CN103424870A - 产生柱矢量光束的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种产生柱矢量光束的装置，其特征在于，包括：可调扩束镜，将入射光束转化为平行光束；向外反射镜，与可调扩束镜共有一个中心轴，用于对平行光束进行反射使其成为沿中心轴的垂直方向射向中心轴的向外反射光束；双折射晶体圆锥体，共有上述中心轴，具有容纳向外反射镜的中空部以及环绕向外反射镜的锥壁部，对向外反射光束进行双折射使其成为高偏振光束；向内反射组件，共有上述中心轴，具有容纳双折射晶体圆锥体的中空部以及环绕双折射晶体圆锥体的壁部，对高偏振光束进行反射使其成为沿中心轴的垂直方向射向中心轴的圆环形高偏振度柱矢量光束；反射镜，共有上述中心轴，把圆环形高偏振度柱矢量光束反射为以中心轴为中心的柱矢量光束。

Description

产生柱矢量光束的装置及方法

技术领域

一种光束产生装置及方法，特别是一种产生柱矢量光束的装置及方法。

技术背景

柱矢量光束（cylindrical vector beam）由于具有特殊的光束聚焦性质和传播特性可应用到光信息存储、光学显微、平版印刷术，激光加工、光学微操纵、超分辨、光与物质相互作用等光学系统。

例如，旋转矢量偏振光束可应用于光学显微系统中实现超分辨效应，因为一定的旋转矢量偏振光束经过聚焦后焦点比同一聚焦系统中线偏振光束聚焦的焦点的横向光斑小，实现超分辨效果。柱矢量光束的产生系统是研究和利用旋转矢量偏振光束的必备前提条件。

在先技术中，存在柱矢量光束产生方法，参见中国发明专利“可调式矢量光束整形系统”，专利号：ZL200410052913.4，该方法存在一些本质不足，主要为：1）所需要必备的条件是系统入射光束需要为旋转矢量偏振光束的特殊形式，比如径向偏振光束或方位角偏振光束，然而，径向偏振光束和方位角偏振光束的产生也属于旋转矢量偏振光束产生范畴，无法实现非旋转矢量偏振光束转化为旋转矢量偏振光束，本质上决定无法实现非相干入射光束向旋转矢量偏振光束的转化过程，对入射光束要求高；2）无法实现出射光束与入射光束相对的光束横向扩束效应，无法调节出射光束外形尺寸，限制了应用范围；3）无法实现圆环光形矢量光束，对聚焦光学系统中聚焦物镜的高数值孔径区域使用效率低。

国外也有柱矢量光束产生方法公布，参见美国专利US7599069B2，专利名称：Vector beam generator using a passively phase stableoptical interferometer，此方法具有结构复杂、利用光学相干原理导致系统定位要求高、所需要的衍射光学元件不易获得、矢量光束偏振度低等不足。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种产生柱矢量光束的装置，其特征在于，包括：

可调扩束镜，将入射光束转化为平行光束；向外反射镜，与可调扩束镜共有一个中心轴，用于对平行光束进行反射使其成为沿中心轴的垂直方向射向中心轴的向外反射光束；双折射晶体圆锥体，共有中心轴，具有容纳向外反射镜的中空部以及环绕向外反射镜的锥壁部，对向外反射光束进行双折射使其成为高偏振光束；向内反射组件，共有中心轴，具有容纳双折射晶体圆锥体的中空部以及环绕双折射晶体圆锥体的壁部，对高偏振光束进行反射使其成为沿中心轴的垂直方向射向中心轴的圆环形高偏振度柱矢量光束；反射镜，共有中心轴，把圆环形高偏振度柱矢量光束反射为以中心轴为中心的柱矢量光束。

本发明提供的产生柱矢量光束的装置，其特征还在于：其中，向外反射镜的直径为8.5mm，其横切面顶角为90°。

本发明提供的产生柱矢量光束的装置，其特征还在于：其中，双折射晶体圆锥体的内曲面为圆柱面，外曲面为圆锥面,双折射晶体圆锥体的外曲面与中心轴的夹角处于折射晶体的两个折射率参数对应的两个光学全反射角度范围内。

本发明提供的产生柱矢量光束的装置，其特征还在于：其中，双折射晶体圆锥体的外曲面与中心轴的夹角为40°，中空部直径为8.5mm，锥壁部外直径为11.33mm。

本发明提供的产生柱矢量光束的装置，其特征还在于：其中，双折射晶体圆锥体的材料为双折射各向异性光学材料。

本发明提供的产生柱矢量光束的装置，其特征还在于：其中，反射镜与其中向外反射镜机械参数相同。

本发明提供的产生柱矢量光束的装置，其特征还在于：其中，向内反射组件包括至少一个向内反射镜。

本发明提供的产生柱矢量光束的装置，其特征还在于：其中，柱矢量光束的传播方向上沿中心轴对称放置入射二分之一波片和出射二分之一波片，使其成为以中心轴为中心的特殊偏振态柱矢量光束。

一种通过权利要求1装置产生柱矢量的方法，其特征在于，包括：

通过可调扩束镜，使入射光束转化为平行光束；

通过与可调扩束镜共有一个中心轴的向外反射镜，对平行光束进行反射使其成为沿中心轴的垂直方向射向中心轴的向外反射光束；

通过与上述中心轴共有一个中心轴且具有容纳向外反射镜的中空部以及环绕向外反射镜的锥壁部的双折射晶体圆锥体，对外反射光束进行双折射使其成为高偏振光束；

通过与上述中心轴共有一个中心轴且具有容纳双折射晶体圆锥体的中空部以及环绕双折射晶体圆锥体的壁部的内反射组件，对高偏振光束进行反射使其成为沿中心轴的垂直方向射向中心轴的圆环形高偏振度柱矢量光束；

通过与上述中心轴共有一个中心轴的反射镜，将圆环形高偏振度柱矢量光束反射为以中心轴为中心的柱矢量光束。

本发明提供的产生柱矢量光束的装置，其特征还在于：通过沿中心轴对称放置的入射二分之一波片和出射二分之一波片，对柱矢量光束进行偏振态调节使其成为特殊偏振态柱矢量光束。

发明效果与作用

综上所述，本发明提供的产生柱矢量光束的装置及方法可以实现非旋转矢量偏振光束向柱矢量圆环形光束的转化，对入射光束的偏振态的限制少，对入射光束要求低，使用便利，操作简单、稳定性和可靠性高，且可以调节柱矢量光束的偏振态分布和出射光束横向尺寸，调节方法简单便利。

附图说明

图1为本发明在本实施例中的产生柱矢量光束的装置的结构示意图。

图2(a)为本发明在本实施例中的方位偏振光。

图2（b）为本实施例中的旋转对称的柱矢量光束。

图2（c）为本实施例中的径向偏振光。

为本发明在本实施中的产生柱矢量光束的装置产生的柱矢量光束示意图。

1-可调扩束镜    2-向外反射镜

3-双折射晶体圆锥体    4-第一向内反射镜

5-第二向内反射镜    6-反射镜

7-旋涡型相位板    8-入射二分之一波片

9-出射二分之一波片

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的产生柱矢量光束的装置及方法作详细阐述。

实施例

图1为本发明在本实施例中的产生柱矢量光束的装置的结构示意图。如图1所示，可调扩束镜1为伽利略型。

向外反射镜2的直径为8.5mm，其横切面顶角为90°，向外反射镜2的圆锥顶点指向光入射方向，且与可调扩束镜1共有一个中心轴。

双折射晶体圆锥体3与上述可调扩束镜1共有一个中心轴，具有容纳向外反射镜2的中空部以及环绕向外反射镜2的锥壁部。该双折射晶体圆锥体3的内曲面为圆柱面，外曲面为圆锥面,上述外曲面与中心轴9的夹角处于折射晶体的两个折射率参数对应的两个光学全反射角度范围内。上述外曲面与中心轴的夹角为40°，中空部直径为8.5mm，锥壁部外直径为11.33mm。双折射晶体圆锥体3的材料为双折射各向异性光学材料。

向内反射组件设有第一向内反射镜4与第二向内反射镜5，第一向内反射镜4、第二向内反射镜5与上述可调扩束镜1共有一个中心轴，具有容纳双折射晶体圆锥体3的中空部以及环绕双折射晶体圆锥体3的壁部。

反射镜6与上述可调扩束镜1共有一个中心轴，且与其中向外反射镜2机械参数相同。

柱矢量光束的传播方向上沿中心轴对称放置入旋涡型相位板7、入射二分之一波片8、出射二分之一波片9。

步骤1，将入射光束经过可调扩束镜1，使入射光束转化为平行光束并射向向外反射镜2。

步骤2，向外反射镜2对平行光束进行反射使其成为沿中心轴的垂直方向射向中心轴的向外反射光束，光束经过向外反射镜2反射后形成径向传播光束，此时，入射光束所在系统坐标系(x,y,z)与经过向外反射镜2反射之后的坐标系绕z轴旋转为

其中

轴正方向与z轴正方向相同，根据琼斯矩阵原理，坐标系旋转矩阵

可表示为：

此外，根据光路转折关系，向外反射镜2与向内反射镜4的矩阵T₂、T₄表示为：

$T_2=T_4=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\\ 0& 1& 0\\ 1& 0& 0\end{array}\right];$

步骤3,双折射晶体圆锥体3的外曲面与上述中心轴的夹角α处于双折射晶体的寻常光与非寻常光所对应的两个光学全反射角度范围内，如果寻常光折射率n_o大于非寻常光折射率n_e，寻常光与非寻常光所对应的全反射角分别为α_o、α_e，其中α_o=asin(1/n_o)、α_e=asin(1/n_e)，因为α大于寻常光的全反射角α_o，小于非寻常光的全反射角α_e，所以向外反射光束经过双折射晶体圆锥体3后寻常光全反射，而非寻常光透射，由于寻常光与非寻常光均为线偏振光，由此得到由非寻常光所组成的高偏振光束；反之，如果寻常光折射率n_o小于非寻常光折射率n_e，则得到由寻常光所组成的高偏振光束。

寻常光与非寻常光分别是沿着其所在坐标系的x轴及y轴偏振光，由于入射光束坐标系经向外反射镜2反射后转换成左手坐标系，即由入射坐标系(x,y,z)转换为(z,y,x)，因此，针对不同材料的双折射晶体圆锥体3，其矩阵表示可分为以下两种情况：

第一种是寻常光折射率n_o小于非寻常光折射率n_e，即得到寻常光所组成的高偏振光束，此时矩阵表示P_o为：

$P_o=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

第二种是寻常光折射率n_o大于非寻常光折射率n_e，即得到寻常光所组成的高偏振光束，此时矩阵表示P_e为：

$P_e=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right];$

本实施例中，双折射晶体圆锥体3材料采用方解石，而方解石所对应的寻常光折射率n_o大于非寻常光折射率n_e，即双折射晶体圆锥体3矩阵表示应为P_e，向外反射光束经过双折射晶体圆锥体3后得到由非寻常光所组成的高偏振光束。

步骤4,由双折射晶体圆锥体3出射的高偏振光束经过第一向内反射镜4反射后，光束所在坐标系绕Z轴旋转

角转换成系统坐标系,最终高偏振光束合成为圆环形高偏振度柱矢量光束；因此，由向外反射镜、双折射晶体圆锥体3和第一向内反射镜4组成总的矩阵表示可分为以下两种情况：

第一种是双折射晶体圆锥体3所对应的寻常光折射率n_o小于非寻常光折射率n_e，此时总的矩阵表示为

因为M_o第三行第三列均为0，所以M_o可表示为二维矩阵形式，即

第二种是双折射晶体圆锥体3所对应的寻常光折射率n_o大于非寻常光折射率n_e，此时总的矩阵表示为

同理，

若入射光束偏振态为E_i=[1hi]^T，其中h为实数，T代表转置矩阵，则对于第一种情况而言，从第一向内反射镜4出射光束偏振态E_o=M_oEi为：

对于第二种情况而言，从第一向内反射镜4出射光束偏振态E_e=M_eEi为：

其中，E_e代表具有相位调制因子

的方位偏振光，其偏振方向如图3a所示；而E_o代表具有相位调制因子的径向偏振光,其偏振方向如图3c所示，图3中箭头为光束偏振方向。

本实施例中，双折射晶体圆锥体3材料为方解石，则得到出射光束为由非寻常光组成的高偏振光束，该光束经过第一向内反射镜4反射后形成圆环形高偏振度柱矢量光束偏振态为E_e,如图3a所示，光束偏振方向沿着光束半径切线方向，即得到方位偏振光；

步骤5,圆环形高偏振度柱矢量光束经过第二向内反射镜5和反射镜6后得到以中心轴为中心的柱矢量光束，该柱矢量光束光束尺寸可以自由调制。若入射光束偏振态E_i中h=1，则E_o、E_e相位调制因子可分别化简为和

针对以上两种情况产生的柱矢量偏振光，旋涡型相位板7透过率分别取和

则经过旋涡型相位板7的出射光束矩阵表示分别为

和

即

E_r、E_a分别为设有相位调制因子的圆环形高偏振度径向偏振光束及方位偏振光。

本实施例中，第二向内反射镜5利用材料内全反射圆锥面实现，反射镜6与向外反射2镜机械参数相同，因为从圆锥面反射镜6出射光束的偏振态为E_e，旋涡型相位板7的透过率取

则可得到无相位调制因子的圆环形高偏振度柱矢量光束E_a。通过调节本方法中的轴向位置可以调节出射光束尺寸。

在本实施例中，在旋涡型相位板7的出射光束上依次设置有入射二分之一波片8和出射二分之一波片9，则以上两个波片总的矩阵表示N为：

$N=\left[\begin{array}{cc}\cos 2\mathrm{\β}& -\sin 2\mathrm{\β}\\ \sin 2\mathrm{\β}& \cos 2\mathrm{\β}\end{array}\right];$

β为入射二分之一波片8和出射二分之一波片9光轴之间的夹角；针对E_r、E_a两种情况，由出射二分之一波片8的出射光束的偏振态分别可表示为E_gr=NE_r和E_ga＝NE_a，即，

由E_gr、E_ga可知，通过调节入射二分之一波片8和出射二分之一波片9光轴之间的夹角β可以改变柱矢量光束偏振态分布，由于本实施例中空双折射晶体圆锥体3材料为方解石，此时，由出射二分之一波片9出射的柱矢量光束偏振态为E_ga；现定义入射二分之一波片8和出射二分之一波片9光轴重合时，β为0；保持入射二分之一波片8光轴不变，转动出射二分之一波片9，当顺时针旋转时，β为正，反之，为负。当β为0度时，由出射二分之一波片9出射的光束偏振态如图3a所示，为方位偏振光；当β为-45度时，由出射二分之一波片9出射的光束偏振态如图3c所示，为径向偏振光；当β为任意值时，由出射二分之一波片9出射的光束偏振态如图3b所示，其光束偏振方向与径向的夹角φ₀等于π/2+2β,由此得到旋转对称的柱矢量光束。以上通过沿中心轴对称放置的入射二分之一波片和出射二分之一波片，对柱矢量光束进行偏振态调节使其成为特殊偏振态柱矢量光束。

实施方式作用与效果

综上所述，本实施例中提供的产生柱矢量光束的装置及方法通过沿中心轴对称放置的反射镜6、入射二分之一波片8、出射二分之一波片9，对柱矢量光束进行偏振态调节使其成为特殊偏振态柱矢量光束从而调节柱矢量光束的偏振态分布和出射光束横向尺寸，调节方法简单便利。

Claims (10)

1.一种产生柱矢量光束的装置，其特征在于，包括：

可调扩束镜，将入射光束转化为平行光束；

向外反射镜，与所述可调扩束镜共有一个中心轴，用于对所述平行光束进行反射使其成为沿所述中心轴的垂直方向射向所述中心轴的向外反射光束；

双折射晶体圆锥体，共有所述中心轴，具有容纳所述向外反射镜的中空部以及环绕所述向外反射镜的锥壁部，对所述向外反射光束进行双折射使其成为高偏振光束；

向内反射组件，共有所述中心轴，具有容纳所述双折射晶体圆锥体的中空部以及环绕所述双折射晶体圆锥体的壁部，对所述高偏振光束进行反射使其成为沿所述中心轴的垂直方向射向所述中心轴的圆环形高偏振度柱矢量光束；

反射镜，共有所述中心轴，把所述圆环形高偏振度柱矢量光束反射为以所述中心轴为中心的柱矢量光束。

2.根据权利要求1所述产生柱矢量光束的装置，其特征在于：

其中，所述向外反射镜的直径为8.5mm，其横切面顶角为90°。

3.根据权利要求1所述产生柱矢量光束的装置，其特征在于：

其中，所述双折射晶体圆锥体的内曲面为圆柱面，外曲面为圆锥面,所述双折射晶体圆锥体的外曲面与中心轴的夹角处于折射晶体的两个折射率参数对应的两个光学全反射角度范围内。

4.根据权利要求3所述产生柱矢量光束的装置，其特征在于：

其中，所述双折射晶体圆锥体的外曲面与中心轴的夹角为40°，中空部直径为8.5mm，锥壁部外直径为11.33mm。

5.根据权利要求1所述产生柱矢量光束的装置，其特征在于：

其中，所述双折射晶体圆锥体的材料为双折射各向异性光学材料。

6.根据权利要求1所述产生柱矢量光束的装置，其特征在于：

其中，所述反射镜与其中所述向外反射镜机械参数相同。

7.根据权利要求1所述产生柱矢量光束的装置，其特征在于：

其中，所述向内反射组件包括至少一个向内反射镜。

8.根据权利要求1所述产生柱矢量光束的装置，其特征在于：

其中，所述柱矢量光束的传播方向上沿中心轴对称放置入射二分之一波片和出射二分之一波片，使其成为以所述中心轴为中心的特殊偏振态柱矢量光束。

9.一种通过权利要求1所述装置产生柱矢量的方法，其特征在于，包括：

通过可调扩束镜，使入射光束转化为平行光束；

通过与所述可调扩束镜共有一个中心轴的向外反射镜，对平行光束进行反射使其成为沿所述中心轴的垂直方向射向所述中心轴的向外反射光束；

通过与所述中心轴共有一个中心轴且具有容纳所述向外反射镜的中空部以及环绕所述向外反射镜的锥壁部的双折射晶体圆锥体，对外反射光束进行双折射使其成为高偏振光束；

通过与所述中心轴共有一个中心轴且具有容纳所述双折射晶体圆锥体的中空部以及环绕所述双折射晶体圆锥体的壁部的内反射组件，对所述高偏振光束进行反射使其成为沿所述中心轴的垂直方向射向所述中心轴的圆环形高偏振度柱矢量光束；

通过与所述中心轴共有一个中心轴的反射镜，将所述圆环形高偏振度柱矢量光束反射为以所述中心轴为中心的柱矢量光束。

10.根据权利要求9所述产生柱矢量的方法，其特征在于：

通过沿所述中心轴对称放置的入射二分之一波片和出射二分之一波片，对所述柱矢量光束进行偏振态调节使其成为特殊偏振态柱矢量光束。

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