CN102928990A - 改变光束偏振方向二维分布的装置 - Google Patents

Abstract

一种改变光束偏振方向二维分布的装置，其特点在于其构成包括沿入射光束方向依次是起偏器、四分之一波片和反射式空间光调制器，该反射式空间光调制器的控制端与控制器的输出端相连，入射光束通过所述的起偏器起偏后形成线偏振光，该线偏振光的偏振方向与Y轴平行，垂直地入射到所述的四分之一波片上，该四分之一波片的O光的光轴与Y轴的夹角设为45°或-45°。本发明具有结构简单，操作方便的特点。

Description

改变光束偏振方向二维分布的装置

技术领域

本发明涉及偏振光学领域，特别是一种用于改变光束偏振方向二维分布的装置。

背景技术

工业技术中常常需要形成偏振方向特定二维分布的光束或者改变入射光束的偏振方向。例如，高数值孔径光刻中采用X-偏振光束（横电场TE）提高成像对比度，得到更高的曝光线条密集度；光纤通讯中，常常采用偏振装置矫正由于应力作用、纤芯不规则、光纤传输方向不断变化造成的光偏振态误差，降低与偏振有关的噪声，保证光纤通讯质量；径向偏振光束可以通过逆切伦科夫效应用于加速相对论粒子；特殊偏振光束常常用于偏振光学器件和偏振成像系统的研究。

通常采用的偏振方向改变器件是三波片偏振控制器，它由两个四分之一波片，一个二分之一波片组成，二分之一波片位于两个四分之一波片之间，每个波片都可绕光轴自由转动。该系统中波片的转动需要电机或者其它机械装置驱动，这就限制了偏振器的控制速度。

美国专利US 8199403B2公开了一种用于微光刻照明的切向偏振和径向偏振光束产生装置。该装置由一个线性起偏器和两个二分之一波片组成，每个二分之一波片包含四个区域，每个区域的光轴方向不同。当线偏振光通过两个二分之一波片时，光束被分成8个区域，每个区域具有不同的偏振方向，形成切向或者径向光束。该装置的成本低廉，透过率高，但是所用的两个二分之一波片在制作完成后光学参数无法改变，只能形成特定的偏振分布。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的问题，提供了一种改变光束偏振方向二维分布的装置，该装置具有结构简单，操作方便的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种改变光束偏振方向二维分布的装置，其特点在于其构成包括沿入射光束方向依次是起偏器、四分之一波片和反射式空间光调制器，该反射式空间光调制器的控制端与控制器的输出端相连，入射光束通过所述的起偏器起偏后形成线偏振光，该线偏振光的偏振方向与Y轴平行，垂直地入射到所述的四分之一波片上，该四分之一波片的O光的光轴与Y轴的夹角设为45°或-45°。

在所述的起偏器和四分之一波片之间设有消偏振分光棱镜。

所述的起偏器是偏振片、尼科耳棱镜、格兰棱镜或沃拉斯顿棱镜。

所述的反射式空间光调制器为液晶的反射式空间光调制器、光弹效应反射式纯相位型空间光调制器或磁光效应反射式纯相位型空间光调制器。

所述的反射式空间光调制器的各个单元的O光轴和E光轴的方向一致，O光轴与所述的起偏器的透光轴方向平行；O光相位不变，E光相位延迟量由所述的控制器控制θ≈δ-90°，其中，θ为偏振方向转动角度，δ反射式空间光调制器单元的相位延迟量。

本发明的优点是：

1只需要对反射式空间光调制器的每个单元进行相位延迟设置或控制即可实现目前所需的任意偏振方向二维分布，两者具有严格的线性关系，可以实现二维偏振方向分布的精密控制。

2由于偏振转换是通过电信号直接控制，无机械运动，不仅消除了振动对系统的影响，并且具有较高的偏振控制速度。

3反射式空间光调制器采用计算机程序控制，操作方便，省时省力。

4该装置结构简单，易于装调。

附图说明

图1为本发明改变光束偏振方向二维分布的装置实施例1的光路图。

图2为本发明实施例2的光路图。

图3A为反射式空间光调制器一个单元的原理示意图。

图3B为施加电压时空间光调制器单元中液晶分子旋转示意图

图4为反射式空间光调制器O光轴与四分之一波片O光轴关系示意图。

图5为采用本发明所形成的切向偏振分布示意图。

图6为采用本发明所形成的径向偏振分布示意图。

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，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明改变光束偏振方向二维分布的装置实施例1的光路图。由图可见，本发明改变光束偏振方向二维分布的装置，构成包括沿入射光束方向依次是起偏器1、四分之一波片3和反射式空间光调制器4，该反射式空间光调制器4的控制端与控制器5的输出端相连，入射光束11通过所述的起偏器1起偏后形成线偏振光12，该线偏振光12的偏振方向与Y轴平行，垂直地入射到所述的四分之一波片3上，该四分之一波片3的O光的光轴与Y轴的夹角设为45°或-45°。

频率和偏振态稳定的光束11，垂直入射至起偏器1表面。如果辐射源产生光束尺寸较小，可能需要扩束器(图中省略)对光束进行扩束。

光束11通过起偏器1起偏，形成线偏振光12，其偏振方向与Y轴平行，入射到四分之一波片3上。该四分之一波片3的O光轴与Y轴的夹角为45°或-45°，四分之一波片3的表面与入射光束12的传播方向垂直。通过该四分之一波片后的光束14为圆偏振光，该圆偏振光入射到反射式空间光调制器4上。该反射式空间光调制器4的每个单元把经过该单元的光束分成O光和E光，E光经过反射式空间光调制器4后相位发生改变，O光相位则保持不变，所以经过反射式空间光调制器4反射回来的光束21偏振状态发生了改变。光束21经过四分之一波片3后变为线偏振光22，该线偏振光束22与入射光11的偏振方向相比发生转动，转动角度的大小与控制器5上加载的相位延迟量有关。

图1所示光路中光束11和线偏振光束22之间夹角较小，线偏振光束22的偏振方向与反射式空间光调制器4的相位延迟量的关系为θ≈δ-90°。其中，θ为偏振方向转动角度，δ反射式空间光调制器单元的相位延迟量。

图2为可以改变光束偏振方向二维分布装置的另一实施例。本实施例与第一个实施例相比，加入了消偏振分光棱镜2，所以该光路中，光束22的偏振方向与反射式空间光调制器3的相位延迟量的关系严格遵守θ=δ-90°。与图1所示光路相比，由于采用了消偏振分光棱镜，能量有一定损失。

图3A为反射式空间光调制器一个单元的工作原理示意图。该单元包括第一个透明电极41-1、第二个透明电极41-2、反射层41-3和液晶分子层41-4。光束通过透明电极41-1后入射到液晶分子层41-4，然后透过透明电极41-2，被反射层41-3反射。被反射光束依次通过透明电极41-2、液晶分子层41-4和41-1后出射。控制器5控制电极41-1和41-2之间的电压。电压变化可以改变液晶分子的旋转角度(如图3B所示)，从而改变E光轴的折射率。出射光中O光和E光之间的相位差与控两个电极加载电压之间的关系为：

$\mathrm{\δ}\left(v\right)=\frac{2\mathrm{\π}[n_E\left(v\right)-n_O]}{\mathrm{\λ}}.$

反射式空间光调制器采用寻址电压的方式控制其各个单元，所以能够通过编程的方式对入射至反射式空间光调制器的光束相位进行控制。目前市场上的纯相位反射式空间光调制器产品大多是液晶型，主要生产厂商有德国的HOLOEYE公司和美国的BNS公司，相位调制能力与入射波长有关，一般大于2π。

本发明所述装置中的反射式空间光调制器不应认为只能采用上述基于液晶的反射式空间光调制器，还包括采用光弹效应、磁光效应等反射式纯相位型空间光调制器。

图4表示四分之一波片与反射式空间光调制器光轴关系图。图中QA表示四分之一波片O光轴方向，MA表示反射式空间光调制器O光轴方向。四分之一波片与反射式空间光调制器组合的琼斯矩阵为：

$G=\left[\begin{array}{cc}\cos (\mathrm{\δ}-90)& \sin (\mathrm{\δ}-90)\\ -\sin (\mathrm{\δ}-90)& \cos (\mathrm{\δ}-90)\end{array}\right]$

其中：δ为反射式空间光调制器单元的相位延迟量。

该矩阵表达式表明，四分之一波片和反射式空间光调制器组合能够使线偏振光的偏振方向旋转，旋转角度跟相位延迟量有关。当入射光的偏振方向与Y轴平行时，出射光线的偏振方向为(δ-90)。

图5为采用本发明所形成的切向偏振分布示意图。根据计算，反射式空间光调制器上坐标为(r,θ)的单元设置相位延迟函数为δ(r,θ)=θ。

图6为采用本发明所形成的径向偏振分布示意图。根据计算，反射式空间光调制器上坐标为(r,θ)的单元的相位延迟函数为δ(r,θ)=θ+90°，当δ超过2π时，可分段设置相位延迟量。当0≤θ＜180°时，设置坐标为(r,θ)的单元延迟量为δ(r，θ)=θ+90°；当180°≤θ＜360°时，设置对应单元延迟量δ(r,θ)=θ-90°。

Claims (4)

1.一种改变光束偏振方向二维分布的装置，其特征在于其构成包括沿入射光束方向依次是起偏器（1）、四分之一波片（3）和反射式空间光调制器（4），该反射式空间光调制器（4）的控制端与控制器（5）的输出端相连，入射光束（11）通过所述的起偏器（1）起偏后形成线偏振光（12），该线偏振光（12）的偏振方向与Y轴平行，垂直地入射到所述的四分之一波片（3）上，该四分之一波片（3）的O光的光轴与Y轴的夹角设为45°或-45°。

2.根据权利要求1所述的改变光束偏振方向二维分布的装置，其特征在于，在所述的起偏器（1）和四分之一波片（3）之间设有消偏振分光棱镜（2）。

3.根据权利要求1或2所述的改变光束偏振方向二维分布的装置，其特征在于，所述的起偏器（1）是偏振片、尼科耳棱镜、格兰棱镜或沃拉斯顿棱镜。

4.根据权利要求1至3任一项所述的改变光束偏振方向二维分布的装置，其特征在于，所述的反射式空间光调制器（4）为液晶的反射式空间光调制器、光弹效应反射式纯相位型空间光调制器或磁光效应反射式纯相位型空间光调制器。

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