CN102183847B - 一种生成矢量光束的方法和装置 - Google Patents
一种生成矢量光束的方法和装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102183847B CN102183847B CN201110121726.7A CN201110121726A CN102183847B CN 102183847 B CN102183847 B CN 102183847B CN 201110121726 A CN201110121726 A CN 201110121726A CN 102183847 B CN102183847 B CN 102183847B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light
- polarization
- bundle
- vector
- amplitude grating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Polarising Elements (AREA)
Abstract
本发明是一种实现相干合成矢量光束的方法和装置，属于光电技术领域。本发明由激光器、起偏器、偏振分光棱镜、石英平片、反射镜、第一扩束器、二元振幅光栅、第二扩束器、小孔光阑、1/4波片、CCD相机组成。本发明首先采用以偏振分光棱镜、反射镜和第一扩束器为核心元件的光学系统产生具有特定夹角的两束偏振方向正交的线偏振光，然后利用以二元振幅光栅和1/4波片为核心元件的光学系统将上述两束光转换为两束偏振旋向相反且具有相反螺旋相位的圆偏振拉盖尔高斯光束，并在系统光轴处实现同轴合束，得到所需的矢量光束。
Description
技术领域
本发明涉及一种生成矢量光束的方法和装置，属于光电技术领域。
背景技术
矢量光束是一种偏振态在空间按特定规律非均匀分布的光束，主要包括径向偏振光束、角向偏振光束、二阶矢量光束、三阶矢量光束等，其中径向偏振光束(偏振拓扑数为1)是偏振态按径向分布的轴对称矢量光束，是最典型的、应用最广泛的一种矢量光束，由于这种光束经高数值孔径透镜聚焦后的聚焦光斑可超过衍射极限且在焦点处具有很强的纵向电场等特殊的性质，使其在微纳光学中具有广泛的应用前景。
目前生成矢量光束的方法大致可分为两大类，即激光腔外产生法(亦称被动法)和激光腔内产生法(亦称主动法)。例如，激光器输出的两模式为TEM01和TEM10的线偏振光或两束螺旋相位相反、偏振旋向相反的圆偏振光相干叠加而生成矢量光束的方法属于腔外产生法，腔外放置一个空间渐变的相位延迟器产生矢量光束的方法也属于腔外产生法；如在激光腔内插入布儒斯特轴锥镜作为偏振选择元件、利用晶体的双折射效应产生矢量光束的方法则属于腔内产生法。
近年来，国内外已有一些生成矢量光束方法的报道。公开号为CN101178484的专利(丁剑平，汪喜林，陈璟，樊亚仙，王慧田：任意偏振分布矢量光束的生成装置，中国专利：CN101178484，2008-05-14)中发明了一套可以生成任意矢量光束的装置，该装置中激光束通过空间光调制器(SLM)和一个4f透镜系统，在两个透镜中间放置光阑和四分之一波片，其中光阑只让经过SLM的+1和-1级衍射光通过(对应着具有相反螺旋相位的光束)，两个四分之一波片将两束光转换为左旋和右旋圆偏振光，之后通过一个Rochi光栅将两束光合束生成矢量光束；2007年发表在《New Journal of Physics》的文章(Christian Maurer，Alexander Jesacher，Severin Fürhapter，“Tailoring of arbitrary optical vectorbeams”[J]New Journal of Physics 9(78)，(2007))使光束通过渥拉斯顿棱镜分成两束，其中一束经过一个45度放置的二分之一波片，使两束光的偏振方向变成水平(SLM对偏振方向水平的入射光调制效果最佳)，两束光投射到SLM上不同的衍射光栅，出射光具有相反的螺旋相位，两束光原路返回再利用渥拉斯顿棱镜合束生成矢量光束；发表在《Optics Letters》2009年第34卷第17期上的文章(P.H.Jones，M.Rashid，M.Makita，and O.M.Maragò“Sagnac interferometermethod for synthesis of fractional polarization vortices”[J]Optics Letters 34(17)2560-2562(2009))提出了用Sagnac干涉仪和道威棱镜将螺旋圆偏振光合成矢量偏振光束的方法。
在这些基础上，我们设计了一种易于实现且稳定、可重复性高、成本较低的生成矢量光束的方法和装置。
发明内容
本发明的目的是提出一种生成矢量光束的方法和装置。
本发明的目的是由下述技术方案实现的：
本发明的装置包括激光器、起偏器、偏振分光棱镜、石英平片、反射镜、第一扩束器、二元振幅光栅、第二扩束器、小孔光阑、1/4波片、CCD相机。
所述的激光器输出光束为高斯光束；所述的起偏器起偏方向为45°置于激光器后，用于使光束通过偏振分光棱镜后分解的两束光能量均匀；所述的偏振分光棱镜置于起偏器后，使光束分解为光路平面内传输方向具有一定夹角的两束偏振光，且两束偏振光的偏振方向分别垂直和平行于光路平面；所述的石英平片置于偏振方向垂直于光路平面的光束光路中，旋转其角度来调节两束偏振光的相位差；所述的反射镜放置的位置和角度应使两束偏振光具有一定的夹角；所述的第一扩束器置于两束偏振光交汇前一定位置，用来减小两束光的夹角保证两束光的夹角满足相应的光栅方程，另外还起到准直光束的作用；所述的二元振幅光栅置于第一扩束器后两束光的交汇点，旋转到特定的位置使其±1级衍射光为±m阶拉盖尔高斯光束，并在系统光轴处合束；所述的第二扩束器倒置于二元振幅光栅后，使各衍射级分散以便过滤；所述的小孔光阑置于第二扩束器后，将系统光轴处的光束滤出；所述的1/4波片置于小孔光阑后，其快轴方向与入射到其上的两束光的偏振方向均呈π/4的夹角，使其变换为偏振旋向相反的圆偏振光；所述的CCD相机置于1/4波片后，用于观察生成的矢量光束。
本发明提供的生成矢量光束的方法的具体步骤为：
从激光器出射的高斯光束经过45°放置的起偏器变换为45°偏振的线偏振光，使其经偏振分光棱镜后可以均匀地分解为光路平面内传输方向具有一定夹角的两束偏振光，且两束偏振光的偏振方向分别垂直和平行于光路平面，在偏振方向垂直于光路平面的光束光路中放置石英平片，利用旋转石英平片的角度来调节两束偏振光的相位差，利用反射镜使偏振方向平行于光路平面的光束反射，调节其与偏振方向垂直于光路平面的光束的夹角，使两束光按一定角度入射通过第一扩束器，经过第一扩束器减小两束光的夹角可使两束光通过二元振幅光栅后的+1级和-1级衍射光重合并且沿系统的光轴传输，两束光入射二元振幅光栅的角度为光栅的±1级衍射角，可由光栅方程计算得到，将光栅旋转到特定的位置使其±1级衍射光为±m阶拉盖尔高斯光束。之后通过倒置的第二扩束器使各衍射级分散开，便于过滤出所需的光束，由小孔光阑将系统光轴处的光束滤出，之后通过一快轴方向与两束光的偏振方向均呈45°的夹角放置的1/4波片，使两束光分别变为左旋和右旋圆偏振光，这样光轴处两束偏振旋向相反的±m阶圆偏振拉盖尔高斯光束相干合束生成m阶矢量光束，将CCD相机置于1/4波片后进行观察。
本发明的有益效果：
①可以生成任意阶的矢量光束。
②系统所需器件简单、合束稳定、易于调节、成本较低。
③生成的矢量光束径向偏振纯度高，具有较好的传输特性。
附图说明
图1是本发明的原理图；图中，1-激光器，2-起偏器，3-偏振分光棱镜，4-石英平片，5-反射镜，6-第一扩束器，7-二元振幅光栅，8-第二扩束器，9-小孔光阑，10-1/4波片，11-CCD相机。
图2是本发明中产生的偏振方向正交的±1级衍射光束在系统光轴处同轴合束的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示，本发明的装置包括激光器(1)、起偏器(2)、偏振分光棱镜(3)、石英平片(4)、反射镜(5)、第一扩束器(6)、二元振幅光栅(7)、第二扩束器(8)、小孔光阑(9)、1/4波片(10)和CCD相机(11)。从激光器(1)出射的高斯光束经过起偏方向与光路平面呈45°的起偏器(2)后变换为45°线偏振光，使其经偏振分光棱镜(3)后均匀地分解为光路平面内传输方向具有一定夹角的两束偏振光，且两束偏振光的偏振方向分别垂直和平行于光路平面，在偏振方向垂直于光路平面的光束光路中放置石英平片(4)，利用旋转石英平片(4)的角度来调节两束偏振光的相位差，利用反射镜(5)使偏振方向平行于光路平面的光束反射，调节其与偏振方向垂直于光路平面的光束的夹角，将两束光按一定角度入射通过第一扩束器(6)，经过第一扩束器(6)减小两束光的夹角至一特定角度可使两束光通过二元振幅光栅(7)后的+1级和-1级衍射光重合并且沿系统的光轴传输，如图2所示，两束光入射二元振幅光栅(7)的角度为二元振幅光栅(7)的+1级衍射光和-1级衍射光构成的夹角，可由光栅方程计算得到；旋转二元振幅光栅(7)使其±1级衍射光为±m阶拉盖尔高斯光束。之后通过倒置的第二扩束器(8)使各级衍射光束分开，便于过滤出所需的光束，由小孔光阑(9)将系统光轴处的光束滤出，之后通过一快轴方向与两束光的偏振方向均呈45°的夹角放置的1/4波片(10)，使两束光分别变换为左旋和右旋圆偏振光，这样光轴处两束偏振旋向相反的±m阶圆偏振拉盖尔高斯光束相干合束生成m阶矢量光束，将CCD相机(11)置于1/4波片(10)后进行观察。通过旋转二元振幅光栅(7)到不同角度以改变其±1级衍射光的阶数，并根据光栅方程调整偏振分光棱镜(3)和反射镜(5)的角度和位置以改变两束光的入射角度，可以得到不同阶数的矢量光束。
Claims (2)
1.一种相干合成矢量光束的装置，包括激光器(1)、起偏器(2)、偏振分光棱镜(3)、石英平片(4)、反射镜(5)、第一扩束器(6)、二元振幅光栅(7)、第二扩束器(8)、小孔光阑(9)、1/4波片(10)和CCD相机(11)。其特征在于：激光器(1)输出的高斯光束垂直入射透过起偏方向为45°的起偏器(2)后，斜入射到偏振分光棱镜(3)上，均匀地分解为光路平面内传输方向具有一定夹角的两束偏振光，且两束偏振光的偏振方向分别垂直和平行于光路平面，其中偏振方向垂直于光路平面的光束通过石英平片(4)后与经过反射镜(5)反射的偏振方向平行于光路平面的光束斜入射通过第一扩束器(6)，出射的两束光以特定夹角交汇并入射通过二元振幅光栅(7)，此特定夹角为二元振幅光栅(7)的+1级衍射光和-1级衍射光构成的夹角；两束光通过二元振幅光栅(7)后偏振方向垂直于光路平面的光束的+1级衍射光与偏振方向平行于光路平面的光束的-1级衍射光在系统光轴处实现同轴合束，旋转二元振幅光栅(7)使其±1级衍射光为±m阶拉盖尔高斯光束；衍射光束通过倒置的第二扩束器(8)后利用小孔光阑(9)将传输方向与第二扩束器(8)的光轴方向一致的光束滤出，滤出的光束垂直通过快轴方向与两束光的偏振方向呈45°的夹角放置的1/4波片(10)后合成m阶矢量光束，最后利用CCD相机(11)观测所生成的矢量光束。
2.一种相干合成矢量光束的方法，其特征在于：
①利用二元振幅光栅可实现将两束偏振旋向相反的一阶圆偏振拉盖尔高斯光束相干合束生成一阶矢量光束：从激光器(1)出射的高斯光束经过起偏方向与光路平面呈45°的起偏器(2)后变换为45°线偏振光，使其经偏振分光棱镜(3)后均匀地分解为光路平面内传输方向具有一定夹角的两束偏振光，且两束偏振光的偏振方向分别垂直和平行于光路平面，其中偏振方向垂直于光路平面的光束透过石英平片(4)，通过旋转石英平片(4)的角度可调节两束偏振光的相位差，反射镜(5)使偏振方向平行于光路平面的光束反射，调节其与偏振方向垂直于光路平面的光束的夹角，使两束光斜入射通过第一扩束器(6)，从第一扩束器(6)出射的两束光以特定夹角交汇并入射通过二元振幅光栅(7)，此特定夹角为二元振幅光栅(7)的+1级衍射光和-1级衍射光构成的夹角；旋转二元振幅光栅(7)，使其±1级衍射光为±1阶拉盖尔高斯光束，两束偏振方向相互垂直的线偏振光在二元振幅光栅(7)处交汇后其+1级和-1级衍射光在系统光轴处实现同轴合束，通过倒置的第二扩束器(8)后使各衍射级分散便于由小孔光阑(9)将系统光轴处的光束滤出，滤出的光束通过一快轴方向与两束偏振光的偏振方向均呈45°的夹角放置的1/4波片(10)，使两束偏振方向相互垂直的线偏振光变换为两束偏振旋向相反的圆偏振光，从而两束偏振旋向相反的一阶圆偏振拉盖尔高斯光束相干合束生成一阶矢量光束。
②通过旋转或更换二元振幅光栅(7)可实现将两束偏振旋向相反的高阶圆偏振拉盖尔高斯光束相干合束生成高阶矢量光束：将二元振幅光栅(7)旋转90°可在一阶矢量光束的光路基础上直接在系统光轴处得到三阶矢量光束，将二元振幅光栅(7)旋转45°再调整偏振分光棱镜(3)和反射镜(5)的角度和位置可在系统光轴处得到二阶矢量光束，将二元振幅光栅(7)旋转135°可在二阶矢量光束的光路基础上直接在系统光轴处得到四阶矢量光束，对二元振幅光栅(7)进行更换，再配合调整偏振分光棱镜(3)和反射镜(5)的角度和位置可以得到更高阶的矢量光束。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110121726.7A CN102183847B (zh) | 2011-05-12 | 2011-05-12 | 一种生成矢量光束的方法和装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110121726.7A CN102183847B (zh) | 2011-05-12 | 2011-05-12 | 一种生成矢量光束的方法和装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102183847A CN102183847A (zh) | 2011-09-14 |
| CN102183847B true CN102183847B (zh) | 2014-05-07 |
Family
ID=44570038
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110121726.7A Expired - Fee Related CN102183847B (zh) | 2011-05-12 | 2011-05-12 | 一种生成矢量光束的方法和装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102183847B (zh) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104949630B (zh) * | 2014-03-25 | 2017-06-20 | 南京理工大学 | 一种大数值孔径条纹对比度可调节的点衍射干涉装置 |
| CN104656266B (zh) * | 2015-02-10 | 2017-02-01 | 北京理工大学 | 一种基于泰曼格林干涉仪的偏振合成矢量光束的方法与装置 |
| CN105607266B (zh) * | 2016-01-06 | 2017-11-14 | 北京理工大学 | 三维矢量光束的生成方法与装置 |
| CN105514786B (zh) * | 2016-01-22 | 2018-06-05 | 北京理工大学 | 一种阶次可调的半腔内生成矢量光束的方法与系统 |
| CN106950704A (zh) * | 2017-05-02 | 2017-07-14 | 华东师范大学 | 可调椭圆矢量空心光束产生装置 |
| CN107565352B (zh) * | 2017-09-05 | 2019-04-12 | 南京大学 | 一种输出1064nm可调谐拉盖尔高斯光束的激光器 |
| CN107681426B (zh) * | 2017-09-22 | 2019-04-12 | 南京大学 | 一种偏振连续可调的柱对称矢量光固体激光器 |
| CN109991750B (zh) * | 2019-04-23 | 2021-04-20 | 济南大学 | 正方阵列涡旋光束产生装置、螺旋光束产生装置及应用 |
| CN113904208B (zh) * | 2021-09-18 | 2023-07-14 | 江苏师范大学 | 一种高纯度拉盖尔高斯光束产生系统及其产生方法 |
| CN113885219B (zh) * | 2021-12-07 | 2022-02-22 | 苏州大学 | 一种偏振传输不变光场的产生系统及方法 |
| CN114473203B (zh) * | 2022-03-30 | 2022-07-29 | 广东国玉科技有限公司 | 激光焊接组件以及智能激光焊接设备 |
| CN115113411B (zh) * | 2022-08-31 | 2022-11-22 | 长春理工大学 | 一种多光束合束装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101178484A (zh) * | 2007-12-07 | 2008-05-14 | 南京大学 | 任意偏振分布矢量光束的生成装置 |
| CN101320134A (zh) * | 2008-06-16 | 2008-12-10 | 刘耕远 | 圆偏振光合成线偏振光形成矢量光束的装置 |
| CN101403823A (zh) * | 2008-10-28 | 2009-04-08 | 杭州电子科技大学 | 一种矢量圆环形光束整形装置 |
| CN101551530A (zh) * | 2009-01-22 | 2009-10-07 | 上海理工大学 | 利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备 |
| CN101614878A (zh) * | 2009-08-06 | 2009-12-30 | 清华大学 | 一种产生多种矢量光束的系统 |
| CN101794024A (zh) * | 2010-04-02 | 2010-08-04 | 上海理工大学 | 一种产生柱矢量光束的装置及方法 |
-
2011
- 2011-05-12 CN CN201110121726.7A patent/CN102183847B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101178484A (zh) * | 2007-12-07 | 2008-05-14 | 南京大学 | 任意偏振分布矢量光束的生成装置 |
| CN101320134A (zh) * | 2008-06-16 | 2008-12-10 | 刘耕远 | 圆偏振光合成线偏振光形成矢量光束的装置 |
| CN101403823A (zh) * | 2008-10-28 | 2009-04-08 | 杭州电子科技大学 | 一种矢量圆环形光束整形装置 |
| CN101551530A (zh) * | 2009-01-22 | 2009-10-07 | 上海理工大学 | 利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备 |
| CN101614878A (zh) * | 2009-08-06 | 2009-12-30 | 清华大学 | 一种产生多种矢量光束的系统 |
| CN101794024A (zh) * | 2010-04-02 | 2010-08-04 | 上海理工大学 | 一种产生柱矢量光束的装置及方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| P. H. Jones, et al..Sagnac interferometer method for synthesis of fractional polarization vortices.《OPTICS LETTERS》.2009, |
| Radially and azimuthally polarized beams generated by space-variant dielectic subwavelength gratings;Z.Bomzon. et al.;《OPTICS LETTERS》;20021231 * |
| Sagnac interferometer method for synthesis of fractional polarization vortices;P. H. Jones, et al.;《OPTICS LETTERS》;20090901 * |
| Z.Bomzon. et al..Radially and azimuthally polarized beams generated by space-variant dielectic subwavelength gratings.《OPTICS LETTERS》.2002, |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102183847A (zh) | 2011-09-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102183847B (zh) | 一种生成矢量光束的方法和装置 | |
| CN103293696B (zh) | 基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置 | |
| Wu et al. | Generation and self-healing of a radially polarized Bessel-Gauss beam | |
| CN102269876B (zh) | 利用渥拉斯顿棱镜合束生成矢量光束的系统 | |
| CN102289080B (zh) | 一种产生径向偏振光束的方法和装置 | |
| CN101726868B (zh) | 一种实现光束轨道角动量态复用编码的方法和装置 | |
| Zhang et al. | All‐dielectric metasurface‐enabled multiple vortex emissions | |
| CN103293695B (zh) | 一种单液晶空间光调制器产生任意柱矢量偏振光束的方法 | |
| CN111679441B (zh) | 基于光学外差干涉法的动态柱矢量光场产生装置及其方法 | |
| TWI352215B (en) | Beam shaping module | |
| CN103048791B (zh) | 一种产生部分相干艾里光束的方法 | |
| CN204156286U (zh) | 一种基于双光栅外腔反馈的二极管激光光谱合成装置 | |
| CN104332821A (zh) | 一种基于双光栅外腔反馈的二极管激光光谱合成装置 | |
| CN104950453B (zh) | 一种产生全庞加莱光束的装置和方法 | |
| CN103941407A (zh) | 部分相干多模高斯光束的产生系统、产生方法及测量装置 | |
| CN105954880B (zh) | 一种飞秒柱矢量光束的产生系统 | |
| CN105589203A (zh) | 产生径向偏振阵列光束的方法及装置 | |
| CN104656266A (zh) | 一种基于泰曼格林干涉仪的偏振合成矢量光束的方法与装置 | |
| CN102289081B (zh) | 一种产生切向偏振光束的方法和装置 | |
| Salamon et al. | Tunable optical vortices generated by self-assembled defect structures in nematics | |
| Chen et al. | Generation of optical crystals and quasicrystal beams: Kaleidoscopic patterns and phase singularity | |
| CN201373952Y (zh) | 利用光学微分实现柱矢量光束的系统 | |
| CN101520556A (zh) | 螺旋锥面光束的产生装置 | |
| Zhang et al. | Flexible and high-efficiency generation of arbitrary vector vortex beams on hybrid-order Poincaré sphere | |
| CN101551530B (zh) | 利用光学微分实现柱矢量光束的方法及设备 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140507 Termination date: 20160512 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |