CN102830499A - 矢量光场转换器件及偏振光转换的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矢量光场转换器件及偏振光转换的方法，矢量光场转换器件由一个旋光晶体器件和/或波片组成，旋光晶体器件的通光长度为螺旋变化，使得通过旋光晶体的偏振方向发生旋转，得到径向偏振光输出，在旋光器件后面放置一半波片时，可实现径向偏振到角向偏振的转换，获得角向偏振光输出。本发明具有成本低，转换效率高以及光损伤阈值高等优点。本发明在量子光通讯、冷原子囚禁、动态光存储、量子计算以及材料加工等光学方面具有重要的应用前景。

Description

矢量光场转换器件及偏振光转换的方法

技术领域

本发明涉及一种矢量光场转换器件，属于激光技术与器件领域。

背景技术

随着科技的发展，激光由于其方向性、相干性以及高能量性，在科研、国防以及国民经济等领域都展示了巨大的力量。在此领域中，线偏振激光较容易实现，也是研究和应用最为广泛的一类激光。

当激光与物质相互作用时，由于物质对于不同偏振具有不同的响应，这也决定了对于激光传播方向圆对称偏振激光的重要需求。除此之外，该类偏振的激光由于其偏振方向特殊的对称性，使其在光通讯、动态光存储、量子计算、粒子操作等领域具有不可替代的优势。圆对称的偏振激光属于矢量光场的一类，目前应用和研究最多的是径向和角向偏振激光，其偏振方向分别平行和垂直于光斑分布的半径方向。

目前的实现手段，包括在激光器内直接实现以及外部调节两类。由于激光器产生的激光本征态为线偏振或者圆偏振，所以其产生矢量光场时，效率较低且需要复杂的调节。外部调节目前研究较多的是基于液晶材料对光的偏振进行转换，但是该类器件加工比较复杂并且液晶的光损伤阈值一般较低，也就决定了该类器件不适合在高功率密度的激光中进行应用。

旋光是一类双折射，通过旋光材料的线偏振光，其方向会发生与作用长度成正比的转动。旋光晶体其光损伤阈值一般远高于液晶材料，并且在偏振方向转变的过程中没有能量的损失，在偏振转动的时候理论上可实现100%的转换。因此，为了满足高功率密度激光的需求，采用旋光晶体材料制作高效偏振转换器件是一个重要的研发方向。

发明内容

本发明针对目前径向偏振和角向偏振光的技术问题和重要需求，提出一种基于旋光晶体材料的高效偏振转换器件，本发明提供一种结构简单、紧凑的矢量光场转换器件。

波片的引入可以用于角向偏振和径向偏振的转换。该器件具有结构简单、操作简易、光损伤阈值高、转化效率高、理论上可应用于所有波长的激光以及易产业化等优势。

本发明还提供所述矢量光场转换器件的应用，也即偏振光转换的方法。

术语说明：

通光长度，是指在旋光晶体光轴方向上测量的厚度。

本发明的技术方案如下：

一种矢量光场转换器件，包括沿光轴方向切割的旋光晶体，所述旋光晶体的通光长度为螺旋变化，变化函数为：

或者

其中，z₀为非旋转部分的长度，

为柱坐标角度坐标，z_s为螺旋部分的长度；

通过所述旋光晶体的线偏振光的偏振方向随着作用长度的发生旋转，其旋转角度为或者

其中ρ为旋光率，也即通过旋光晶体的线偏振光转化为偏振方向与柱坐标角度坐标

有关的径向偏振光；当旋转实现一个周期即

螺旋部分的长度与转动角度之间的关系需满足

此时线偏振光转化为径向偏振光；直接输出径向偏振光。

根据本发明的矢量光场转换器件，进一步的，还有一个沿光路方向在旋光晶体后面放置的波片，所述波片是全波片或半波片；所述波片是半波片时用于将径向偏振光转换为角向偏振光。

沿光路方向在旋光晶体后面设置一个半波片时，所述的径向偏振光通过半波片转换为角向偏振光输出；移走该半波片时直接输出径向偏振光。

由此方案可以实现本发明基于旋光晶体材料的高效偏振转换器件，所述半波片为可移动设置，用于径向偏振向角向偏振的转换。根据对转换器件输出径向偏振光还是角向偏振光的需求，选择放置半波片或者不放置半波片。

进一步的，本发明的矢量光场转换器件，所述波片非必要地可选一全波片，放置全波片时直接输出径向偏振光。

根据本发明，优选的：

所述旋光晶体为具有旋光特性的晶体，优选为石英或硅酸铋晶体，但不限于此两种晶体。

所述旋光晶体至少一个表面是平面；所述旋光晶体旋转部分的长度z_s为实现n个整数周期转换时的长度，

优选的，n=1~10个整数周期。所述旋光晶体未螺旋部分可取任意长度，优选为1mm~20mm。

所述旋光晶体的半径为0.1mm~25mm，优选的旋光晶体的半径为1mm~10mm。，调制光学元件应具有不小于元件直径的千分之二的最小厚度，因此设置非螺旋部分也能保证器件一定的机械稳定性。

所述半波片是对所需转换光场的波长可进行π相位延迟的波片，半波片半径与旋光晶体半径相同（0.1mm~25mm），半波片厚度为0.1mm~5mm。

所述全波片是对所需转换光场的波长可进行2π相位延迟的波片，全波片半径与旋光晶体的半径相同（0.1mm~25mm），全波片厚度为0.1mm~5mm。

所述旋光晶体及沿光路方向在该旋光晶体后面放置的波片，可由一固定套筒将两者加以固定。固定套筒材质可采用不锈钢材质，固定套筒两端可拆卸且内有卡槽，用于放置旋光晶体和波片。

为减小光反射损耗，旋光晶体器件入射表面或两面可镀以对入射光波长高透过的增透膜，也可不镀膜。同理，半波片或全波片的入射表面或两面可镀以对入射光波长高透过的增透膜，也可不镀膜。

本发明所述矢量光场转换器件的应用，利用其旋光特性实现由线偏振光到矢量偏振光的转换，应用时选择线偏振光为入射光，且使光垂直入射到转换器件的旋光晶体表面。为减小反射损耗，旋光晶体入射表面或两面可镀以对转换波长高透过的增透膜，也可不镀膜。同理，半波片或全波片的入射表面或两面可镀以对转换波长高透过的增透膜，也可不镀膜。

一种偏振光转换的方法，包括使用本发明上述的矢量光场转换器件，以线偏振光为入射光，且使光垂直入射到矢量光场转换器件的旋光晶体的平面表面上，线偏振光通过矢量光场转换器件的旋光晶体转化为径向偏振光；该径向偏振光可直接输出；或者，沿光路方向在旋光晶体后面放置一个半波片，该径向偏振光通过半波片转换为角向偏振光输出。

本发明矢量光场转换器件及应用具有以下优良效果：

1.该转换器件仅仅由螺旋的旋光晶体和/或波片组成，可实现其偏振方向的转换，结构非常紧凑。通过选择是否放置半波片实现光场的径向偏振和/或角向偏振输出。

2.本发明的矢量光场转换器件，只需将线偏振光正入射到转换器件表面就可实现其转换，不涉及到复杂的操作，操作简单。

3.本发明的矢量光场转换器件，不涉及到偏振片等能量损耗的原件，转换效率高。

4.本发明的矢量光场转换器件，其转换过程中不涉及到能量的损耗，也就不涉及到热量的产生，且其核心为固体的晶体器件，所以光损伤阈值高，适合强激光下进行应用。

5.本发明的矢量光场转换器件，具有以上的众多优点，其制作较为简单，成本较低。这就意味着在光通讯、动态光存储、量子计算、粒子操作、材料加工等方面具有重要的应用前景，且便于产业化。

附图说明

图1是沿光轴方向切割的、通光长度为螺旋变化的旋光晶体（偏振调制光学元件），图中，101、旋光晶体，102、螺旋变化部分，103、非螺旋部分。

图2为矢量光场转换器件示意图。201为旋光晶体的平面表面，202为图1所示螺旋的旋光晶体，203为波片，204为固定套筒。

图3为固定套筒及配件示意图。301、302为用于固定的配件套圈，303为固定套筒。

图4为线偏振光转化为径向偏振光的示意图。

图5为线偏振光转化为角向偏振光的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1、

一种矢量光场转换器件，是由通光长度为螺旋变化的旋光晶体构成的偏振调制光学元件。

沿光轴方向切割的、具有特定厚度分布的旋光晶体101，结构如图1所示，所述旋光晶体沿其光轴方向切割，在所述旋光晶体光轴方向上测量的厚度即通光长度的分布是可变的，所述通光长度为螺旋变化，变化函数为：

或者

其中z₀为非旋转部分的长度，为柱坐标角度坐标，z_s为螺旋部分的长度；通过所述旋光晶体的线偏振光的偏振方向随着作用长度的发生旋转，其旋转角度为

或者

其中ρ为旋光率，也即通过旋光晶体的线偏振光转化为偏振方向与柱坐标角度坐标

有关的径向偏振光；当旋转实现一个周期即

螺旋部分的长度与转动角度之间的关系需满足

此时线偏振光转化为径向偏振光。螺旋变化部分为102，非螺旋部分为103。旋光晶体半径在1mm~10mm之间，非螺旋部分不低于元件直径的千分之二的厚度。

实施例2、

一种矢量光场转换器件，结构如图2所示，包括实施例1所述的通光长度为螺旋变化的旋光晶体202及沿光路方向在该旋光晶体后面放置的一个波片203，由固定套筒204将两者加以固定。其中，旋光晶体202螺旋部分朝向z轴正方向，非螺旋部分朝向z轴负方向。旋光晶体的平面表面201和波片入射表面均可镀有增透膜以增加入射光的透过率。

固定套筒204用于固定旋光晶体和波片。材质可采用不锈钢材质，表面做黑色铬乌光处理以防止激光反射（乌光效果特别适用于光学实验，不刺激眼睛，减少杂散光），套筒两端可拆卸并且内部有卡槽，可以用于放置旋光晶体平面表面和波片，套筒长度约为50~80mm,半径30~50mm，具体视旋光晶体和波片半径而定。

固定套筒及配件结构如图3所示，放入波片和旋光晶体的套筒整体使用配件套圈301和302夹持并方便的固定在任意光路中或者光学调整架之上。配件采用和套筒相同材质并作乌光处理，其中配件套圈301和302环形内径比固定套筒303外径略大，可通过孔304、305和螺丝固定夹持。配件底座上的螺纹孔306、307、308以及309采用标准孔距螺纹孔，306与307之间间距采用标准光学平台间距50mm，306和308以及307和309之间间距也采用标准光学平台间距50mm或75mm，以上间距原则是便于将套筒整体固定于各种光学平台或光学调整架之上，不限于此种尺寸。

实施例3、矢量光场转换器件及利用矢量光场转换器件产生径向偏振光的方法

如图4所示，采用结构如实施例2的矢量光场转换器件，包括沿光轴方向加工的旋光晶体和一个全波片403（波片厚度4mm，采用市场上通用的波片，包括固定的波片金属架厚度约在8mm左右）；所述全波片403是对所需转换光场的波长可进行2π相位延迟的波片，全波片半径与旋光晶体的半径相同；旋光晶体402为石英片，其半径为5mm，其对波长为1064nm激光的旋光率为10.4°/mm。沿光轴方向切割石英片，厚度变化函数为

非旋转部分的长度z₀为10mm，螺旋部分长度z_s为34.6mm，此时入射光经过该晶体可以实现

的旋转。石英片表面401无镀膜，采用线偏振1064nm光404沿z轴正方向垂直入射到石英片402上，之后通过全波片403实现径向偏振光405输出。

实施例4、矢量光场转换器件及利用矢量光场转换器件产生径向偏振光的方法

如实施例3所述，示意图如图4所示。所不同的是，取出全波片403，采用无波片结构的矢量光场转换器件：

旋光晶体402为硅酸铋晶体（简称BSO），该晶体为立方相晶体，故可以沿着任意方向切割，其半径为10mm,对于480nm光的旋光率为47.7°/mm，非旋转部分的长度z₀为20mm，螺旋部分长度z_s为37.7mm，可实现5个周期的旋转。硅酸铋平面表面401镀以对480nm光的透过率为99%的介质膜，采用线偏振480nm的光404沿z轴正方向垂直入射到矢量光场转换器件上，直接输出径向偏振光405。

实施例5、矢量光场转换器件及利用矢量光场转换器件产生角向偏振光的方法

矢量光场转换器件包括旋光晶体502和沿光路方向在旋光晶体后面放置的一个半波片503。所述半波片503厚度5mm，采用市场上通用的波片，包括固定的波片金属架则厚度约在10mm左右，是对所需转换光场的波长可进行π相位延迟的波片，半波片半径与旋光晶体半径相同。如图5所示。

所述旋光晶体为硅酸铋晶体502，半径为20mm，其切割方向与实施例4相同，其对于520nm光的旋光率为37.5°/mm，非旋转部分的长度z₀为5mm，螺旋部分长度z_s为96mm，此时可实现10个周期的旋转。采用入射光波长为520nm的线偏振光504。硅酸铋晶体平面表面501和半波片503镀以对入射光透过率大于99%的介质膜，线偏振520nm光504沿z轴正向垂直入射到矢量光场转换器件，线偏振光通过旋光晶体转化为径向偏振光，再经过半波片转化为角向偏振光，实现角向偏振光505输出。

Claims (8)

1.一种矢量光场转换器件，包括沿光轴方向切割的旋光晶体，其特征在于所述旋光晶体的通光长度为螺旋变化，变化函数为：

或者

其中，z₀为非旋转部分的长度，

为柱坐标角度坐标，z_s为螺旋部分的长度；

通过所述旋光晶体的线偏振光的偏振方向随着作用长度的发生旋转，其旋转角度为

或者

其中ρ为旋光率，也即通过旋光晶体的线偏振光转化为偏振方向与柱坐标角度坐标

有关的径向偏振光；当旋转实现一个周期即

螺旋部分的长度与转动角度之间的关系需满足

此时线偏振光转化为径向偏振光，直接输出径向偏振光。

2.如权利要求1所述的矢量光场转换器件，其特征在于还有一个沿光路方向在旋光晶体后面放置的波片，所述波片是全波片或半波片；半波片用于将径向偏振光转换为角向偏振光。

3.如权利要求1或2所述的矢量光场转换器件，其特征在于所述旋光晶体为石英或硅酸铋晶体。

4.如权利要求1或2所述的矢量光场转换器件，其特征在于所述旋光晶体至少一个表面是平面；所述旋光晶体旋转部分的长度z_s为实现n个整数周期转换时的长度，

优选的，n=1~10个整数周期。

5.如权利要求1或2所述的矢量光场转换器件，其特征在于所述旋光晶体的半径为0.1mm~25mm，优选的旋光晶体的半径为1mm~10mm。

6.如权利要求2所述的矢量光场转换器件，其特征在于所述半波片是对所需转换光场的波长可进行π相位延迟的波片，半波片半径与旋光晶体半径相同，半波片厚度为0.1mm~5mm。

7.如权利要求1或2所述的矢量光场转换器件，其特征在于旋光晶体器件入射表面或两面镀以对入射光波长高透过的增透膜。

8.一种偏振光转换的方法，包括使用如权利要求1~7任一项所述的矢量光场转换器件，以线偏振光为入射光，且使光垂直入射到矢量光场转换器件的旋光晶体的平面表面上，线偏振光通过矢量光场转换器件的旋光晶体转化为径向偏振光；该径向偏振光可直接输出；或者，

沿光路方向在旋光晶体后面放置一个半波片，该径向偏振光通过半波片转换为角向偏振光输出。

Images