CN104698541A - 一种径向偏振光产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于应用光学领域，特别涉及一种应用于光镊技术粒子俘获、超分辨显微、激光加工、光信息存储的径向偏振光产生装置。径向偏振光的产生装置，包括第一光纤、第二光纤、单模激光光源、起偏器、第一光功率耦合器、第三光纤、第四光纤、第一光纤偏振态调制器和第二光纤偏振态调制器、第二光功率耦合器、第五光纤、成像装置.本发明是全光纤器件，只需激励起一束LP₁₁模式的光，通过光耦合器将LP₁₁模式的光分成两路，分别进行偏振态调制，之后通过光耦合器实现两路LP₁₁模式光束的叠加，结合了光纤模式理论与耦合理论，不必搭建空间光路系统，且通过调整偏振控制器可以产生各种矢量偏振光。

Description

一种径向偏振光产生装置

技术领域

本发明属于应用光学领域，特别涉及一种应用于光镊技术粒子俘获、超分辨显微、激光加工、光信息存储的径向偏振光产生装置。

背景技术

轴对称偏振光束是一种具有轴对称特性的空间变化的线偏振光束，在局部的偏振态依然为线偏振，但在横截面上不同位置的偏振方位是变化的。基于偏振态分布的不同，提出了多种形式的轴对称偏振光束，如径向偏振光、角向偏振光和螺旋偏振光等。径向偏振光是轴对称偏振典型的偏振态，具有轴对称的偏振结构和中空环状的模式分布，在高数值孔径的透镜聚焦时可以产生超越衍射极限的极小的聚焦光斑且有很强的纵向电场分量，在诸多领域应用中比传统的均匀偏振光束更具有优势。例如操纵粒子、高分辨率成像、切割金属、电子加速、提高光学存储的密度等。因此，人们非常重视对径向偏振光的研究及应用，如何简单、快捷的产生高纯度的径向偏振光也得到了充分的发展和深入研究。

目前径向偏振光的产生可以分为在腔内法和在腔外法。腔内法是通过在激光谐振腔内设置具有偏振选择性的光学元件直接产生轴对称偏振光束，可以产生相对稳定的径向/角向偏振光，但是大多数要求特殊的制造技术和严密精确的设计。腔外法是谐振腔外转换实现，然而转换器件通常非常复杂且昂贵。

值得注意的是近几年在光波导中激发矢量模式的方法。这类方法使用的光纤可以是单模光纤或少模光纤，仅支持几个低阶模传输，包括HE₁₁模和TM₀₁模(径向偏振模式)、TE₀₁模(角向偏振模式)，HE₂₁模(混合偏振模式)。这种技术可以分为两类。一是利用偏振选择元件在激光器内部产生所需的光纤模式的直接震荡，例如双锥形棱镜、光子晶体光栅、全光纤或双折射方解石晶体。二是在光纤内部进行模式转换，通过倾斜入射高斯光束或者直接以厄米-高斯光束或第一阶拉盖尔-高斯光束为光源入射到光纤，这种方法简单稳定、消耗低。目前，在行业界已陆续提出了基于两个偏振方向正交的LP₁₁模式相干叠加的原理获得矢量光束，如文献1：Pengfei Ma，Zejin Liu“Generation of azimuthally and radially polarized beams bycoherent polarization beam combination”.J.Opt.Lett.37,2658-2660(2012)；文献2：Xiaoming Chen，Jintao Bai“Generation of various vector beams based on vectorsuperposition of two orthogonal linearly polarized TEM01beams”.J.Opt.Communications.316,140-145(2014)。文献1是通过光耦合器将光源光束分成两路，分别通过单模光纤与少模光纤错芯对接激励起LP₁₁模式的光束，通过空间光路方式叠加。文献2是完全利用空间光路叠加产生。

发明内容

本发明的目的针对现有的径向偏振光产生方法的不足之处及产生装置类型的稀少，将光纤模式理论与耦合理论相结合，提出了一种操作简便、结构简单的径向偏振光产生装置。

本发明的目的是这样实现的：

径向偏振光的产生装置，包括第一光纤、第二光纤、单模激光光源、起偏器、第一光功率耦合器、第三光纤、第四光纤、第一光纤偏振态调制器和第二光纤偏振态调制器、第二光功率耦合器、第五光纤、成像装置，第一光纤与第二光纤错位焊接，使得单模激光束在第二光纤的纤芯中激励起LP₁₁模式的光束，LP₁₁模式的光在第二光纤传输，传输光经过第一光功率耦合器平均分配至第三光纤、第四光纤，第一光纤偏振态调制器和第二光纤偏振态调制器使得第三光纤、第四光纤传输的LP₁₁模式偏振态互相垂直，第三光纤、第四光纤中传输的光经过第二光功率耦合器耦合至第五光纤输出径向偏振光，由成像装置探测。

所述的第一光纤为单模光纤，第二光纤为少模光纤或双模光纤，只允许基模和LP₁₁模传输，第三光纤、第四光纤和第五光纤是少模保偏光纤。

所述的传输光经过第一光功率耦合器分配至第三光纤、第四光纤的光强比示1:1，平均分配。

所述的第一光功率耦合器和第二光功率耦合器是两个等臂的2×2定向耦合器。

所述偏振态调制器置于第一耦合器与第三光纤、第四光纤之间或置于第三光纤、第四光纤与第二耦合器之间。

本发明的有益效果在于：

本发明是全光纤器件，只需激励起一束LP₁₁模式的光，通过光耦合器将LP₁₁模式的光分成两路，分别进行偏振态调制，之后通过光耦合器实现两路LP₁₁模式光束的叠加，结合了光纤模式理论与耦合理论，不必搭建空间光路系统，且通过调整偏振控制器可以产生各种矢量偏振光。

附图说明

图1一般轴对称偏振光束的横向电场矢量分布示意图。

图2径向偏振光示意图。

图3角向偏振光示意图。

图4LP₁₁模的四个简并模式示意图，水平方向定义为x方向，垂直方向定义为y方向。

图5两个LP₁₁模叠加产生径向偏振光的原理示意图。

图6两个LP₁₁模叠加产生角向偏振光的原理示意图。

图7径向偏振光产生装置示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图本发明做进一步说明，但不应因此限制本发明的保护范围。

本发明包括第一光纤1、第二光纤2、第三光纤6、第四光纤7、第五光纤11、起偏器4、第一光功率耦合器5、第二光功率耦合器10、两个光纤偏振态调制器8和9，第一光纤1与第二光纤2错位焊接，使得在第二光纤2的纤芯中激励起LP₁₁模式的光束，LP₁₁模式的光束在第二光纤2中传输，传输光经过起偏器4后选择一个偏振方向，然后经过第一光功率耦合器5平均分配至第三光纤6、第四光纤7，调节光纤偏振态调制器8、9，使得第三光纤6、第四光纤7传输的LP₁₁模式偏振态互相垂直，第三光纤6、第四光纤7中传输的光经过第二光功率耦合器10耦合至第五光纤11，两个偏振态互相垂直的LP₁₁模式相互迭加后输出径向偏振光。

所述的第一光纤1的入射光是单模激光束，光源是单模激光器3。

所述的第一光纤1是单模光纤，第二光纤2是少模光纤或双模光纤，只允许基模和LP₁₁模传输。第三光纤6、第四光纤7和第五光纤11可以是双模光纤、少模光纤或多模光纤。

所述的第一光功率耦合器5和第二光功率耦合器10是两个等臂的2×2定向耦合器。

所述的偏振态调制器8、9的位置置于第一耦合器5和第三光纤6、第四光纤7之间，或置于第三光纤6、第四光纤7和第二耦合器10之间。

本发明具有如下特点：

1.径向偏振光产生装置结构简单，无需复杂的光路，操作简便。

2.径向偏振光产生装置的组成器件制造简单、无需特殊技术和特殊光学元件，制造成本低。

3.光功率耦合器的使用减少了相位调制器的使用空间和成本。

4.径向偏振光产生装置易于调整，装置稳定性好。

本发明基于如下原理：

偏振是光波的一种重要属性，偏振光是指光矢量的振动方向不变或具有某种规则地变化的光波。光波作为横电磁波，其电场矢量始终处于与其传播方向垂直的平面内，而偏振作为电磁波最基本的特征之一，是由电场矢量表征的。在主平面内的电场矢量的振动具有多种状态。根据振动状态的均匀性可以将偏振光分为均匀偏振光和非均匀偏振光。均匀偏振光包括通常所说的线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、部分偏振光等，非均匀偏振光包括径向偏振光和角向偏振光等。目前研究的空间变化的偏振光束通常是一种空间变化的线偏振光，光束在局部的偏振态是线偏振的，但在横截面上不同位置的偏振方向是变化的

径向偏振光是轴对称非均匀偏振分布光束的一种特殊形式，具有轴对称的偏振结构。与常见的高斯光束分布不同，轴对称偏振光束的强度分布具有轴上强度为零且光强最大值出现在环绕光轴的一圈，光强分布轮廓呈现为一个环状，故此强度分布被称为中空环状的模式分布。即光轴处电场的大小相同、电场的偏振方向相反，因此光轴处的强度为零，并且轴对称偏振光束横截面上任意一点的电场强度矢量与径向之间的夹角都是相同的，且保持不变。

径向偏振光可以做如下定义：所谓径向偏振光是指电矢量振动方向在光束横截面上具有轴对称特性并且始终沿径向的一种偏振光。图1描述了一般轴对称偏振光束的横向电场矢量分布，箭头所示为电矢量振动方向，其中Φ是电场强度矢量与径向之间的夹角，每一处电场的偏振方向相对于半径方向旋转了Φ角，电场强度可以表示为：

其中分别表示径向和角向单位矢量；E₀(r)是孔径切趾函数，表示电场的相对振幅。

当Ф＝0时，电场强度可表示为轴对称偏振光束是径向偏振光，电场强度矢量始终平行于半径方向，如图2所示；当Ф＝π/2时，电场强度可表示为轴对称偏振光束是角向偏振光束，电场强度始终垂直于半径方向，如图3所示。

LP₁₁模式是线偏振模，且LP_mn模是四重简并的，即LP₁₁模是一个包含有四个传输特性相同的模式组，如图4所示。图4中(a)所示电场分布可表示为：图4中(b)所示电场分布可表示为：图4中(c)所示电场分布可表示为：图4中(d)所示电场分布可表示为：

径向偏振光特点鲜明，在高数值孔径的透镜聚焦时可以产生超越衍射极限的极小的聚焦光斑且有很强的纵向电场分量。由于径向偏振光的这些特性，使得它在诸多领域应用中比传统的均匀偏振光束更具有优势。例如操纵粒子、高分辨率成像、切割金属、电子加速、提高光学存储的密度等。

本发明利用相位差为0或π的两个偏振态正交的LP₁₁模式相干迭加的原理来产生径向或角向偏振光，如图5或图6所示。其相干迭加可以做如下理解：或 $\stackrel{\→}{E}(r,\mathrm{\θ})={\stackrel{\→}{E}}_{x2}-{\stackrel{\→}{E}}_{y2}=E_0\left(r\right)\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}.$

输入光是单模激光束3，入射到第一光纤1后，由于第一光纤1和第二光纤2的错位焊接，可以在第二光纤2中激励起LP₁₁模式。LP₁₁模式传输经过第一光功率耦合器5，由于2×2定向耦合器的特性，使得第一光功率耦合器5的两个输出端口输出的光具有π/2的相位差，进而传输到第三光纤6和第四光纤7的光存在了π/2的相位差。

假设在第二光纤2激励起的LP₁₁模式的偏振方向是沿水平方向的或者沿垂直方向的，在第三光纤6和第四光纤7经过偏振态控制器8、9的调制使得两束光的偏振态互相垂直，假设其光场分布分别定向的沿着x轴和y轴，因此是两个偏振方向正交的线偏振光束。至此，我们得到了两个相位差为π/2的偏振方向正交的LP₁₁模，这两个LP₁₁光束被注入到第二光功率耦合器10(2×2定向耦合器，与第一光功率耦合器是等臂的)，经由一个输出端口输出，在该输出端口得到的两束光存在了π或0的相位差。

至此具有π或0相位差的两个偏振方向正交的LP₁₁模传输至第五光纤11，在第五光纤11中迭加后输出纯净的径向偏振光如图5或角向偏振光如图6。

本发明可以通过如下方式实现，如图7：

(1)利用光纤切割技术截取一段长度为30cm的标准单模光纤1和一段长度为30cm的双模光纤2，单模激光束3(波长980nm)入射到标准单模光纤1中，分别将光纤1与光纤2的一端置于光纤焊接机上，错位对接，调节位移距离和光强，使得在双模光纤2的纤芯中激励起LP₁₁模式，焊接封装。双模光纤2仅支持两种LP模式(LP₀₁和LP₁₁模式)在光纤中传输。

(2)将双模光纤2的另一个端面连接光纤起偏器4，经起偏器选择LP₁₁模式的一个偏振方向。在光纤起偏器之后连接一个2×2光功率耦合器5。

(3)截取两段多模光纤6、7，将两段多模光纤分别连接在光功率耦合器5的两个输出端口。经双模光纤2输出的LP₁₁模式的光束在经过2×2光功率耦合器5之后分别传输至两段多模光纤6、7，由于2×2定向耦合器5的特性，在两段多模光纤6、7中传输的光束存在了π/2的相位差。

(4)在两段多模光纤6、7分别加入偏振态调制器8、9，之后分别连接至第二个2×2光功率耦合器10的两个输入端口，调整偏振态调制器8、9使得传输到第二光功率耦合器10的光束是偏振态互相垂直的LP₁₁模。第一光功率耦合器5和第二光功率耦合器10是等臂的。

(5)截取一段双模光纤11，连接在第二光功率耦合器10的一个输出端口，由于2×2定向耦合器10的特性，输入到这一段双模光纤11的偏振态互相垂直的LP₁₁模式具有π或0的相位差，在这一段双模光纤11中迭加后输出为径向偏振光或角向偏振光，输出光的模式可以通过成像装置实时观察

Claims (5)

1.一种径向偏振光的产生装置，包括第一光纤(1)、第二光纤(2)、单模激光光源(3)、起偏器(4)、第一光功率耦合器(5)、第三光纤(6)、第四光纤(7)、第一光纤偏振态调制器(8)和第二光纤偏振态调制器(9)、第二光功率耦合器(10)、第五光纤(11)、成像装置(12)，其特征在于：第一光纤(1)与第二光纤(2)错位焊接，使得单模激光束在第二光纤(2)的纤芯中激励起LP₁₁模式的光束，LP₁₁模式的光在第二光纤(2)传输，传输光经过第一光功率耦合器(5)平均分配至第三光纤(6)、第四光纤(7)，第一光纤偏振态调制器(8)和第二光纤偏振态调制器(9)使得第三光纤(6)、第四光纤(7)传输的LP₁₁模式偏振态互相垂直，第三光纤(6)、第四光纤(7)中传输的光经过第二光功率耦合器(10)耦合至第五光纤(11)输出径向偏振光，由成像装置探测。

2.根据权利要求1所述的一种径向偏振光的产生装置，其特征在于：所述的第一光纤为单模光纤，第二光纤为少模光纤或双模光纤，只允许基模和LP₁₁模传输，第三光纤、第四光纤和第五光纤是少模保偏光纤。

3.根据权利要求1和2所述的一种径向偏振光的产生装置，其特征在于：所述的传输光经过第一光功率耦合器分配至第三光纤、第四光纤的光强比示1:1，平均分配。

4.根据权利要求1和2所述的一种径向偏振光的产生装置，其特征在于：所述的第一光功率耦合器和第二光功率耦合器是两个等臂的2×2定向耦合器。

5.根据权利要求1和2所述的一种径向偏振光的产生装置，其特征在于：所述偏振态调制器置于第一耦合器与第三光纤、第四光纤之间或置于第三光纤、第四光纤与第二耦合器之间。