CN104536164A - 一种基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统及方法，包括激光器、空间光调制器、第一共焦透镜、圆孔光阑、第二共焦透镜、位相型朗奇光栅、磁光效应装置，其中激光器发出的激光经扩束镜后准直后形成入射光束，入射光束入射到空间光调制器，通过第一共焦透镜后，经过圆孔光阑选级，再经过两个波片形成左旋和右旋的两束圆偏振光，两束圆偏振光通过第二共焦透镜聚焦，再经过位相型朗奇光栅形成径向矢量偏振光束，径向矢量偏振光束通过磁光效应装置能形成其他类型的矢量偏振光束。本发明只需通过调节磁光效应装置的高频线圈电流就能对入射的矢量偏振光束的偏振方向进行调制，从而对矢量偏振光束之间进行转换，可靠性高、操作简易、转换类型多。

Description

一种基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统及方法

技术领域

本发明是一种基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统及方法，尤其涉及矢量偏振光束的空间调制系统及方法，基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统及方法的创新技术。

背景技术

矢量偏振光束(VPB)的空间偏振分布引起的特殊性质，使其与线偏振光、圆偏振光有许多显著的不同，引起业内研究人员的广泛关注。矢量偏振光束在多种领域有广泛的应用，例如引导和捕捉粒子、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)等方面。随着人们对矢量偏振光束认识的不断深入，它将在越来越多的领域得到广泛应用。至今为止，产生矢量偏振光束的实验方法有很多种，且已有较成熟的仪器，这些仪器通常只能直接产生单一的矢量偏振光束，如径向矢量偏振光束或角向矢量偏振光束。研究试验中，经常通过加入两个半波片实现对径向矢量偏振光束和角向矢量偏振光束进行相互转换。

然而，这种转换方法并不方便，因为利用半波片只能进行径向矢量偏振光束和角向矢量偏振光束之间的转换，当研究人员需要使用其他类型的矢量偏振光束时，就必须重新设计实验光路来产生所需的矢量偏振光束，而无法通过简单地调整波片使已知的矢量偏振光束变更为研究所需的其他类型的矢量偏振光束。

发明内容

本发明针对上述缺点提出了一种基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统。本发明设计合理，结构简单，方便实用。

本发明的另一目的是提出一种基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统的调制方法。本发明操作简单，调节方便，能将入射的矢量偏振光束转换成其他类型的矢量偏振光束，弥补目前其他转换方法中采用波片作为转换器件，且只能转换成单一矢量偏振光束的不足。

本发明的技术方案是：包括有激光器、空间光调制器、第一共焦透镜、圆孔光阑、第二共焦透镜、位相型朗奇光栅、磁光效应装置，其中激光器发出的激光经扩束镜后准直后形成入射光束，入射光束入射到空间光调制器，通过第一共焦透镜后，经过圆孔光阑选级，再经过两个波片形成左旋和右旋的两束圆偏振光，两束圆偏振光通过第二共焦透镜聚焦，再经过位相型朗奇光栅形成径向矢量偏振光束，径向矢量偏振光束通过磁光效应装置能形成其他类型的矢量偏振光束。

本发明基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统的调制方法，包括如下步骤：

1)激光光束入射到由空间光调制器、第一共焦透镜、圆孔光阑、第二共焦透镜、位相型朗奇光栅组成的4f光学系统后产生径向矢量偏振光束；

2)径向矢量偏振光束入射到磁光效应装置，通过控制缠绕在磁光效应装置所设的磁光介质表面的高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度H,根据光的偏振面旋转角度θ与磁光介质长度L及其磁场强度H的关系：θ＝KHL,K为维尔德常数，调节磁光效应装置的高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度，从而改变光束的偏振方向。

本发明的有益效果是：本发明利用磁光效应和电场使晶体产生的电光效应相似的特点，磁场也能使晶体产生光的各向异性。磁光效应中的一个现象就是法拉第效应，当光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播时，线偏振光的偏振面发生旋转。而磁光调制利用的就是法拉第电磁旋光效应，通过控制电信号改变入射光的偏振方向。磁光效应装置一般由磁光介质(可以是钻石、石英、重火石玻璃等材料)、高频线圈和调制电源组成，当光通过磁光介质时，通过控制高频线圈电流，改变磁光介质中的磁场强度使光的偏振面发生旋转。本发明用磁光效应装置替代半波片，将入射磁光效应装置的径向偏振光转换成角向偏振光。通过控制、调节输入的电信号，可以任意调节光束的偏振方向，因此磁光效应装置还能使入射的径向偏振光变成广义轴对称向矢量偏振光束。本发明基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统调节方便，操作简单，能够比较简单地将入射的矢量偏振光束转换成其他类型的矢量偏振光束，弥补目前其他转换方法中采用波片作为转换器件，且只能转换成单一矢量偏振光束的不足。

附图说明

图1是本发明实现的流程图。

图2是本发明产生实验所需的径向矢量偏振光束的光路图。

图3是径向矢量偏振光束通过磁光效应装置对偏振方向进行调制的原理图。

具体实现方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明一种基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统实现的流程图。激光通过4f光学系统后产生径向矢量偏振光束，该径向矢量偏振光束入射到磁光效应装置，通过调节磁光效应装置的高频线圈电流，可改变轴向信号磁场强度，从而改变径向矢量偏振光束的偏振方向，产生角向矢量偏振光束或其他类型的矢量偏振光束。

图2是本发明产生实验所需的径向矢量偏振光束的光路图，包括有激光器、空间光调制器、第一共焦透镜、圆孔光阑、第二共焦透镜、位相型朗奇光栅、磁光效应装置，其中激光器发出的激光经扩束镜后准直后形成入射光束，入射光束入射到空间光调制器，通过第一共焦透镜后，经过圆孔光阑选级，再经过两个波片形成左旋和右旋的两束圆偏振光，两束圆偏振光通过第二共焦透镜聚焦，再经过位相型朗奇光栅形成径向矢量偏振光束，径向矢量偏振光束通过磁光效应装置能形成其他类型的矢量偏振光束。

上述激光器是氦氖激光器。

上述氦氖激光器的波长是632.8nm。

上述空间光调制器为加载了全息图的空间光调制器。

上述空间光调制器为透射型空间光调制器。

上述两个波片是两个四分之一波片或者二分之一波片。

上述波长632.8nm的氦氖激光器发出激光经扩束镜然后准直后形成入射光束1，入射到加载了全息图的空间光调制器2，通过第一共焦透镜3后，经过圆孔光阑4选级，再经过两个四分之一波片或者二分之一波片形成左旋和右旋两束圆偏振光，接着通过第二共焦透镜5聚焦，然后经过位相型朗奇光栅6形成径向矢量偏振光束7，最后当径向矢量偏振光束通过磁光效应装置8时，光入射到磁光效应装置8中的磁光介质中，图3是径向矢量偏振光束通过磁光效应装置对偏振方向进行调制的原理图，磁光效应装置是根据以下公式对偏振光的偏振方向进行调制的:

θ＝KHL

其中，θ表示偏振面旋转了θ角，H是电流造成的磁场强度，L表示磁光介质的长度，K为维尔德常数，对一定波长是一个常数，不同材料的K值不同。

本发明的基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统实现的步骤如下：激光光束入射到由空间光调制器、第一共焦透镜、圆孔光阑、第二共焦透镜、位相型朗奇光栅组成的4f光学系统后产生径向矢量偏振光束，然后该光束入射磁光效应装置8，通过控制缠绕在磁光效应装置8所设的磁光介质表面的高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度H,根据上述光的偏振面旋转角度θ与磁光介质长度L及其磁场强度H的关系：θ＝KHL,调节磁光效应装置的高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度，从而改变光束的偏振方向，当θ＝π/2时(即是使入射的径向矢量偏振光束的偏振面旋转π/2)，形成角向矢量偏振光束；当0<θ<π/2时(即是使入射的径向矢量偏振光束的偏振面旋转为其他角度时)，形成广义的轴对称向矢量偏振光束。

以下是理论模拟计算需要用到的公式：

1、广义轴对称向矢量偏振光束光场的表达式：

$\stackrel{\&RightArrow;}{E}(\stackrel{\&RightArrow;}{r},\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&beta;}})=E_0\left(\stackrel{\&RightArrow;}{r}\right)[\stackrel{\&RightArrow;}{r}\cos \mathrm{\&theta;}+\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&beta;}}\sin \mathrm{\&theta;}]$

其中表示径向方向单位矢量，表示角向单位矢量。在光束横截面上，特殊位置的矢量每一点在径向方向上偏离的角度为θ。

2、径向矢量偏振光束光场的表达式：

$\stackrel{\&RightArrow;}{E_1}(\stackrel{\&RightArrow;}{r},\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&beta;}}){|}_{\mathrm{\&theta;}=0}=E_0\left(\stackrel{\&RightArrow;}{r}\right)[\stackrel{\&RightArrow;}{r}\cos \mathrm{\&theta;}+\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&beta;}}\sin \mathrm{\&theta;}]=E_0\left(\stackrel{\&RightArrow;}{r}\right)\left[\stackrel{\&RightArrow;}{r}\right]$

其中表示径向方向单位矢量，表示角向单位矢量，θ等于0°。

3、角向矢量偏振光束光场的表达式：

其中表示径向方向单位矢量，表示角向单位矢量，θ等于π/2。

根据磁光效应装置的原理，可以推算出光经过装置时，径向矢量偏振光束与角向矢量偏振光束光场之间的转换关系：

当入射光线为径向矢量偏振光束时，为了转换为角向矢量偏振光束，则磁光效应装置需使入射光束偏振面旋转π/2，即

为了验证从磁光效应装置出来的光是否与理论推导出来的角向矢量偏振光束或者广义轴对称向矢量偏振光束相一致，可在装置后面加个偏振片，由于不同矢量光束通过该偏振片产生的光斑是不同的，因此，通过分析矢量偏振光束经过偏振片后的光斑图，可以辨别出从磁光效应装置出射的光束是什么类型的矢量偏振光束。

Claims (8)

1.一种基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统,其特征在于包括有激光器、空间光调制器、第一共焦透镜、圆孔光阑、第二共焦透镜、位相型朗奇光栅、磁光效应装置，其中激光器发出的激光经扩束镜后准直后形成入射光束，入射光束入射到空间光调制器，通过第一共焦透镜后，经过圆孔光阑选级，再经过两个波片形成左旋和右旋的两束圆偏振光，两束圆偏振光通过第二共焦透镜聚焦，再经过位相型朗奇光栅形成径向矢量偏振光束，径向矢量偏振光束通过磁光效应装置能形成其他类型的矢量偏振光束。

2.根据权利要求1所述的基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统,其特征在于上述激光器是氦氖激光器。

3.根据权利要求2所述的基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统,其特征在于上述氦氖激光器的波长是632.8nm。

4.根据权利要求1所述的基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统,其特征在于上述空间光调制器为加载了全息图的空间光调制器。

5.根据权利要求4所述的基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统,其特征在于上述空间光调制器为透射型空间光调制器。

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统,其特征在于上述两个波片是两个四分之一波片或者二分之一波片。

7.一种基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统的调制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)激光光束入射到由空间光调制器、第一共焦透镜、圆孔光阑、第二共焦透镜、位相型朗奇光栅组成的4f光学系统后产生径向矢量偏振光束；

2)径向矢量偏振光束入射到磁光效应装置，通过控制缠绕在磁光效应装置所设的磁光介质表面的高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度H,根据光的偏振面旋转角度θ与磁光介质长度L及其磁场强度H的关系：θ＝KHL,K为维尔德常数，调节磁光效应装置的高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度，从而改变光束的偏振方向。

8.根据权利要求7所述的基于磁光效应的矢量偏振光束调制系统的调制方法，其特征在于当θ＝π/2时，形成角向矢量偏振光束；当0<θ<π/2时，形成广义的轴对称向矢量偏振光束。