CN106950704A - 可调椭圆矢量空心光束产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调椭圆矢量空心光束产生装置，属于激光光束整形技术领域。本装置由激光光源、线偏振片、空间扩束滤波系统、半波片、Mach‑Zehnder（M‑Z）干涉仪、反射型空间光调制器（SLM）组成。激光经过线偏振片入射到空间扩束滤波系统，然后经过半波片调整偏振方向，入射到干涉仪的偏振分束器（PBS）上，被分成振幅相等、偏振方向互相垂直的两束高斯光束，这两束高斯光束分别被干涉仪两条支路上的SLM调制和反射，最后经过PBS实现线性叠加，产生在空间稳定传输的径向偏振或者角向偏振的椭圆矢量空心光束。本发明的优势在于：产生的椭圆矢量空心光束可在自由空间稳定传输，偏振分布以及形状皆可调，从而满足不同的科学实验与应用需求。

Description

可调椭圆矢量空心光束产生装置

技术领域

本发明属于激光光束整形领域，具体涉及一种基于M-Z干涉仪和反射型SLM产生可调椭圆矢量空心光束的装置，可以产生在自由空间稳定传输的径向偏振或者角向偏振椭圆矢量空心光束。

背景技术

椭圆矢量空心光束是一种中心强度为零的具有椭圆对称分布的矢量激光光束，其中径向偏振的矢量空心光束的横向空间光强分布为环状，偏振矢量沿半径指向外，横截面上任意一点关于传输轴椭圆对称。角向偏振的矢量空心光束的横向空间光强分布为环状，偏振矢量沿角向分布，横截面上任意一点关于传输轴椭圆对称。

近年来，随着激光技术的发展及其应用领域的拓展，人们采用各种方法产生了一系列具有中心光强为零的新颖激光束：如拉盖尔-高斯光束、高阶-贝塞尔光束、面包圈空心光束和LP₀₁模输出空心光束等，形成了一个特殊的称为空心激光束(LHB)的光束大家族。自20世纪90年代以来，人们采用诸如横模选择法、几何光学法、模式变换法、光学全息法、计算全息法、空心光纤法和π相位板法等各种方法产生了各种不同的空心光束。由于空心光束具有一系列新颖独特的物理性质：如桶状强度分布、较小的暗斑尺寸和传播不变性，或具有自旋与轨道角动量等，空心光束作为激光导管、光学镊子(光钳)和光学扳手，目前已成为实现微观粒子(如微纳米粒子、生物细胞、中性原子等)精确操控和控制的有力工具。其中，径向和角向偏振的矢量空心光束具有优良的聚焦特性，在光学囚禁、光谱学、和超高分辨率显微镜很多领域有广泛的应用，因此受到了更多的关注。通常产生矢量空心光束有两种方法，一种是利用传统的光学衍射元件设计光路产生；另一种是在M-Z干涉光路中利用全息编译法产生。这两种方法都有各自的优点和缺点，传统的光学衍射元件法操作麻烦，实验结果单一。M-Z干涉法的光路准直共轴极为困难，一般采用相位板或者透射型SLM作为光束相位以及偏振调制元件。其中相位板方法不能灵活调节，结果单一。透射型SLM的透射效率只有30％，光利用率不高。

发明内容

本发明目的在于：解决传统的矢量空心光束产生光路难搭、难构建、实验结果单一、产生的矢量空心光束可调性差的问题，提出一种基于反射型SLM的M-Z干涉光路产生可调椭圆矢量空心光束的发生装置。该装置设计巧妙、搭建简单、操作灵活，可以产生在自由空间稳定传输的径向偏振或者角向偏振的椭圆矢量空心光束。

本发明的目的是这样实现的：

一种可调椭圆矢量空心光束产生装置，特点是该装置包括：激光光源、线偏振片、第一反射镜、空间滤波扩束系统、第一半波片、第二半波片、M-Z干涉仪及第一反射型空间光调制器(SLM)及第二反射型空间光调制器，其中M-Z干涉仪由第一偏振分束器(PBS)、第二偏振分束器、第二反射镜及第三反射镜构成；所述激光光源、线偏振片、第一反射镜、空间滤波扩束系统、第一半波片、M-Z干涉仪、第二半波片依次光路连接，第一反射式SLM、第二反射式SLM分别设置于M-Z干涉仪的两条干涉支路上，激光光源发出的激光经过线偏振片转化为线偏振光，然后被第一反射镜反射到空间滤波扩束系统，第一半波片调整激光的偏振方向，使之与M-Z干涉仪的第一偏振分束器成45°，激光被分成振幅相等、偏振方向互相垂直的两束高斯光束；其中一束光束经过第二半波片微调偏振反向，入射到第二反射型SLM上，被第二反射型SLM调制并反射的光束被第三反射镜反射到第二偏振分束器上，另一束光束入射到第一反射型SLM上，被第一反射型SLM调制并反射的光束被第二反射镜反射到第二偏振分束器上；通过第二偏振分束器合束，得到可调椭圆矢量空心光束，经CCD能够探测产生的空间稳定传输的椭圆矢量空心光束的空间分布。

所述空间滤波扩束系统由共焦的物镜、透镜以及滤波小孔组成，将入射激光光束进行扩束和针孔滤波；其中物镜和透镜是共焦的，且小孔在物镜和透镜之间的共焦平面上。

所述激光光源出射的激光模式是TEM₀₀模，光强分布为高斯型；激光波长在420-850nm。

所述第一反射型SLM及第二反射型SLM上编译二元灰度π相位板。

所述第一半波片将入射光调整为偏振方向与第一偏振分束器偏转轴竖直方向成45°角的光束，以保证经第一个偏振分束器后出射的S光和P光振幅相等。

所述第一偏振分束器及第二偏振分束器的适用光波波长在420-850nm。

所述第一反射型SLM及第二反射型SLM，适用光波波长在420-850nm，反射角度控制在7°以内。

本发明的空间滤波扩束系统：显微镜物镜，10倍的放大倍数，用以对入射高斯光束进行扩束，1mm的小孔进行其它模式和杂质的过滤，焦距为10cm透镜，小孔在物镜和透镜之间的共焦平面上。

本发明的线偏振片：激光光源输出的激光的偏振，使之变成完全线偏振光。

本发明的第一半波片：调节入射的高斯光束和M-Z干涉仪的第一个PBS的偏转轴成45°以确保分束的两个光束光强相等；

本发明的M-Z干涉仪：高斯光束在经过扩束和滤波以后入射到第一个PBS分束为两个光强相等、偏振相互垂直的高斯光束。在两条干涉支路上放置两个反射型SLM，在SLM上编译二元灰度相位板(Ф＝π)，将两条干涉支路上的高斯模式激光分别转化为TEM₀₁模式光束和TEM₁₀模式光束，转化后的两种模式光束在第二个PBS上面进行叠加，得到在自由空间无衍射稳定传输的椭圆矢量空心光束。通过调制两个SLM上的二元相位板的形状和空间相位分布可以分别得到径向偏振的椭圆矢量空心光束或者角向偏振的椭圆矢量空心光束。

本发明的有益效果是：由于使用反射型SLM调制光场的偏振以及强度分布，SLM调节自由度高，易操控，因此本装置即可以产生椭圆矢量空心光束偏振态分布可调，可以产生径向偏振的椭圆空心光束和角向偏振的椭圆矢量空心光束。另外由于干涉光路调节简便，易得到在自由空间可以稳定传输的椭圆矢量空心光束。综上，该装置功能强大，使用便捷，在科学研究以及社会生产方面有广泛的应用。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的两个反射式SLM分别产生的二元灰度相位板示意图，其中相差Ф＝π；图(a)第一反射式SLM的二元相位板结构以及对光偏振的调制，图(b)第二反射式SLM的二元相位板结构以及对光偏振的调制；

图3为本发明得到的光束图，图中(a)M-Z干涉一条支路上的光被第一SLM调制后得到TEM₁₀模式光束；(b)M-Z干涉一条支路上的光被第二SLM调制后得到TEM₀₁模式光束；(c)TEM₁₀模式的光束和TEM₀₁模式的光束线性叠加得到径向椭圆矢量空心光束；

图4为本发明实施例得到的椭圆矢量空心光束在yoz平面沿光轴10cm-30cm的二维光强分布图；

图5为本发明实施例所得的椭圆矢量空心光束偏振分布测量图，上图为径向椭圆矢量空心光束在线偏振片分别置于0°、45°、90°和135°时的二维光强分布；下图为角向椭圆矢量空心光束在线偏振片分别置于0°、45°、90°和135°时的二维光强分布。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作详细描述。

实施例

参阅图1，本发明采用的入射激光光源1为632.8nm的He-Ne激光，出射光为高斯光束。激光光源1经过线偏振片2使之变为完全的线偏振光束，经由反射镜3反射进入由物镜4、小孔5和透镜6组成的空间扩束滤波系统实现扩束和滤波。其中，显微镜物镜的放大倍数为10倍，小孔大小1mm，透镜焦距10cm，小孔介于物镜和透镜的共焦平面上。半波片7将入射光偏振方向调整为与M-Z干涉的第一个PBS 8偏转轴方向成45°，以保证经第一个PBS 8分束均匀。M-Z干涉的第一个PBS 8将入射光分成振幅相等、偏振方向互相垂直(一束竖直的S光，另一束水平的P光)的两束高斯光束。半波片9微调光偏振方向，确保M-Z干涉的两个支路光场偏振分布相互垂直。反射镜10和反射镜11为M-Z干涉的组成部分，实现光路的反射。反射式SLM12、13的相位跃变分界线相互垂直(一个以水平轴为对称中心，另一个以竖直轴为对称中心)，反射角控制在7°以内，分别将由PBS 8出射的S光和P光调制为TEM₀₁模式和TEM₁₀模式。M-Z干涉的第二个PBS 14将TEM₀₁模式和TEM₁₀模式的光束线性叠加为矢量空心光束。通过CCD 15可以探测产生的椭圆矢量空心光束光强分布。

本实施例中的两个SLM都是德国Holoeye公司的反射型空间光调制器，一个是Pluto纯相位型，像素数1920×1080，像素间距8μm，反射效率可以到70％；另一个是LC-R2500振幅相位型，像素数1024×768，像素间距19μm，反射效率也可以到70％。二者的相位范围都在2π区间内，所以利用相位和灰度值之间的关系，可以简单地编译二元灰度相位图。具体实施时对SLM的型号没有特殊要求，只要它对光场的相位调节范围达到π即可。通过相位来控制光场偏振以及强度分布，两个编译的π相位板相互垂直放置在光路中，就可以得到合成的椭圆矢量空心光束。由于M-Z两干涉支路光振动方向互相垂直，满足光强叠加条件，合理的设计和调节相位板的尺寸以及在SLM操作界面上移动相位板的相位跃变分界线相对于入射光矢量的方位，可以得到不同偏振的椭圆矢量空心光束。具体实施时，将SLM的液晶显示器(LCOS)与二维调整架结合在一起，可以满足对光路的准直共轴的调节，减少了LCOS加入给光路调节带来的困难，减少了对后面的叠加效果的干扰。在SLM操作软件上面的可移动的二元灰度相位板也增加了实验调节的又一个自由度，帮助降低M-Z干涉实验的难度。而简单二元灰度相位板的更换就可以得到不同偏振态的矢量光束。

本实施例第二个PBS 14的放置角度和第一个PBS 8的放置角度是一样的，所以作为合束的PBS 14不仅对两条调节后的光束有合束作用，而且对两个不同的偏振的光束还有一次过滤掉其它偏振的作用。

本实施例的激光光源波长范围可以在420nm-850nm范围之内，因此比较广范围内的激光可以应用为光源，产生的相应的椭圆矢量空心光束的波长范围也比较广。

本实施例在SLM中的二元灰度相位板(Ф＝π)的设计如下：

所谓二元相位板，当Ф＝π(即相差为π)时，相位板置于垂直于光轴(z轴)的xoy平面上，相位板的相位跃变分界线平行于y轴，并关于yoz平面对称时，经过相位板反射的光束由于光的干涉叠加，在yoz平面上产生完全的相消干涉，光强为零，在yoz平面的两侧干涉产生两个最大的光强，即TEM₁₀模式。如果把相位板旋转90°，使得相位跃变分界线平行于x轴，用同光强的光束照射，则可在xoz平面的两侧得到两个光强最大值，即TEM₀₁模式。设两个π相位板的几何尺寸2a×2b和2c×2d，则振幅透射率函数T₁(x,y)和T₂(x,y)分别为：

式中a,b是第一个SLM上二元π相位板的长轴和短轴长度，式中c,d是第二个SLM上二元π相位板的长轴和短轴长度。π相位板的长和宽以波长λ＝632.8nm的He-Ne激光入射，经过线偏振片成为完全的线性偏振的高斯光束，则入射光的光场单位振幅分布表示为：

式中W是高斯光束的束腰半径。在满足Fresnel衍射的近轴条件下，利用Fresnel衍射积分公式可以计算出光轴z_p位置的二维光强分布为：

其中r＝[(x_p-x)²+(y_p-y)²+(z_p-z)²]^1/2，T(x,y)＝T₁(x,y)或T₂(x,y)，E_in(x,y)exp(-ikr)/r表示波前面上某次波源(x,y)发出的复振幅为Ein(x,y)的球面波，x和y为积分变量。

这里SLM操作界面的灰度数值为128，对应相差π。而在操作界面的左右上下移动选项可以调节数值二元相位板的空间位置来对光束有一个合适的调节，放大和缩小的选项可以满足相位板的大小和光斑的大小相互契合。

本实施例结果如图3、图4和图5所示，图3中，在SLM中应用图2的二元灰度相位板。图3(a)和(b)经过两个SLM分别调制以后得到的TEM₁₀和TEM₀₁模式。图3(c)为得到合束以后的径向偏振的椭圆矢量空心光束二维光强分布图。图4为得到的椭圆矢量空心光束在沿光轴10cm-30cm范围内的二维光强分布。图5上图为径向偏振的椭圆矢量空心光束在线偏振片分别置于0°、45°、90°和135°时的二维光强分布；而图5下图为角向偏振的椭圆矢量空心光束在线偏振片分别置于0°、45°、90°和135°时的二维光强分布(角向偏振椭圆矢量光束产生时两个SLM的相位板正好与径向偏振的椭圆矢量空心光束产生时的两个SLM的相位板互换)。该结果表明此合束的空心光束确实与理论设计的结果相一致，满足预期的设计要求。

本发明的有益效果还包括以下几个方面：

(1)本发明适用的激光光源范围广，为SLM可调节的光谱范围(420nm-850nm)。

(2)本发明的反射型SLM，具有很高的反射效率，在其中的二元相位板编译降低了全息编译的难度，涉及的数学计算量很小，其二进制图像和软件本身的可调节性大大丰富实验结果。

(3)本发明产生的椭圆矢量空心光束可以在自由空间稳定传输，在较长的距离范围内一直保持暗斑尺寸大小不变的桶状光强分布。不必使用透镜系统整形便可检测到良好的叠加输出结果。

(4)本发明获得的椭圆矢量空心光束，由于二元相位板的大小尺寸和SLM调制产生两个光强之间的中空距离之间存在一定的关系，所以矢量空心光束的椭圆形暗斑区域的一个轴向尺寸可以在控制在20％内，这使得产生的矢量空心光束多了一个可以控制的自由度。

(5)本发明在借助M-Z干涉光路的基础上设计比较巧妙，光路的搭建和调节简易化，在产生其它矢量光束的转化中，操作变得极为简单。

(6)由以上分析可以看出，从硬件上优化矢量空心光束产生装置的光路系统以及光学元件的质量，可以达到更多样、更高质量的矢量空心光束的输出。

Claims (7)

1.一种可调椭圆矢量空心光束产生装置，其特征在于，该装置包括：激光光源、线偏振片、第一反射镜、空间滤波扩束系统、第一半波片、第二半波片、M-Z干涉仪及第一反射型空间光调制器及第二反射型空间光调制器，其中M-Z干涉仪由第一偏振分束器、第二偏振分束器、第二反射镜及第三反射镜构成；所述激光光源、线偏振片、第一反射镜、空间滤波扩束系统、第一半波片、M-Z干涉仪、第二半波片依次光路连接，第一反射型空间光调制器、第二反射型空间光调制器分别设置于M-Z干涉仪的两条干涉支路上，激光光源发出的激光经过线偏振片转化为线偏振光，然后被第一反射镜反射到空间滤波扩束系统，第一半波片调整激光的偏振方向，使之与M-Z干涉仪的第一偏振分束器成45⁰，激光被分成振幅相等、偏振方向互相垂直的两束高斯光束；其中一束光束经过第二半波片微调偏振反向，入射到第二反射型空间光调制器上，被第二反射型空间光调制器调制并反射的光束被第三反射镜反射到第二偏振分束器上，另一束光束入射到第一反射型空间光调制器上，被第一反射型空间光调制器调制并反射的光束被第二反射镜反射到第二偏振分束器上；通过第二偏振分束器合束，得到可调椭圆矢量空心光束，经CCD能够探测产生的空间稳定传输的椭圆矢量空心光束的空间分布。

2.根据权利要求1所述的可调椭圆矢量空心光束产生装置，其特征在于，所述空间滤波扩束系统由共焦的物镜、透镜以及滤波小孔组成，将入射激光光束进行扩束和针孔滤波；其中物镜和透镜是共焦的，且小孔在物镜和透镜之间的共焦平面上。

3.根据权利要求1所述的可调椭圆矢量空心光束产生装置，其特征在于，所述激光光源出射的激光模式是TEM₀₀模，光强分布为高斯型；激光波长在420-850nm。

4.根据权利要求1所述的可调椭圆矢量空心光束产生装置，其特征在于，所述第一反射型空间光调制器及第二反射型空间光调制器上编译二元灰度π相位板。

5.根据权利要求1所述的可调椭圆矢量空心光束产生装置，其特征在于，所述第一半波片将入射光调整为偏振方向与第一偏振分束器偏转轴竖直方向成45°角的光束，以保证经第一个偏振分束器后出射的S光和P光振幅相等。

6.根据权利要求1所述的可调椭圆矢量空心光束产生装置，其特征在于，所述第一偏振分束器及第二偏振分束器的适用光波波长在420-850nm。

7.根据权利要求1所述的可调椭圆矢量空心光束产生装置，其特征在于，所述第一反射型空间光调制器及第二反射型空间光调制器，适用光波波长在420-850nm，反射角度控制在7°以内。