CN105629495A - 基于径向偏振分光棱镜的径向偏振光束生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于径向偏振分光棱镜的生成径向偏振光束的装置，包括：激光光源、四分之一波片、激光扩束镜、螺旋相位片、径向偏振分光棱镜、偏振片、透镜和CCD相机；从激光光源出射水平偏振光，经过快轴水平放置的四分之一波片后转化成圆偏振光束，所述圆偏振光束经过激光扩束镜扩束准直后垂直入射到所述螺旋相位片的中心，出射螺旋光束，垂直入射到所述径向偏振分光棱镜的中心，出射光束即为径向偏振光束；所述径向偏振分光棱镜和透镜之间放置一个用于检测径向偏振光束的所述偏振片，通过所述透镜后用所述CCD相机进行光强分布的检测。

Description

基于径向偏振分光棱镜的径向偏振光束生成装置

技术领域

本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种基于径向偏振分光棱镜的生成径向偏振光束的装置。

背景技术

因为径向偏振光束具有轴对称的偏振结构和中空的强度分布，所以使它在一些科学研究和工程技术领域展现出独特的优势。特别是径向偏振光束，由于其在高数值孔径透镜聚焦下，聚焦光斑可突破衍射极限，并且在焦点附近具有很强的纵向电场分量。2003年德国的R.Dorn等在PhysicsReviewLetters上报道了他们的实验结果，对于径向偏振光可以得到小于0.16λ2的聚焦光斑(小于线偏振光束的极限聚焦光斑0.26λ2)。目前，径向偏振光束在带电微粒加速、粒子捕获、生物医学、高分辨率成像技术和激光加工等领域的应用已被大量报道。

目前，径向偏振光束的生成方法仍然是国内外的研究热点。产生径向偏振光束的方法可以分为两类：腔内法和腔外转化法，前者类似于制作一个生成径向偏振光束的激光器；后者则是将激光器出射的光束进行变换产生径向偏振光束。目前主要采用的腔外转化方法有相干合成技术、空间偏振转化器件等方法。常见的空间偏振转化器件有组合半波片、亚波长光栅和液晶偏振转化器件。上述空间偏振转化器件为不连续器件，优点是加工方便灵活可生成高阶径向偏振光束，缺点是转化效率不高和生成径向偏振光束的纯度不高。

因此，需要一种能够提高纯度和转化效率的径向偏振光束生成装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于径向偏振分光棱镜的生成径向偏振光束的装置，包括：激光光源、四分之一波片、激光扩束镜、螺旋相位片、径向偏振分光棱镜、偏振片、透镜和CCD相机；从激光光源出射水平偏振光，经过快轴水平放置的四分之一波片后转化成圆偏振光束，所述圆偏振光束经过激光扩束镜扩束准直后垂直入射到所述螺旋相位片的中心，出射螺旋光束，垂直入射到所述径向偏振分光棱镜的中心，出射光束即为径向偏振光束；所述径向偏振分光棱镜和透镜之间放置一个用于检测径向偏振光束的所述偏振片，通过所述透镜后用所述CCD相机进行光强分布的检测。

优选地，所述径向偏振分光棱镜包括一个平凸轴锥镜和一个平凹轴锥镜。

优选地，所述平凸轴锥镜和平凹轴锥镜为两个顶角为90°的互补轴锥镜。

优选地，所述平凸轴锥镜的锥面镀有偏振分光膜。

优选地，所述平凸轴锥镜和平凹轴锥镜的材料为熔石英K9或ZF玻璃。

优选地，所述径向偏振光束可以表示为：

$J\left(\mathrm{\φ}\right)=\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\φ}\\ sin\mathrm{\φ}\end{array}\right]$

其中φ是方位角。

优选地，所述径向偏振分光棱镜可表示为如下琼斯矩阵形式：

$M\left(\mathrm{\φ}\right)=\left[\begin{array}{cc}{\cos }^2\mathrm{\φ}& sin\mathrm{\φ}cos\mathrm{\φ}\\ \sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\φ}& {\sin }^2\mathrm{\φ}\end{array}\right]$

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出根据本发明的基于径向偏振分光棱镜的生成径向偏振光束的装置的结构示意图。

图2(a)示意性示出了径向偏振分光棱镜的纵剖结构示意图。

图2(b)示意性示出了径向偏振分光棱镜的三维立体结构示意图。

图3是生成一阶径向偏振光束的光强分布和经过检偏器后的光强分布示意图。

具体实施方式

图1示意性示出了根据本发明的基于径向偏振分光棱镜的生成径向偏振光束的装置100。由图1所示，所述装置100包括：激光光源101、四分之一波片102、激光扩束镜103、螺旋相位片104、径向偏振分光棱镜105、偏振片106、透镜107和CCD相机108。从激光光源101出射的水平偏振光经过快轴水平放置的四分之一波片102后转化成圆偏振光束，圆偏振光经过激光扩束镜103扩束准直后垂直入射到一阶螺旋相位片104的中心，出射的一阶螺旋光束垂直入射到径向偏振分光棱镜105的中心，出射光束即为一阶径向偏振光束，为了检测径向偏振光束，径向偏振分光棱镜105和透镜107之间放置一个偏振片106，通过透镜107后用CCD相机108进行光强分布的检测。

图2示意性示出了径向偏振分光棱镜105的结构示意图。图2(a)示意性示出了径向偏振分光棱镜的纵剖结构示意图。图2(b)示意性示出了径向偏振分光棱镜的三维立体结构示意图。

如图2(a)所示，径向偏振分光棱镜105由两个顶角为90°的互补轴锥镜(一个平凸轴锥镜1051和一个平凹轴锥镜1052)作为基质制作而成，材料为熔石英K9或ZF玻璃，其中平凸轴锥镜1051的锥面镀有偏振分光膜。通过光学胶1053将两个轴锥镜的锥面胶合成一个器件，两个轴锥镜的平面都镀有增透膜。

下面，采用琼斯矢量和琼斯矩阵对生成过程进行描述。琼斯矢量和琼斯矩阵是分析偏振光束和偏振光学元件时广泛使用的一种数学工具，在琼斯矢量中，沿z轴传播的光束的电场分解为x分量和y分量，并用一个列向量来表示。此外，光学元件可以表示为一个2×2矩阵轴对称偏振分布

根据矢量光束的定义，其偏振分布可以表示为：

$\stackrel{\‾}{J}\left(\mathrm{\φ}\right)=\left[\begin{array}{c}cos(m\mathrm{\φ}+{\mathrm{\φ}}_0)\\ \sin (m\mathrm{\φ}+{\mathrm{\φ}}_0)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中φ₀是初始偏振方向，而φ是方位角，m是径向偏振光束的阶数，也被称作偏振拓扑荷。当m＝0时，上述琼斯矢量不再表示矢量光束，而表示偏振方向与x轴的夹角为的线偏振光，可表示为：

${\stackrel{\‾}{J}}_{linear}=\left(\begin{array}{c}{\mathrm{cos\φ}}_0\\ {\mathrm{sin\φ}}_0\end{array}\right)---\left(2\right)$

当m＝1且时，表示径向偏振光

${\stackrel{\‾}{J}}_{radial}\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\φ}\\ \sin \mathrm{\φ}\end{array}\right)---\left(3\right)$

当m＝1且时，表示角向偏振光

图2中的径向偏振分光棱镜可表示为如下琼斯矩阵形式：

$M\left(\mathrm{\φ}\right)=\left[\begin{array}{cc}{\cos }^2\mathrm{\φ}& sin\mathrm{\φ}\cos \mathrm{\φ}\\ sin\mathrm{\φ}\cos \mathrm{\φ}& {\sin }^2\mathrm{\φ}\end{array}\right]---\left(5\right)$

因此，可以用一束拓扑荷(轨道角量子数)为-1的螺旋光束来入射到径向偏振分光棱镜后，其透射光束为径向偏振光束。其生成过程可用下面的数学表达式描述：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{E}}_{out}=M\left(\mathrm{\φ}\right)\exp (-i\mathrm{\φ})\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}1\\ i\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\φ}\\ \sin \mathrm{\φ}\end{array}\right]\end{array}---\left(6\right)$

实施例：

首先，根据激光光源的输出激光的波长和带宽制作不同波长的径向偏振分光棱镜，具体实施方案为在轴锥镜的锥面和平面上镀上相应波长和带宽的偏振分光膜和增透膜。下面以线偏振输出的Nd：YAG固体激光光源为例来描述用径向偏振分光棱镜生成径向偏振光束的过程：

从Nd：YAG固体激光光源输出的1064nm的水平方向线偏振激光光源经过激光扩束镜的扩束准之后再经过快轴方向水平的四分之一波片和螺旋相位片后，出射光束为右旋偏振的螺旋光束，然后将其垂直入射到径向偏振分光棱镜的中心，经过径向偏振分光棱镜的光束再经过一个透镜，出射光束就是径向偏振光束，其光强分布成环状。

为了检测出射光束为径向偏振光束，可用CCD相机和旋转的径向偏振分光棱镜观测光强分布的变化来确定，图3是生成一阶径向偏振光束的光强分布和经过检偏器后的光强分布示意图。其规律为，经过径向偏振分光棱镜的光强图样分裂成两瓣，随着径向偏振分光棱镜的旋转，光强图像随之旋转，并且与径向偏振分光棱镜的旋转方向旋转速度保持一致。

通过本发明的基于径向偏振分光棱镜的生成径向偏振光束的装置，其中采用了一对互补轴锥镜制作径向偏振分光棱镜，设计成连续型空间偏振转化器件，用其将圆偏振的螺旋光束转化成径向偏振光束，基于器件的连续性，可在生成径向偏振光束的纯度和效率上有很大的突破，特别是纯度很高，理论上可以达到100％。用径向偏振分光棱镜可以将入射的圆偏振螺旋光束转化成高纯度的一阶径向偏振光束，由于径向偏振分光棱镜可以使用于很宽的激光波段，所以径向偏振分光棱镜是理想用于生成宽波段径向偏振光束的消色差空间偏振转化器件。适用于将飞秒激光、超连续谱光源、超荧光光源转化成径向偏振光束。另外，该径向偏振分光棱镜经过进一步改造后可以生成双环结构的径向偏振光束，此类光束在光捏和高分辨率成像领域具有重要的应用前景。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种基于径向偏振分光棱镜的径向偏振光束的装置，包括：

激光光源、四分之一波片、激光扩束镜、螺旋相位片、径向偏振分光棱镜、偏振片、透镜和CCD相机；

从激光光源出射水平偏振光，经过快轴水平放置的四分之一波片后转化成圆偏振光束，所述圆偏振光束经过激光扩束镜扩束准直后垂直入射到所述螺旋相位片的中心，出射螺旋光束，垂直入射到所述径向偏振分光棱镜的中心，出射光束即为径向偏振光束；

所述径向偏振分光棱镜和透镜之间放置一个用于检测径向偏振光束的所述偏振片，通过所述透镜后用所述CCD相机进行光强分布的检测。

2.如权利要求1所述的装置，所述径向偏振分光棱镜包括一个平凸轴锥镜和一个平凹轴锥镜。

3.如权利要求2所述的装置，所述平凸轴锥镜和平凹轴锥镜为两个顶角为90°的互补轴锥镜。

4.如权利要求2或3所述的装置，所述平凸轴锥镜的锥面镀有偏振分光膜。

5.如权利要求2或3所述的装置，所述平凸轴锥镜和平凹轴锥镜的材料为熔石英K9或ZF玻璃。

6.如权利要求1所述的装置，所述径向偏振光束可以表示为：

$J\left(\mathrm{\φ}\right)=\left[\begin{array}{c}cos\mathrm{\φ}\\ sin\mathrm{\φ}\end{array}\right]$

其中φ是方位角。

7.如权利要求1所述的装置，所述径向偏振分光棱镜可表示为如下琼斯矩阵形式：

$M\left(\mathrm{\φ}\right)=\left[\begin{array}{cc}{\cos }^2\mathrm{\φ}& sin\mathrm{\φ}cos\mathrm{\φ}\\ sin\mathrm{\φ}\cos \mathrm{\φ}& {\sin }^2\mathrm{\φ}\end{array}\right]$