CN105954880B - 一种飞秒柱矢量光束的产生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种飞秒柱矢量光束的产生系统，包括激发光源单元、偏振调制单元、奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元和偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元，奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括第一波片组调制单元和若干个第二波片组调制单元，偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括若干个第二波片组调制单元；第一波片组调制单元沿光路方向依次包括第一涡旋波片及第一半波片，第一涡旋波片的m值为1；第二波片组调制单元沿光路方向依次包括第二涡旋波片及第二半波片，第二涡旋波片的m值为2。本发明通过涡旋波片组合可将线偏振飞秒激光束调制为任意偏振阶数的飞秒柱矢量光束，在飞秒加工、光通信、光镊操控、表面增强拉曼散射研究等前沿领域具有重大意义。

Description

一种飞秒柱矢量光束的产生系统
技术领域
本发明属于光束调控技术领域，特别涉及一种飞秒柱矢量光束的产生系统。
背景技术
近年来，柱矢量光束(Cylindrical Vector Beams，CVB)在显微术、光刻及材料处理、表面等离激元光学、生物光子学、纳米颗粒的操控和表征等领域展现出巨大的潜在应用价值，CVB光束作为一种新型光束逐渐成为国内外的研究热点。飞秒激光具有独特的超强与超快特性，其超强特性使我们能以较低的脉冲能量获得极高的峰值光强，诱发烧蚀、双光子吸收等现象，在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。在此基础上将二者结合，利用飞秒激光器来实现飞秒CVB光源可以进一步观测样品的非线性效应，在双光子荧光、二次谐波产生等方面都有重要的应用潜力。因此，高质量飞秒CVB光束的产生，对进一步开展相关的研究具有重要的科学价值。
已报道的CVB的产生方法有很多种，如组合半波片法，波列压缩法，向列液晶法，双折射晶体法，亚波长衍射光栅法，干涉叠加法，在激光腔内插入特殊的光学孔径，锥形的布鲁斯特棱镜或者锥透镜，基于不连续位相元件的双折射光束移位器件等。这些现有技术实用性强，但对于飞秒激光还是有一定的局限性。比如，组合半波片法受到各分块边缘的结合部分衍射效应的影响，从而产生伪偏振模式；亚波长衍射光栅法对加工精度有很高的要求，在可见光波段要求更加苛刻；向列液晶法只适用于低功率激光；干涉叠加法通过两个正交线偏振光束TEM10和TEM01模式的叠加产生，因而需要严格地校准光路，并且对任何机械扰动非常敏感，稳定性不好。另外，我们在前期工作中已采用过波列压缩法产生高纯度的CVB光束，利用螺旋位相片(Spiral Phase Plate)和一个径向或者角向偏振选择器来将线偏振光转化为CVB光束，外加两个半波片做偏振旋转器可以实现任意偏振角度的CVB光束。然而，上述方法面临的两个共同问题：一是转换效率低，产生CVB的能量利用率不超过50％；二是由于飞秒激光的一个重要特性是脉冲的高时间分辨，其脉冲长度在fs量级，用以上方法调制飞秒激光的过程中，由于产生过程中要反复经过多重光学器件，因而造成光束频谱展宽等色散问题，从而严重影响飞秒激光脉冲的峰值及时间分辨特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种飞秒柱矢量光束的产生系统，实现利用飞秒激光产生高质量的飞秒柱矢量光束。本发明是这样实现的：
一种飞秒柱矢量光束的产生系统，包括：
激发光源单元，用于产生飞秒激光束；
偏振调制单元，用于将所述飞秒激光束调制为线偏振飞秒激光束；
所述系统还包括奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元和偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元；
所述奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括第一波片组调制单元和若干个第二波片组调制单元；
所述线偏振飞秒激光束经过所述第一波片组调制单元，从而调制为1阶飞秒柱矢量光束；所述第一波片组调制单元沿光路方向依次包括第一涡旋波片及第一半波片，所述第一涡旋波片的m值为1；
所述1阶飞秒柱矢量光束依次经过所述奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元的各第二波片组调制单元，从而调制为奇数阶飞秒柱矢量光束；所述第二波片组调制单元沿光路方向依次包括第二涡旋波片及第二半波片，所述第二涡旋波片的m值为2；
所述第一涡旋波片和第二涡旋波片的快轴方向沿波片圆周连续旋转；
所述偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括若干个所述第二波片组调制单元；
所述线偏振飞秒激光束依次经过所述偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元的各第二波片组调制单元，从而调制为偶数阶飞秒柱矢量光束。
进一步地，当需要产生偏振方向沿逆时针变化的飞秒柱矢量光束时，沿光路最后一个第二波片组调制单元中的第二半波片保留；当需要产生偏振方向沿顺时针变化的飞秒柱矢量光束时，沿光路最后一个第二波片组调制单元中的第二半波片去除。
进一步地，所述第一涡旋波片和第二涡旋波片均为液晶半波片。
进一步地，所述第一涡旋波片的快轴沿波片圆周旋转一周时，快轴方向的角度改变π；所述第二涡旋波片的快轴沿波片圆周旋转一周时，快轴方向的角度改变2π。
进一步地，所述第一涡旋波片和各第二涡旋波片的快轴的起始方向一致。
进一步地，第一涡旋波片的光轴与进入所述第一涡旋波片的光束的光轴重合；各第二涡旋波片的光轴与进入所述第二涡旋波片的光束的光轴重合。
进一步地，所述激发光源单元为飞秒激光器，所述偏振调制单元为偏振片。
与现有技术相比，本发明通过快轴方向沿波片圆周连续变化的涡旋波片组合可调制产生任意偏振阶数的高效率、高纯度、高稳定性的飞秒柱矢量光束，通过对涡旋波片的旋转，还可进一步对光场进行新的调制，在飞秒加工、光通信、光镊操控、表面增强拉曼散射研究等前沿领域具有重大意义。
附图说明
图1：本发明飞秒柱矢量光束的产生系统组成示意图；
图2a：第一涡旋波片快轴方向示意图；
图2b：第二涡旋波片快轴方向示意图；
图2c：半波片快轴方向示意图；
图3a：一阶柱矢量光束偏振示意图；
图3b：二阶柱矢量光束偏振示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明所涉及的原理如下：
线偏振光的琼斯矩阵可表示为：
Ei＝[cosθ sinθ]T (1a)
对于m阶CVB的琼斯矩阵可表示为：
其中，θ表示入射线偏光的偏振方向与x轴的夹角，表示方位角，m表示产生CVB光束的阶数，表示CVB内部偏转角度。这里涡旋波片的阶数m与波片快轴沿圆周旋转的圆周数p有关，其中m＝2p。
假设m阶涡旋波片的琼斯矩阵表示为：
为了产生m阶的CVB光束，需要满足：
其中“±”表示m阶CVB的偏振方向是沿顺时针还是逆时针变化。一般来说，正交的入射光经过涡旋波片后产生的CVB也还是正交的。因此，通过公式3可进一步将顺时针变化的m阶涡旋波片的琼斯矩阵M表示为：
逆时针方向变化的m阶涡旋波片的琼斯矩阵表示为：
Mm c和Mm a之间存在如下关系：Mm a＝Mm c H0,其中H0表示快轴沿水平方向的半波片。
为简单起见，我们仅针对逆时针的情况展开详细介绍，而对于顺时针的情况只需在对应的位置添加半波片即可。理论上来说，利用具有公式4所示琼斯矩阵的涡旋波片，我们就可以将线偏光转换为对应阶数的CVB。但是对于高阶的涡旋波片存在设计和加工成本高等问题，幸运的是不同阶数的涡旋波片琼斯矩阵之间存在如下的关系：
Mm＝Mm-nHMn(5a)
M-m＝HMmH(5b)
由以上公式可以发现：对于任一高阶的涡旋偏振调制器件可以通过两个低阶的涡旋偏振调制器件联合调制产生；另一方面，对于负数阶涡旋偏振调制器可通过两个半波片调制对应正数阶涡旋偏振调制器产生。
基于此，我们可以通过低阶的涡旋偏振调制波片和半波片的组合来产生任意高阶的CVB光束。基于公式5(a)，任意高阶的CVB光束可以通过一阶和二阶涡旋波片来产生，基于公式5(b)，对于负数阶CVB可以通过在对应正数阶CVB后加半波片产生。本专利中所用到的一阶和二阶涡旋波片的快轴方向如附图2a、图2b所示。
本发明的基本原理是，先通过偏振调制单元将产生的飞秒激光束调制为线偏振飞秒激光束，然后再通过涡旋波片组合将线偏振飞秒激光束调制为所需偏振阶数(简称阶数)的飞秒柱矢量光束。本发明所采用的涡旋波片(包括第一涡旋波片和第二涡旋波片)是一种快轴方向沿波片圆周连续旋转液晶半波片，其激光透过率高达95％以上。通过该涡旋波片的组合调制入射的线偏振飞秒激光束的径向偏振和方位角偏振，可产生高效率、高纯度的飞秒柱矢量光束。
本发明提供的飞秒柱矢量光束的产生系统用于产生任意阶的飞秒柱矢量光束，结合图1所示，对该系统的主要部件说明如下：
系统首先包括激发光源单元1和偏振调制单元2。激发光源单元1用于产生飞秒激光束，偏振调制单元2用于将飞秒激光束调制为线偏振飞秒激光束。激发光源单元1采用飞秒激光器，偏振调制单元2采用偏振片。
系统还包括奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元和偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元。线偏振飞秒激光束经分束器3分束后，一路进入奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元，另一路进入偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元。
奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括第一波片组调制单元5和若干个第二波片组调制单元4。
线偏振飞秒激光束经过第一波片组调制单元5，经第一波片组调制单元5调制为1阶飞秒柱矢量光束。具体地，第一波片组调制单元5沿光路方向依次包括第一涡旋波片501及第一半波片502。第一涡旋波片501的m值(m代表阶数)为1，其快轴沿波片圆周旋转一周时，快轴方向的角度改变π，可用于调制入射柱矢量光束的阶数，使其阶数加1或减1。线偏振飞秒激光束通过第一涡旋波片501调制后，形成1阶飞秒柱矢量光束。第一半波片502改变1阶飞秒柱矢量光束的偏振方向的变化方向，使之成为偏振方向沿逆时针变化的飞秒柱矢量光束。经第一半波片502调制后的1阶飞秒柱矢量光束经一反射镜6反射后，依次经过奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元的各第二波片组调制单元4，每经过一个第二波片组调制单元4，飞秒柱矢量光束的阶数增加2，经若干个第二波片组调制单元4依次调制后，得到奇数阶飞秒柱矢量光束。具体地，m阶(m＝2x+1)飞秒柱矢量光束可由1个第一波片组调制单元5和x个第二波片组调制单元4调制产生。
第二波片组调制单元4沿光路方向依次包括第二涡旋波片401及第二半波片402，第二涡旋波片401的m值(m代表阶数)为2，其快轴沿波片圆周旋转一周时，快轴方向的角度改变2π，可用于调制入射柱矢量光束的阶数，使其阶数加2或减2，由此，1阶飞秒柱矢量光束经过若干个第二波片组调制单元4调制后得到奇数阶飞秒柱矢量光束。
偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括若干个前述的第二波片组调制单元4。线偏振飞秒激光束依次经过偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元的各第二波片组调制单元4，每经过一个第二波片组调制单元4，飞秒柱矢量光束的阶数增加2，经若干个第二波片组调制单元4依次调制后，得到偶数阶飞秒柱矢量光束。具体地，n阶(n＝2x)飞秒柱矢量光束可由x个第二波片组调制单元4调制产生。
由上述可知，根据需要产生的飞秒柱矢量光束的阶数可确定出本系统的基本光束调制结构，即需要多少个第一波片组调制单元5和第二波片组调制单元4。
利用本发明，只要通过旋转调节偏振片或涡旋波片的方向，就可以实现在不改变其阶数的前提下获得飞秒柱矢量光束偏振方向的连续变化。图2a、2b及2c分别是第一涡旋波片501、第二涡旋波片401和半波片快轴方向分布示意图。当线偏振光束经过波片后，偏振方向将发生2θ的改变，其中θ为入射线偏光偏振方向与波片快轴间的夹角。图3a及3b分别是线偏振光束经一阶涡旋波片产生一阶柱矢量光束、及线偏振光束经第二涡旋波片401产生二阶柱矢量光束示意图。需要注意的是，在调制过程中，各涡旋波片(包括第一涡旋波片501和第二涡旋波片401)需要同轴调制，其中涡旋波片快轴的起始方向保持一致，即第一涡旋波片501和各第二涡旋波片401的快轴的起始方向一致，第一涡旋波片501的光轴与进入第一涡旋波片501的光束的光轴重合，各第二涡旋波片401的光轴与进入第二涡旋波片401的光束的光轴重合。
还需注意的是，由于每个第二波片组调制单元4中的第二半波片402是用于调制经该第二波片组调制单元4的第二涡旋波片401输出的飞秒柱矢量光束的偏振方向的变化方向(由沿顺时针方向变化调制为沿逆时针方向变化，或由沿逆时针方向变化调制为沿顺时针方向变化)的，因此，当需要产生偏振方向沿顺时针变化的飞秒柱矢量光束(本文中定义为正数阶飞秒柱矢量光束)时，沿光路最后一个第二波片组调制单元4中的第二半波片402应当去除，因为从最后一个第二波片组调制单元4的第二涡旋波片401输出的飞秒柱矢量光束的偏振方向就是沿顺时针变化的，不需要再进行调制。当需要产生偏振方向沿逆时针变化的飞秒柱矢量光束(本文中定义为负数阶飞秒柱矢量光束)时，沿光路最后一个第二波片组调制单元4中的第二半波片402才需保留，以将从最后一个第二波片组调制单元4的第二涡旋波片401输出的飞秒柱矢量光束的偏振方向的变化方向由沿顺时针变化调整为沿逆时针变化。
本发明还可对飞秒柱矢量光束进行降阶调制。例如：l(l＝m-n)阶飞秒柱矢量光束可由m阶柱矢量光束依次经n个第一涡旋波片501调制产生。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种飞秒柱矢量光束的产生系统，其特征在于，包括：
激发光源单元，用于产生飞秒激光束；
偏振调制单元，用于将所述飞秒激光束调制为线偏振飞秒激光束；
所述系统还包括奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元和偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元、以及分束器；
所述分束器，用于将所述线偏振飞秒激光束进行分束，以使一路线偏振飞秒激光束进入所述奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元，另一路线偏振飞秒激光束进入所述偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元；
所述奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括第一波片组调制单元和奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元的若干个第二波片组调制单元；
所述线偏振飞秒激光束经过所述第一波片组调制单元，从而调制为1阶飞秒柱矢量光束；所述第一波片组调制单元沿光路方向依次包括第一涡旋波片及第一半波片，所述第一涡旋波片的m值为1；
所述1阶飞秒柱矢量光束依次经过所述奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元的各第二波片组调制单元，从而调制为奇数阶飞秒柱矢量光束；所述第二波片组调制单元沿光路方向依次包括第二涡旋波片及第二半波片，所述第二涡旋波片的m值为2；
所述第一涡旋波片和第二涡旋波片的快轴方向沿波片圆周连续旋转；
所述偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元的若干个所述第二波片组调制单元；
所述线偏振飞秒激光束依次经过所述偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元的各第二波片组调制单元，从而调制为偶数阶飞秒柱矢量光束。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当需要产生偏振方向沿逆时针变化的飞秒柱矢量光束时，沿光路最后一个第二波片组调制单元中的第二半波片保留；当需要产生偏振方向沿顺时针变化的飞秒柱矢量光束时，沿光路最后一个第二波片组调制单元中的第二半波片去除。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一涡旋波片和第二涡旋波片均为液晶半波片。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一涡旋波片的快轴沿波片圆周旋转一周时，快轴方向的角度改变π；所述第二涡旋波片的快轴沿波片圆周旋转一周时，快轴方向的角度改变2π。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一涡旋波片和各第二涡旋波片的快轴的起始方向一致。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一涡旋波片的光轴与进入所述第一涡旋波片的光束的光轴重合；各第二涡旋波片的光轴与进入所述第二涡旋波片的光束的光轴重合。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激发光源单元为飞秒激光器，所述偏振调制单元为偏振片。
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