CN102323676A - 轴对称矢量偏振光获取方法及实现该方法的装置 - Google Patents

Abstract

轴对称矢量偏振光获取方法及实现该方法的装置，属于光学领域，本发明为解决现有产生径向偏振光和角向偏振光的装置结构复杂，成本高的问题。本发明的角向偏振光获取方法为：由LED发射平行光束，然后由两个双凸透镜将所述平行光束准直后输出准直平行光束给显偏器，由显偏器输出角向偏振光。实现该方法的装置包括LED、第一双凸透镜、第二双凸透镜和显偏器。本发明的径向偏振光的获取方法：在获取角向偏振光后，经过两个快轴呈45°夹角的1/2波片后输出径向偏振光。实现该方法的装置包括LED、第一双凸透镜、第二双凸透镜、显偏器、第一1/2波片和第二1/2波片。

Description

轴对称矢量偏振光获取方法及实现该方法的装置

技术领域

本发明涉及轴对称矢量偏振光获取方法及实现该方法的装置，属于光学领域。

背景技术

轴对称矢量偏振光的偏振形式如图1所示，光束的每一点均为一个与半径方向成角的偏振，轴对称矢量偏振光束在柱坐标中的电场分布为：

$\stackrel{\→}{E}(r,\mathrm{\θ})=E_0\left(r\right)(\stackrel{\→}{r}\cos {\mathrm{\φ}}_0+\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}\sin {\mathrm{\φ}}_0)$

其中，

是径向的单位矢量；是角向(即切向)单位矢量；E₀(r)是孔径切趾函数，表示电场的相对振幅，并且电场的相对振幅与径向有关。由此得出，轴对称径向偏振光和轴对称角向偏振光的线性叠加构成了轴对称矢量偏振光束。

当φ₀＝90°时，表示角向偏振光，以传播光轴为对称轴在垂直于该轴的平面内呈同心圆形分布，如图2所示。

当φ₀＝0°时，表示径向偏振光，以传播光轴为对称轴在垂直于该轴的平面内呈径向分布，如图3所示。

由于径向偏振光特殊的轴对称分布以及高数值孔径聚焦后特殊的光场分布，使其与我们熟知的线偏振光、圆偏振光有许多显著的不同。径向偏振光聚焦时，焦点处光斑直径比空间偏振态均与分布的光源(如线偏振光)的光斑直径小，且焦点光场具有很强的纵向分量；瑞利金属粒子在高度聚焦的径向偏振光场中具有非常强的俘获特性；比如径向偏振光沿光轴方向具有对称的电场分布以及其光束为中空的圆环型；径向偏振光只有横向的磁场和沿轴的纵向的电场；径向角向偏振光都是偏振本征态，它们在c切向晶体中传播时，不会发生串扰现象。径向偏振光在多种领域得到了广泛的应用，例如在引导和捕捉粒子、粒子加速、提高显微镜的分辨率、金属切割、提高存储密度以及表面等离子体共振(SPR)成像等方面。随着人们对径向偏振光认识的深入，它将在越来越多的方面得到应用。

近几年研究者纷纷寻找各种有效的方法来产生径向偏振光和角向偏振光，其产生方法可以分为两类：一类是腔内法，即在激光腔内直接添加特殊光学元器件产生径向偏振光；另一类是腔外法，如螺旋相位板法，组合波片法，相干偏振操纵法，径向偏振光转换器等等。这些方法所采用的装置结构复杂，成本高。

发明内容

本发明目的是为了解决现有产生径向偏振光和角向偏振光的装置结构复杂，成本高的问题，提供了轴对称矢量偏振光获取方法及实现该方法的装置。

本发明提供两个技术方案：

第一个技术方案，轴对称矢量偏振光获取方法获取的轴对称矢量偏振光为角向偏振光，所述轴对称矢量偏振光获取方法为：

由LED发射平行光束，然后由两个双凸透镜将所述平行光束准直后输出准直平行光束给显偏器，由显偏器输出角向偏振光。

实现该方法的装置包括LED、第一双凸透镜、第二双凸透镜和显偏器，

在LED的输出光路上依次放置第一双凸透镜、第二双凸透镜和显偏器，LED输出平行光束入射至第一双凸透镜，第一双凸透镜将入射的平行光束聚焦后再入射至第二双凸透镜，第二双凸透镜输出准直平行光束入射至显偏器，显偏器输出角向偏振光。

第二个技术方案：轴对称矢量偏振光获取方法获取的轴对称矢量偏振光为径向偏振光，所述轴对称矢量偏振光获取方法为：

由LED发射平行光束，然后由两个双凸透镜将所述平行光束准直后输出准直平行光束给显偏器，由显偏器输出角向偏振光，所述角向偏振光经过两个快轴呈45°夹角的1/2波片后输出径向偏振光。

实现该方法的装置包括LED、第一双凸透镜、第二双凸透镜、显偏器、第一1/2波片和第二1/2波片，

在LED的输出光路上依次放置第一双凸透镜、第二双凸透镜、显偏器、第一1/2波片和第二1/2波片，第一1/2波片的快轴和第二1/2波片的快轴呈45°夹角，LED输出平行光束入射至第一双凸透镜，第一双凸透镜将入射的平行光束聚焦后再入射至第二双凸透镜，第二双凸透镜输出准直平行光束入射至显偏器，显偏器输出角向偏振光至第一1/2波片，第一1/2波片透射的光束入射至第二1/2波片，第二1/2波片输出径向偏振光。

本发明的优点：本发明给出的使用显偏器获得径向偏振光和角向偏振光的装置，具有结构简单、价格低廉、便于使用等优点。

附图说明

图1为背景技术中轴对称矢量偏振光的结构示意图；

图2是背景技术中角向偏振光的结构示意图；

图3是背景技术中径向偏振光的结构示意图；

图4是显偏器的结构示意图；

图5是显偏器确定线偏振光偏振方向的光路图；

图6是实施方式一中角向偏振光的获取装置；

图7是实施方式一获取角向偏振光，并进行检测的装置；

图8是实施方式五中径向偏振光的获取装置；

图9是实施方式五获取径向偏振光，并进行检测的装置；

图10是实施方式五中两个快轴呈45°夹角的1/2波片的工作原理示意图；

图11是径向偏振光和角向偏振光经过检偏器后的光强分布图，NIL为无检偏器的情况。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图4至图7、图10说明本实施方式，本实施方式所述轴对称矢量偏振光获取方法，该方法获取的轴对称矢量偏振光为角向偏振光，所述轴对称矢量偏振光获取方法为：

由LED发射平行光束，然后由两个双凸透镜将所述平行光束准直后输出准直平行光束给显偏器，由显偏器输出角向偏振光。

具体实施方式二：下面结合图4至图7、图10说明本实施方式，实现本实施方式一所述轴对称矢量偏振光获取方法的装置，该装置产生的轴对称矢量偏振光为角向偏振光，所述轴对称矢量偏振光获取装置包括LED1、第一双凸透镜2、第二双凸透镜3和显偏器4，

在LED1的输出光路上依次放置第一双凸透镜2、第二双凸透镜3和显偏器4，LED1输出平行光束入射至第一双凸透镜2，第一双凸透镜2将入射的平行光束聚焦后再入射至第二双凸透镜3，第二双凸透镜3输出准直平行光束入射至显偏器4，显偏器4输出角向偏振光。

显偏器(POLARIZATION AXIS FINDER，简称PAF)是一种新型显示线偏振光偏振方向的装置，如图4所示，可以看作是一个具有圆形同心传播轴的显偏器件，其工作原理如图4所示，每一个小的区域都是一个线显偏器，传输轴的方向垂直于径向。此装置可看作是一个线栅偏振，用圆形的线代替平行直线。它的传统功能是检测线偏振光的偏振方向：线偏振光通过显偏器4后，在接收屏上会出现两个相对的楔形暗区。沿着两楔形暗区中心的方向即为线偏振光的振动方向，如图5所示。如果圆偏振光入射到显偏器4时，楔形区域的强度将会明显减弱。

在本实施方式中，我们克服现有的技术偏见，将显偏器用于产生角向偏振光，产生装置如图6所示，这种装置是角向偏振光产生的新途径，具有结构简单、价格低廉、便于使用等优点。

为了检验图6所示装置输出的是否为角向偏振光，在其后加装一个检偏器5，如图7所示，检偏的结果如图11中对角向偏振光的检测结果，根据其光强分布图可知，图6所示装置输出的确实为角向偏振光。

由于显偏器4可以看作是一个具有圆形同心传播轴的显偏器件，即每一个小的区域都是一个线显偏器，传输轴的方向垂直于径向。当自然光入射到显偏器4时，会在角向方向上通光，即形成角向偏振光束。我们采用图7中使用检偏器5来检验经显偏器的输出光为角向偏振光束，获得的光强分布见图11所示，根据本领域技术人员应知晓的常识，可以确定，图6装置产生的为角向偏振光。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式二的不同之处在于，LED1选用型号为GCL-060401的LED光源，其它与实施方式二相同。

本实施方式中LED1选用的为大恒新纪元科技股份有限公司生产的GCL-060401型号的LED光源，其输出波长为680-70nm。

LED1不限于采用上述型号的产品，只要是LED光源即可满足本实施方式中所述方案的要求。

具体实施方式四：下面结合图8至图11说明本实施方式，本实施方式所述轴对称矢量偏振光获取方法，获取的轴对称矢量偏振光为径向偏振光，所述轴对称矢量偏振光获取方法为：

由LED发射平行光束，然后由两个双凸透镜将所述平行光束准直后输出准直平行光束给显偏器，由显偏器输出角向偏振光，所述角向偏振光经过两个快轴呈45°夹角的1/2波片后输出径向偏振光。

具体实施方式五：下面结合图8至图11说明本实施方式，基于本实施方式四所述轴对称矢量偏振光获取方法的实现装置，该装置产生的轴对称矢量偏振光为径向偏振光，所述轴对称矢量偏振光获取装置包括LED1、第一双凸透镜2、第二双凸透镜3、显偏器4、第一1/2波片6和第二1/2波片7，

在LED1的输出光路上依次放置第一双凸透镜2、第二双凸透镜3、显偏器4、第一1/2波片6和第二1/2波片7，第一1/2波片6的快轴和第二1/2波片7的快轴呈45°夹角，LED1输出平行光束入射至第一双凸透镜2，第一双凸透镜2将入射的平行光束聚焦后再入射至第二双凸透镜3，第二双凸透镜3输出准直平行光束入射至显偏器4，显偏器4输出角向偏振光至第一1/2波片6，第一1/2波片6透射的光束入射至第二1/2波片7，第二1/2波片7输出径向偏振光。

LED1输出的是平行光束，第一双凸透镜2和第二双凸透镜3将该平行光束聚焦后又变平行，第一双凸透镜2和第二双凸透镜3的作用是稳定LED1输出的平行光束，稳定后的平行光束经显偏器4输出角向偏振光。然后再经过快轴呈45°夹角的第一1/2波片6和第二1/2波片7，输出径向偏振光。

快轴呈45°夹角的第一1/2波片6和第二1/2波片7的琼斯矩阵可以表述如下：

$T=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(2\mathrm{\Δ\φ}\right)& -\sin \left(2\mathrm{\Δ\φ}\right)\\ \sin \left(2\mathrm{\Δ\φ}\right)& \cos \left(2\mathrm{\Δ\φ}\right)\end{array}\right],$

其中Δφ为第一1/2波片6和第二1/2波片7的快轴的夹角，第一1/2波片6和第二1/2波片7的组合装置与入射光的偏振状态无关。旋转的角度仅取决于两个1/2波片的快轴之间的夹角Δφ。当Δφ＝φ₀/2时，角向偏振光通过此装置便可得到任意角度的轴对称矢量偏振光。当Δφ＝45°时，即可由角向偏振光得到径向偏振光。

在本实施方式中，我们克服现有的技术偏见，将显偏器用于产生角向偏振光，经快轴呈45°夹角的第一1/2波片6和第二1/2波片7，输出径向偏振光，产生径向偏振光的装置如图8所示，这种装置是径向偏振光产生的新途径，具有结构简单、价格低廉、便于使用等优点。

为了检验图8所示装置输出的是否为径向偏振光，在其后加装一个检偏器5，如图9所示，检偏的结果如图11中对径向偏振光的检测结果，根据其光强分布图可知，图8所示装置输出的确实为径向偏振光。

由于显偏器4可以看作是一个具有圆形同心传播轴的显偏器件，即每一个小的区域都是一个线显偏器，传输轴的方向垂直于径向。当自然光入射到显偏器4时，会在角向方向上通光，即形成角向偏振光束。经快轴呈45°夹角的第一1/2波片6和第二1/2波片7输出径向偏振光，我们采用图9中使用检偏器5来检验经显偏器的输出光为径向偏振光束，获得的光强分布见图11所示，根据本领域技术人员应知晓的常识，可以确定，图8装置产生的为径向偏振光。

具体实施方式六：本实施方式与实施方式五的不同之处在于，LED1选用型号为GCL-060401的LED光源，其它与实施方式五相同。

本实施方式中LED1选用的为大恒新纪元科技股份有限公司生产的GCL-060401型号的LED光源，其输出波长为680-70nm。

LED1不限于采用上述型号的产品，只要是LED光源即可满足本实施方式中所述方案的要求。

Claims (6)

1.轴对称矢量偏振光获取方法，其特征在于，该方法获取的轴对称矢量偏振光为角向偏振光，所述轴对称矢量偏振光获取方法为：

由LED发射平行光束，然后由两个双凸透镜将所述平行光束准直后输出准直平行光束给显偏器，由显偏器输出角向偏振光。

2.实现权利要求1所述的轴对称矢量偏振光获取方法的装置，其特征在于，它包括LED(1)、第一双凸透镜(2)、第二双凸透镜(3)和显偏器(4)，

在LED(1)的输出光路上依次放置第一双凸透镜(2)、第二双凸透镜(3)和显偏器(4)，LED(1)输出平行光束入射至第一双凸透镜(2)，第一双凸透镜(2)将入射的平行光束聚焦后再入射至第二双凸透镜(3)，第二双凸透镜(3)输出准直平行光束入射至显偏器(4)，显偏器(4)输出角向偏振光。

3.根据权利要求2所述的轴对称矢量偏振光获取装置，其特征在于，LED(1)选用型号为GCL-060401的LED光源。

4.轴对称矢量偏振光获取方法，其特征在于，该方法获取的轴对称矢量偏振光为径向偏振光，所述轴对称矢量偏振光获取方法为：

由LED发射平行光束，然后由两个双凸透镜将所述平行光束准直后输出准直平行光束给显偏器，由显偏器输出角向偏振光，所述角向偏振光经过两个快轴呈45°夹角的1/2波片后输出径向偏振光。

5.实现权利要求4所述的轴对称矢量偏振光获取方法的装置，其特征在于，它包括LED(1)、第一双凸透镜(2)、第二双凸透镜(3)、显偏器(4)、第一1/2波片(6)和第二1/2波片(7)，

在LED(1)的输出光路上依次放置第一双凸透镜(2)、第二双凸透镜(3)、显偏器(4)、第一1/2波片(6)和第二1/2波片(7)，第一1/2波片(6)的快轴和第二1/2波片(7)的快轴呈45°夹角，LED(1)输出平行光束入射至第一双凸透镜(2)，第一双凸透镜(2)将入射的平行光束聚焦后再入射至第二双凸透镜(3)，第二双凸透镜(3)输出准直平行光束入射至显偏器(4)，显偏器(4)输出角向偏振光至第一1/2波片(6)，第一1/2波片(6)透射的光束入射至第二1/2波片(7)，第二1/2波片(7)输出径向偏振光。

6.根据权利要求5所述的轴对称矢量偏振光获取装置，其特征在于，LED(1)选用型号为GCL-060401的LED光源。

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