\mathrm{dX}}^m}{e}^{-X^2}=\underset{k=0}{\overset{\left(\frac{m}{2}\right)}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^{k}m!}{k!(m-2k)!}{\left(2X\right)}^{m-2k}m=\mathrm{0,1,2}\·\·\·$

其中，E_mn(x，y，z)表示TEM_mn模在腔内任一点(x，y，z)处的电场强度；A_mn为与模阶次有关的归一化常数；E₀为与坐标无关的常量； $w_0=\frac{w_{0s}}{\sqrt{2}}=\sqrt{\frac{\mathrm{L\λ}}{2\mathrm{\π}}};$ L为共焦腔腔长； $f=\frac{R}{2}=\frac{L}{2}$ 为腔镜的焦距。H_m(X)与H_n(X)分别为m，n阶厄米多项式。

由上式可以得到

并且有

因此，E₁₀(x，y，z)与

只是系数上的差异故可以通过微分转换得到；光学微分的实现过程是三透镜4f系统，从激光器中产生的TEM₀₀模通过一个扩束镜扩束后经过第一个透镜准直，经过第二个透镜实现傅里叶变换，通过频谱面上的一个微分滤波器，经过第三个透镜实现傅里叶逆变换即得到TEM₀₀模的微分结果TEM₁₀模；TEM₁₀模通过转像反射棱镜后得到TEM₀₁模，后两个模通过干涉仪干涉叠加得到柱矢量光束；具有柱矢量光束输出，光束偏振态可调节。

如图1利用光学微分实现柱矢量光束设备的结构示意图，包括激光器1、透镜2、透镜3、透镜4、微分滤波器5、透镜6、起偏器7、分束镜8、1/2玻片9、转像反射棱镜10、变相板11、1/2玻片12、平面镜13、π相位板14和偏振分合镜15。

激光器1为可以产生TEM₀₀模的激光器、透镜2、透镜3、透镜4和透镜6为普通的透镜、微分滤波器5为制作的复合光栅、起偏器7的作用是获得沿x方向偏振的TEM₁₀模、分束镜8的作用是得到两束相同光强的光束、1/2玻片9和1/2玻片12为了调整偏振光的方向、像反射棱镜10为了实现TEM₁₀模转化为TEM₀₁模、变相板11为可以改变相位的玻璃片、平面镜13为普通的平面镜、π相位板14实现光线的相位改变180°，偏振分合镜15实现一束光全透过一束光全反射，透过的光和反射的光干涉叠加。

利用光学微分的方式实现柱矢量光束的工作过程为：激光器1产生TEM₀₀模，TEM₀₀模通过由透镜2和透镜3组成的扩束整形镜后经过透镜3准直，准直后的光束经过透镜4实现傅里叶变换，后通过频谱面上的一个微分滤波器5，再经过透镜6得到TEM₀₀模的微分结果TEM₁₀模；TEM₁₀模通过起偏器7和分束镜8分成两束光，一束光通过1/2玻片9和转像反射棱镜10后得到TEM₀₁模进入偏振分合镜15，另一束光通过变相板11、1/2玻片12、平面镜13和π相位板14进入偏振分合镜15，与进入偏振分合镜15的TEM₀₁模干涉叠加得到柱矢量光束；变相板确保两束光所走过的光程是一样的，通过调节1/2玻片9、1/2玻片12和π相位板14来调节偏振光束的偏振态。

图2为微分滤波器的制作光路示意图，由激光器16、分束镜17、平面镜18、平面镜19、扩束镜20、扩束镜21、干板22和平台23构成。激光器16发出光束经分束镜17分成两束光，两束光分别通过平面镜18和平面镜19反射后到达扩束镜20和扩束镜21，被扩束成两束相干光，经过扩束镜后得到的两束成一定夹角的相干光投射到一块玻璃全息干板22上，当扩束镜与干板的距离足够远时，干板上接收到的可近似看成平行光。干板22架置于一个能在水平面内转动的平台23上。第一次曝光时，干板对于两束光呈对称状态；第二次曝光前将平台转过一微小角度，曝光后经处理便得到复合光栅，也就是微分滤波器。平面镜18和平面镜19且扩束镜20和扩束镜21是轴对称的。

激光器16为氦氖激光器、分束镜17为可以分束的分束镜、平面镜18和平面镜19为普通的平面镜、扩束镜20和扩束镜21为伽利略型扩束镜、干板22为一块玻璃干板。

图3为柱矢量光束偏振态的分布示意图，箭头表示偏振态方向，如图所示：上面的图为方位角偏振光的获得，下面的图为径向偏振光的获得。不妨将方位角偏振光用E_fwj表示，径向偏振光用E_jx表示，则有：

$F_{\mathrm{fwj}}=\hat{y}\mathrm{TE}{M}_{01}+\exp \left(\mathrm{j\π}\right)\hat{x}{\mathrm{TEM}}_{10}$

$E_{\mathrm{jx}}=\hat{x}{\mathrm{TEM}}_{01}+\hat{y}{\mathrm{TEM}}_{10}$

与分别为偏振光沿x轴，y轴的单位方向向量，变相板确保两束光所走过的光程是一样的，通过调节1/2玻片9、1/2玻片12和π相位板14来调节偏振光束的偏振态。当经过起偏器7和分束镜8后得到两束沿x方向偏振且光强相同的TEM₁₀模后，如果一束光通过1/2玻片9和转像反射棱镜10后得到沿y方向的TEM₀₁模，另外一束光通过变相板11、平面镜13和π相位板14(实现exp(jπ))后进入偏振分合镜15，这两束光干涉叠加得到方位角偏振光束；如果一束光通过转像反射棱镜10后进入偏振分合镜15，另外一束光通过变相板10、1/2玻片12和平面镜13后得到沿y方向的TEM₁₀模，这两束光干涉叠加得到径向偏振光束。

Claims (5)

1、一种利用光学微分实现柱矢量光束的方法，其特征在于，方法为从激光器中产生的TEM₀₀模通过一个扩束镜扩束后经过第一个透镜准直，经过第二个透镜实现傅里叶变换，通过频谱面上的一个微分滤波器，经过第三个透镜实现傅里叶逆变换即得到TEM₀₀模的微分结果TEM₁₀模；TEM₁₀模通过转像反射棱镜后得到TEM₀₁模，最后TEM₁₀模和TEM₀₁模两个模通过马赫-曾德干涉仪干涉叠加得到柱矢量光束。

2、一种利用光学微分实现柱矢量光束的设备，其特征在于，包括激光器(1)、透镜(2)、透镜(3)、透镜(4)、微分滤波器(5)、透镜(6)、起偏器(7)、分束镜(8)、1/2玻片(9)、转像反射棱镜(10)、变相板(11)、1/2玻片(12)、平面镜(13)、π相位板(14)和偏振分合镜(15)，激光器(1)产生的TEM₀₀模通过由透镜(2)和透镜(3)组成的扩束整形镜后经过透镜(3)准直，准直后的光束经过透镜(4)实现傅里叶变换，后通过频谱面上的一个微分滤波器(5)，再经过透镜(6)得到TEM₀₀模的微分结果TEM₁₀模；TEM₁₀模通过起偏器(7)和分束镜(8)分成两束光，一束光通过1/2玻片(9)和转像反射棱镜(10)后得到TEM₀₁模进入偏振分合镜(15)，另一束光通过变相板(11)、1/2玻片(12)、平面镜(13)和π相位板(14)进入偏振分合镜(15)，与进入偏振分合镜(15)的TEM₀₁模干涉叠加得到柱矢量光束。

3、根据权利要求2所述利用光学微分实现柱矢量光束的设备，其特征在于，所述微分滤波器(5)由激光器(16)、分束镜(17)、平面镜(18)、平面镜(19)、扩束镜(20)、扩束镜(21)、干板(22)和平台(23)构成，激光器(16)发出光束经分束镜(17)分成两束光，两束光分别通过平面镜(18)和平面镜(19)反射后到达扩束镜(20)和扩束镜(21)，被分别扩束成成一定夹角的两束相干光，相干光投射到玻璃全息干板(22)上，干板(22)架置于一个能在水平面内转动的平台(23)上。

4、根据权利要求3所述利用光学微分实现柱矢量光束的设备，其特征在于，所述平面镜(18)和平面镜(19)；扩束镜(20)和扩束镜(21)都是轴对称的。

5、根据权利要求3所述利用光学微分实现柱矢量光束的设备，其特征在于，所述激光器(16)为氦氖激光器；平面镜(18)和平面镜(19)为普通的平面镜；扩束镜(20)和扩束镜(21)为伽利略型扩束镜。

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