CN103293696A

CN103293696A - 基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置

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Publication number: CN103293696A
Application number: CN2013102019883A
Authority: CN
Inventors: 陈小明; 白晋涛
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-27
Also published as: CN103293696B

Abstract

本发明涉及一种基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，包括基模线偏振激光光源、二分之一波片、两个偏振分光棱镜、两个全反镜、两个非连续波片和电光相位调制器；基模线偏振激光光源产生的基模高斯光束经二分之一波片和第一偏振分光棱镜分成两路正交线偏振光；垂直偏振光经45°第一全反镜和第一非连续波片后转换成TEM₀₁垂直偏振光；水平偏振光则经过第二非连续波片后转换成TEM₁₀水平偏振光，TEM₁₀水平偏振光经过电光相位调制器和45°放置的第二全反镜反射后与TEM₀₁垂直偏振光在第二偏振分光棱镜处同轴相干叠加生成矢量偏振光。该装置可产生任意φ₀和δ组合的矢量光束，并可实现不同矢量光之间的连续快速转换。

Description

基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置

技术领域

本发明属于干涉合成矢量光束技术领域，具体涉及一种基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置。

背景技术

矢量光束不同于通常的偏振光（线偏振、圆偏振和椭圆偏振），其偏振态分布在横截面内随位置是变化的。作为矢量光束的两个特例，径向和角向偏振光空间各处的偏振态分别沿径向和角向分布，光强分布均为中空环状。由于其独特的偏振分布特点，径向偏振光在消球差高数值孔径透镜聚焦下，在焦点处产生很强的纵向电场分量且焦点光斑很小；而角向偏振光则在焦点处产生很强的纵向磁场分量，光强依然为中空分布。除了这两种常见的矢量光束，广义柱矢量光束和混合矢量光束也受到广泛研究。其中，广义柱矢量光束是指偏振态与径向成一定角度的矢量光，其可在径向或者角向偏振光的基础上，经过两个二分之一波片转换而来；混合矢量光束是指偏振态同时包括线偏振、圆偏振和椭圆偏振的矢量光，其也可通过径向或者角向偏振光转换而来。由于矢量光束独特的偏振态分布和紧聚焦特性，其在金属切割、粒子加速、粒子捕获和操控、非线性光学、粒子取向分析和与电磁材料相互作用中有着广泛的应用价值。

通常，产生矢量光束的方法主要可以分成两类：一类是通过精确设计激光谐振腔或者在腔内加入特殊的光学元件，如布儒斯特锥、全息光栅，从而达到选择特定激光偏振模振荡的作用；另外一类是通过加螺旋相位板、电光相位延迟器、波片或者采用干涉方法将输入的高斯激光束转换成具有特定偏振分布的矢量光。但是，大部分方法只能产生某一特定偏振分布的矢量光束，要产生其他种类的矢量光需要对装置进行大的改进，使用很不方便。Zhan等人（Q.Zhan et al.,Opt.Express10，324(2002)）提出将径向或角向偏振光通过两个二分之一波片，旋转两波片的主轴夹角即可获得任意广义柱矢量光束；Lerman等人（G.M.Lerman et al.,Opt.Express18,27650(2010).）提出将径向或角向偏振光通过波片，接着改变波片的主轴方向或者改变波片的相位延迟量就可以得到不同种类的混合偏振光束.这两种方法都是在产生经典径向或角向偏振光的基础上，采用波片将现成的径向或角向偏振光转换成不同类型的矢量偏振光，装置复杂，增加了成本和光路调节难度。

干涉方法产生矢量光束，是通过一对正交偏振光（如水平和垂直线偏振，左旋和右旋圆偏振）的相干叠加来实现的。径向和角向偏振光即可通过两束相位差为零的正交线偏振TEM₀₁光相干叠加产生，而广义的两束正交线偏振TEM₀₁模的矢量叠加过程可以表示成：

其中E_10,x和E_01,y为水平和垂直偏振模的振幅；φ₀为TEM₀₁模两瓣连线方向与水平/垂直方向的夹角；δ为两束光的相位差；r，为极坐标系；ωt为场相位。上式中任意一组φ₀和δ的组合对应一特定的偏振分布矢量光，其中φ₀的取值范围为[0,180°)，δ的取值范围为[-π,π)。因此，只需改变φ₀和δ，在同一干涉装置中可以直接获得不同的矢量光。Maurer课题组（C.Maurer et al.，New J.Phys.9，78(2007))和Wang研究小组(X.-L.Wanget al.，Opt.Lett.32，3549(2007))分别提出在干涉装置中加入空间光调制器，从而产生不同类型的矢量光束。这种方法虽然能实现多种矢量光的产生，满足一定的使用需求，但光路调节复杂，无法在不同类型的矢量光之间进行连续快速转换。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种简便的基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，该装置可产生任意φ₀和δ组合的矢量光束，并可实现不同矢量光之间的连续快速转换。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于马赫曾德干涉仪产生任意矢量光束的装置，其特征在于，包括基模线偏振激光光源、二分之一波片、第一偏振分光棱镜、第一全反镜、第一非连续波片、第二非连续波片、电光相位调制器、第二全反镜和第二偏振分光棱镜；基模线偏振激光光源产生的基模高斯光束经旋转二分之一波片后，在第一偏振分光棱镜处分成垂直线偏振光和水平线偏振光；其中，垂直线偏振光经45°放置的第一全反镜后，经过第一非连续波片转换成TEM₀₁垂直偏振光；而水平线偏振光则经第二非连续波片转换成TEM₁₀水平偏振光；接着TEM₁₀水平偏振光经过电光相位调制器，最后经45°放置的第二全反镜反射后与TEM₀₁垂直偏振光在第二偏振分光棱镜处同轴相干叠加生成矢量偏振光。

本发明的基于马赫曾德干涉仪产生任意矢量光束的装置，可干涉产生任意φ₀∈[0,180°)和δ∈[-π,π)的矢量偏振光束；更重要的是该装置光路简单，一次调节好后，只需同方向旋转两个非连续波片和改变加载在电光相位调制器上的电压即可实现对矢量光束偏振态的快速调控。

附图说明

图1为本发明的基于马赫曾德干涉仪产生任意矢量光束的装置结构示意图；

图2为非连续波片和电光相位调制器的结构示意图，其中，图（a）为非连续波片，图（b）为电光相位调制器；

图3为两束正交线偏振光的相干矢量叠加过程示意图片；

图4为利用本发明的基于马赫曾德干涉仪产生任意矢量光束的装置，在固定非连续波片与坐标轴夹角φ₀＝0°时，生成的矢量光的偏振态分布；

图5为利用本发明的基于马赫曾德干涉仪产生任意矢量光束的装置，在固定非连续波片与坐标轴夹角φ₀＝90°时，生成的矢量光的偏振态分布；

图6为利用本发明的基于马赫曾德干涉仪产生任意矢量光束的装置，在固定非连续波片与坐标轴夹角φ₀＝0°时，δ＝0和π/2两种情况下测得的矢量光强度分布以及经过线偏振片后的强度分布图。

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

具体实施方式

如图1所示，本实施例给出一种基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，包括基模线偏振激光光源1、二分之一波片2、第一偏振分光棱镜3、第一全反镜6、第一非连续波片7、第二非连续波片8、电光相位调制器9、第二全反镜10和第二偏振分光棱镜11。

基模线偏振激光光源1产生的基模高斯光束经二分之一波片2后，在第一偏振分光棱镜3处分成垂直线偏振光和水平线偏振光；其中，垂直线偏振光经45°放置的第一全反镜6后，经过第一非连续波片7转换成TEM₀₁垂直偏振光4；而水平线偏振光则经第二非连续波片8转换成TEM₁₀水平偏振光5；接着TEM₁₀水平偏振光5经过电光相位调制器9，最后经45°放置的第二全反镜10反射后与TEM₀₁垂直偏振光4在第二偏振分光棱镜11处同轴相干叠加生成矢量偏振光。

本实施例中，所述的基模线偏振激光光源1是气体激光光源、半导体激光光源、全固态激光光源或光纤激光光源。

所述的二分之一波片2用于调节垂直线偏振光和水平线偏振光的振幅至相同。

如图2（a）所示，第一、二非连续波片（7，8）的两半之间存在特定高度差，以使得光束两半之间产生π的相对相位差，从而将基模高斯光束转换成TEM₀₁垂直偏振光4和TEM₁₀水平偏振光5；且第一非连续波片7和第二非连续波片8垂直放置；且可手动或者使用电机同方向旋转第一非连续波片7和第二非连续波片8，可快速连续调节TEM₀₁垂直偏振光4两瓣连线方向与光束偏振方向的夹角φ₀。

如图2（b）所示，所述的电光相位调制器9由电光晶体12和驱动电源13组成；水平线偏振光的偏振方向平行于电光晶体12的晶轴z入射，调节驱动电源13上的电压值可任意改变TEM₀₁垂直偏振光4与TEM₁₀水平偏振光5之间的相位差δ。

上述电光晶体12可以选择KDP晶体或LiNbO3晶体。

本实施例中，第一、二全反镜（6、10）采用平平镜，且均镀有对应激光光源波段的45°高反膜。

图3所示为TEM₀₁垂直偏振光4和TEM₁₀水平偏振光5的矢量叠加过程示意图，两振幅相等模场垂直TEM₀₁垂直偏振光4和TEM₁₀水平偏振光5叠加可生产中空的环形矢量光场。调节二分之一波片2保证两束光的振幅相同；垂直放置第一、第二非连续波片（7，8）保证两束光的模场垂直；为实现φ₀的连续调节，可手动或者使用电机同方向旋转第一、第二非连续波片（7，8）；为实现δ的连续调节，调节驱动电源13上的电压值，电压驱动源13可以是直流稳压电源也可以是高频信号电源。

利用上述基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，在固定非连续波片与坐标轴夹角φ₀＝0°时，生成的矢量光的偏振态分布图如图4所示，相位差δ分别为±π、±3π/4、±π/2、±π/4和0。在相位差δ=0时，生成的矢量光即为经典的径向偏振光，空间各处均为线偏振且沿径向方向；δ=±π时，各处偏振态依然为线偏振；δ=±3π/4和±π/4时，除了水平和垂直坐标轴上为线偏振外，其他位置均为椭圆偏振，且第一/三象限偏振旋转方向及长轴倾斜方向与第二/四象限的相反；δ=±π/2时，水平和垂直坐标轴上为线偏振，而45°、135°、225°和315°方位均为圆偏振，其他位置均为椭圆偏振，且第一/三象限偏振旋转方向与第二/四象限的相反、主轴均沿坐标轴。

利用上述基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，在固定非连续波片与坐标轴夹角φ₀＝90°时，生成的矢量光的偏振态分布图如图5所示，相位差δ分别为±π、±3π/4、±π/2、±π/4和0。在相位差δ=0时，生成的矢量光即为经典的角向偏振光，空间各处均为线偏振且沿角向方向；δ=±π时，各处偏振态依然为线偏振；δ=±3π/4和±π/4时，除了水平和垂直坐标轴上为线偏振外，其他位置均为椭圆偏振，且第一/三象限偏振旋转方向及长轴倾斜方向与第二/四象限的相反；δ=±π/2时，水平和垂直坐标轴上为线偏振，而45°、135°、225°和315°方位均为圆偏振，其他位置均为椭圆偏振，且第一/三象限偏振旋转方向与第二/四象限的相反、主轴均沿坐标轴。

利用上述基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，在固定非连续波片与坐标轴夹角φ₀＝0°时，δ＝0和π/2两种情况下实际测得的矢量光强度分布以及经过线偏振器后的强度分布图如图6所示。图6中的（a）图～（d）图表示δ＝0的光强分布图，图6中的（e）图～（h）图表示δ＝π/2的光强分布图，箭头表示线偏振器透光方向。

Claims

1.一种基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，其特征在于，包括基模线偏振激光光源（1）、二分之一波片（2）、第一偏振分光棱镜（3）、第一全反镜（6）、第一非连续波片（7）、第二非连续波片（8）、电光相位调制器（9）、第二全反镜（10）和第二偏振分光棱镜（11）；基模线偏振激光光源（1）产生的基模高斯光束经二分之一波片（2）后，在第一偏振分光棱镜（3）处分成垂直线偏振光和水平线偏振光；其中垂直线偏振光经45°放置的第一全反镜（6）后，经过第一非连续波片（7）转换成TEM₀₁垂直偏振光（4）；而水平线偏振光则经第二非连续波片（8）转换成TEM₁₀水平偏振光（5）；接着TEM₁₀水平偏振光（5）经过电光相位调制器（9），最后经45°放置的第二全反镜（10）反射后与TEM₀₁垂直偏振光（4）在第二偏振分光棱镜（11）处同轴相干叠加生成矢量偏振光。

2.如权利要求1所述的基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，其特征在于，所述的基模线偏振激光光源（1）是气体激光光源、半导体激光光源、全固态激光光源或光纤激光光源。

3.如权利要求1所述的基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，其特征在于，所述的二分之一波片（2）用于调节垂直线偏振光和水平线偏振光的振幅至相同。

4.如权利要求1所述的基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，其特征在于，所述的第一、二非连续波片（7、8）的两半之间存在特定高度差，以使得光束两半之间产生π的相对相位差，从而将基模高斯光束转换成TEM₀₁垂直偏振光（4）和TEM₁₀水平偏振光（5）；且第一非连续波片（7）和第二非连续波片（8）垂直放置；且可手动或者使用电机同方向旋转第一非连续波片（7）和第二非连续波片（8）。

5.如权利要求1所述的基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，其特征在于，所述的电光相位调制器（9）由电光晶体（12）和驱动电源（13）组成；所述的水平线偏振光的偏振方向平行于电光晶体（12）的晶轴z入射，调节驱动电源（13）上的电压值可任意改变TEM₀₁垂直偏振光（4）与TEM₁₀水平偏振光（5）之间的相位差。

6.如权利要求5所述的基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，其特征在于，所述的电光晶体（12）是KDP晶体或LiNbO3晶体。

7.如权利要求1或5所述的基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，其特征在于，所述的驱动电源（13）是直流稳压电源或者是高频信号电源。

8.如权利要求1所述的基于马赫曾德干涉仪生成任意矢量光束的装置，其特征在于，所述的第一、二全反镜（6、10）为平平镜，且均镀有对应激光光源波段的45°高反膜。