CN106094235A - 一种利用单轴晶体实现光场偏振态旋转的装置 - Google Patents

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练萌
张迎娣
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崔平
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Abstract

本发明公开了一种利用单轴晶体实现光场偏振态旋转的装置，包括沿着光束传播方向由左至右依次设置的长焦距透镜、单轴晶体、λ/4波片、偏振片和光束分析仪；杂化偏振矢量光场经过长焦距透镜聚焦获得小尺寸的聚焦光场，单轴晶体设置在长焦距透镜的焦点区域，并且单轴晶体的晶体光轴垂直于光束传播方向，近似平行光束从单轴晶体的入射面入射，并沿着垂直于晶体光轴的方向传输，最后从单轴晶体的出射面出射，实现杂化偏振矢量光场的偏振态旋转。本发明相比于其他常用的调制光场偏振态的方法，具有光路简单，方便可靠，易于调节等优点，在材料表征、偏振灵敏传感以及全光开关等领域具有潜在的应用前景。

Description

一种利用单轴晶体实现光场偏振态旋转的装置
技术领域
本发明涉及光场偏振态调控技术，尤其涉及一种利用单轴晶体实现光场偏振态旋转的装置。
背景技术
光场调控主要涉及对频率、相位、振幅和偏振态等的调控。其中对光场频率、相位和振幅的调控技术和应用相对成熟，而对光场偏振态的调控则相对困难。矢量光场作为一种新型光场，其偏振态分布是空间变化的，通过波前重构或特别设计的激光谐振腔，可以生成诸如径向偏振光、旋向偏振光和杂化偏振矢量光场等各种偏振分布的矢量光场[X.L.Wang et.al.,“Generation of arbitrary vector beams with a spatial lightmodulator and a common path interferometric arrangement,”Opt.Lett.32,3549-3551(2007)]。此外，也可以利用“任意偏振分布矢量光束的生成装置”(专利号CN101178484A)生成同时具有线偏振、圆偏振和椭圆偏振的杂化偏振矢量光场。
由于矢量光场的特殊偏振态分布，人们对于矢量光场的偏振态调控提出了很多方法，产生了许多新的现象和应用。随着矢量光场与物质相互作用研究的深入，应用材料的各种异性光学效应来调控光场的偏振态受到广泛关注。研究者进行了很多利用单轴晶体的各向异性对矢量光场进行调控的理论研究[如J.Li et.al.,“Propagation properties ofcylindrically polarized vector beam through uniaxial crystals along theoptical axis,”Opt.Laser Tech.45,364-372(2013)；V.G.Shvedov et.al.,“Generationof vector bottle beams with a uniaxial crystal,”J.Opt.Soc.Am.B 30,1-6(2013)]。然而利用单轴晶体调控光场偏振态分布的实验技术还鲜有报道。
发明内容
发明目的：为了解决现有光场偏振态调控技术中存在的不足，本发明提供一种利用单轴晶体实现光场偏振态旋转的装置，通过简单的光路和器件，只需要利用单轴晶体的各向异性就可以实现光场的偏振态旋转，丰富了矢量光场的偏振态调控技术。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种利用单轴晶体实现光场偏振态旋转的装置，包括沿着光束传播方向由左至右依次设置的长焦距透镜、单轴晶体、λ/4波片、偏振片和光束分析仪；同时具有线偏振、圆偏振和椭圆偏振分布的杂化偏振矢量光场经过长焦距透镜聚焦获得小尺寸的聚焦光场，该聚焦光场的瑞利长度远大于单轴晶体的厚度，以使得该聚焦光场在长焦距透镜的焦点区域形成近似平行光束，该近似平行光束的偏振态不随传播距离而发生改变(根据文献[B.Guet.al.Appl.Phys.B 117(3),915--926(2014).]所得结论，角向变化杂化偏振矢量光场聚焦之后其光场的偏振态和入射光场的偏振态分布一样，不随传播距离变化而改变)；单轴晶体放置在长焦距透镜的焦点区域，并且单轴晶体的晶体光轴垂直于光束传播方向，近似平行光束从单轴晶体的入射面入射，并沿着垂直于晶体光轴的方向传输，最后从单轴晶体的出射面出射，实现杂化偏振矢量光场的偏振态旋转；λ/4波片、偏振片和光束分析仪用于测量偏振态旋转后的杂化偏振矢量光场的Stokes参量并分析偏振态的变化。
具体的，所述小尺寸的聚焦光场为一百微米以下尺寸(一般为几十微米尺寸)的聚焦光场。
具体的，利用单轴晶体的各向异性实现杂化偏振矢量光场的偏振态旋转，通过改变单轴晶体的类型(单轴晶体的类型由非寻常光和寻常光在单轴晶体中的折射率的比值ne/no决定)和厚度，实现特定的偏振态旋转。
有益效果：本发明提供的利用单轴晶体实现光场偏振态旋转的装置，相对于现有技术，具有如下优势：1、本发明利用单轴晶体的各向异性光学特性对偏振态分布进行调控，实现杂化偏振矢量光场的偏振态整体旋转；2、本发明根据出射光场的偏振态旋转角度，也可以反推出光束在单轴晶体中的传输距离，从而获得单轴晶体的厚度；3、本发明只需改变单轴晶体的类型(ne/no)或者厚度，就能在出射面得到偏振态可控的任意矢量光场，技术成熟，操作简单，效率高；4、本发明适用于任意偏振态分布的矢量光场，应用范围广泛。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图
图2为本发明经过单轴晶体前后入射光场和出射光场的Stokes参量实验图；
图3为本发明经过单轴晶体前后入射光场和出射光场的Stokes参量计算图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种利用单轴晶体实现光场偏振态旋转的装置，包括沿着光束传播方向由左至右依次设置的长焦距透镜2、单轴晶体3、λ/4波片4、偏振片5和光束分析仪6；同时具有线偏振、圆偏振和椭圆偏振分布的杂化偏振矢量光场1经过长焦距透镜2聚焦获得小尺寸的聚焦光场，该聚焦光场的瑞利长度远大于单轴晶体3的厚度，以使得该聚焦光场在长焦距透镜2的焦点区域形成近似平行光束，该近似平行光束的偏振态不随传播距离而发生改变；单轴晶体3设置在长焦距透镜2的焦点区域，并且单轴晶体3的晶体光轴垂直于光束传播方向，近似平行光束从单轴晶体3的入射面入射，并沿着垂直于晶体光轴的方向传输，最后从单轴晶体3的出射面出射，实现杂化偏振矢量光场1的偏振态旋转；λ/4波片4、偏振片5和光束分析仪6用于测量偏振态旋转后的杂化偏振矢量光场1的Stokes参量并分析偏振态的变化。
所述同时具有线偏振、圆偏振和椭圆偏振分布的杂化偏振矢量光场1可以利用“任意偏振分布矢量光束的生成装置”(专利号CN101178484A)等技术生成。利用单轴晶体3的各向异性实现杂化偏振矢量光场1的偏振态旋转，通过改变单轴晶体3的类型和厚度，实现特定的偏振态旋转。
杂化偏振矢量光场1沿着光束传播方向传播，在单轴晶体3的入射面和出射面分别利用偏振态测量系统测量偏振态旋转后的杂化偏振矢量光场1的Stokes参量并分析偏振态的变化。图2为实验测得的经过单轴晶体3前后入射光场(第一行)和出射光场(第二行)的Stokes参量(由左至右分别为S0、S1、S2、S3，S0为总的入射光强，S1为x方向分量与y方向风量的光强差，S2为+45°和135°方向偏振分量的光强差，S3为右旋和左旋圆偏振分量的光强差)；通过图2可以看出，杂化偏振矢量光场1经过单轴晶体3后的偏振态发生了整体旋转，测得旋转角度约为68.8°。图3是基于晶体参数和实验条件，理论计算得出的在单轴晶体3中传输前后的光场Stokes参量分布图，计算得出杂化偏振矢量光场1在单轴晶体3中传输后，其偏振态旋转了约70.2°，与图2中的理论结果相一致。可以说明单轴晶体3对光场的偏振态旋转具有显著的调控作用。此外，通过改变单轴晶体3的类型(ne/no)和厚度，可以对出射光场的偏振态进行准确的调控。由此可以看出，利用单轴晶体3的各向异性对光场的偏振态进行调控，操作简单，可控性强，效率高，具有极高的应用价值。
本例中，选用的杂化偏振矢量光场为单纵模532nm连续光；长焦距透镜2的焦距为500mm，通过长焦距透镜2聚焦后所得的聚焦光场的尺寸为85μm；单轴晶体3为金红石晶体(ne＝2.093，no＝2.616，厚度为5cm)，光束分析仪6为Beamview,Coherent Inc.。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用单轴晶体实现光场偏振态旋转的装置，其特征在于：包括沿着光束传播方向由左至右依次设置的长焦距透镜(2)、单轴晶体(3)、λ/4波片(4)、偏振片(5)和光束分析仪(6)；同时具有线偏振、圆偏振和椭圆偏振分布的杂化偏振矢量光场(1)经过长焦距透镜(2)聚焦获得小尺寸的聚焦光场，该聚焦光场的瑞利长度远大于单轴晶体(3)的厚度，以使得该聚焦光场在长焦距透镜(2)的焦点区域形成近似平行光束，该近似平行光束的偏振态不随传播距离而发生改变；单轴晶体(3)放置在长焦距透镜(2)的焦点区域，并且单轴晶体(3)的晶体光轴垂直于光束传播方向，近似平行光束从单轴晶体(3)的入射面入射，并沿着垂直于晶体光轴的方向传输，最后从单轴晶体(3)的出射面出射，实现杂化偏振矢量光场(1)的偏振态旋转；λ/4波片(4)、偏振片(5)和光束分析仪(6)用于测量偏振态旋转后的杂化偏振矢量光场(1)的Stokes参量并分析偏振态的变化。
2.根据权利要求1所述的利用单轴晶体实现光场偏振态旋转的装置，其特征在于：所述小尺寸的聚焦光场为一百微米以下尺寸的聚焦光场。
3.根据权利要求1所述的利用单轴晶体实现光场偏振态旋转的装置，其特征在于：利用单轴晶体(3)的各向异性实现杂化偏振矢量光场(1)的偏振态旋转，通过改变单轴晶体(3)的类型和厚度，实现特定的偏振态旋转。
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