CN109709683A - 利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置及方法，所述装置中激光经扩束准直镜后获得大口径平行光束，所述大口径平行光束经过起偏器后经过偏振分光棱镜获得两束偏振方向分别沿竖直和水平方向的大口径平行光束；偏振方向沿竖直和水平方向的大口径平行光束分别经过平面反射镜反射后入射到两块具有相同参数的二维正交光栅上；具有相同参数的二维正交光栅分别位于右侧的光学支路及下方的光学支路中，通过调整两个二维正交光栅的相对位置，两条光学支路的光场的叠加产生所需的周期阵列正方矢量光束。本公开相比于以往的滤波法具有能量利用率高、空间衍射不变传输的优良特性，在材料的加工、粒子的分流等领域有一定的应用空间。

Description

利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置及 方法

技术领域

本公开涉及光学技术领域，特别是涉及利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置及方法。

背景技术

目前，可以采用径向偏振光转换器或角向空间偏振光转换器产生单个的矢量光束，另外基于类似于分子电流环的原理，还可以将径向偏振光转换器或角向空间偏振光转换器作为空间频谱滤波器产生具有任意形状、任意排列的矢量光束，然而，这种方法产生的周期排列的矢量光束的能量利用率非常低，而且随着衍射距离的变化，矢量光束的能量将很快弥散，应用价值堪忧。

此外，一个口径为一英寸的径向偏振光转换器或角向空间偏振光转换器价格昂贵，大口径的径向偏振光转换器或角向空间偏振光转换器价格将更加高昂，这些问题都意味着采用这种方式所产生的周期排列的矢量光束的实际应用价值不大。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开实施例子提供了利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置及方法，所产生的正方阵列矢量光束能量利用率高，且还具有衍射不变的优良特性。

本说明书实施方式提供利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，所述装置中激光经扩束准直镜后获得大口径平行光束，所述大口径平行光束经过起偏器后经过偏振分光棱镜获得两束偏振方向分别沿竖直和水平方向的大口径平行光束；

所述偏振方向沿竖直和水平方向的大口径平行光束分别经过平面反射镜反射后入射到两块具有相同参数的二维正交光栅上；

所述具有相同参数的二维正交光栅分别位于右侧的光学支路及下方的光学支路中，通过调整两个二维正交光栅的相对位置，两条光学支路的光场的叠加产生所需的周期阵列正方矢量光束。

作为本公开进一步的技术方案，在两条光学支路中，经过二维正交光栅的光场经过傅里叶透镜在透镜后焦面处生成频谱，通过滤波器选择中心若干个亮斑通过，经过滤波器的若干个点光源经过另一偏振分光棱镜后再经过另外的傅里叶透镜。

作为本公开进一步的技术方案，利用CCD记录两条光学支路中对应的若干个点光源经过另一偏振分光棱镜后再经过另外的傅里叶透镜后的光场的光强分布情况。

作为本公开进一步的技术方案，下方的光学支路所使用的二维正交光栅相对于右侧的光学支路中所使用的二维正交光栅沿光轴旋转了90度。

作为本公开进一步的技术方案，两块具有相同参数的二维正交光栅均采用二元纯相位型光栅。

作为本公开进一步的技术方案，右侧的光学支路中所使用的二维正交光栅在竖直和水平两个方向上的周期长度之比为1：2；

下方的光学支路所使用的二维正交光栅，其在竖直和水平两个方向上的周期长度之比为2：1。

本说明实施例子还提供了利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法，包括：

激光经扩束准直镜后获得大口径平行光束，所述大口径平行光束经过起偏器后经过偏振分光棱镜获得两束偏振方向分别沿竖直和水平方向的大口径平行光束；

所述偏振方向沿竖直和水平方向的大口径平行光束分别经过平面反射镜反射后入射到两块具有相同参数的二维正交光栅上；

所述具有相同参数的二维正交光栅分别位于右侧的光学支路及下方的光学支路中，通过调整两个二维正交光栅的相对位置，两条光学支路的光场的叠加产生所需的周期阵列正方矢量光束。

作为本公开进一步的技术方案，在两条光学支路中，经过二维正交光栅的光场经过傅里叶透镜在透镜后焦面处生成频谱，通过滤波器选择中心若干个亮斑通过，经过滤波器的若干个点光源经过另一偏振分光棱镜后再经过另外的傅里叶透镜。

一种应用，利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法应用在材料的加工领域。

一种应用，利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法应用在粒子的分流领域。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

利用本公开的装置及方法可以比较容易的获得具有空间衍射不变特性的周期阵列正方矢量光束，相比于以往的滤波法具有能量利用率高、空间衍射不变传输的优良特性，在材料的加工、粒子的分流等领域有一定的应用空间。

现有的采用偏振光转换器产生任意形状、任意排列的矢量光束的手段类似于分子电流环的原理，大部分能量会在内部相互抵消掉，使得能量利用率比较低。本公开是基于具有相同的轴向波矢的多光束干涉产生周期排列的矢量光束的方法，通过两个二维正交光栅予以实现，最大程度的提高了系统的能量利用率。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例子的光路图；

图2为本公开实施例子起偏器对光的起偏方向示意图；

图3(a)为本公开实施例子右侧的光学支路里面所用的二维光栅示意图；

图3(b)为本公开实施例子右侧的光学支路中经过二维正交光栅的光场经过傅里叶透镜在透镜后焦面处生成的频谱的归一化复振幅的绝对值的分布情况示意图；

图3(c)为本公开实施例子右侧的光学支路在CCD上的光场的归一化光强分布情况示意图；

图3(d)为本公开实施例子右侧的光学支路在CCD上的光场的归一化光强对应的光场相位分布情况示意图；

图4(a)为本公开实施例子下方的光学支路里面所用的二维光栅示意图；

图4(b)为本公开实施例子下方的光学支路中经过二维正交光栅的光场经过傅里叶透镜在透镜后焦面处生成的频谱的归一化复振幅的绝对值的分布情况示意图；

图4(c)为本公开实施例子下方的光学支路在CCD上的光场的归一化光强分布情况示意图；

图4(d)为本公开实施例子下方的光学支路在CCD上的光场的归一化光强对应的光场相位分布情况示意图；

图5(a)为本公开实施例子所产生的周期阵列矢量光束的归一化强度分布图；

图5(b)为本公开实施例子最小单元的光场的强度分布及光的偏振方向的分布情况示意图；

图中，1为激光光源，2为扩束准直镜，3为起偏器，4为第一偏振分光棱镜，5为第一平面反射镜，6为第一二维正交光栅，7为第一傅里叶透镜，8为第一滤波器，9为CCD，10为第三傅里叶透镜，11为第二偏振分光棱镜，12为第二平面反射镜，13为第二二维正交光栅，14为第二傅里叶透镜，15为第二滤波器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本公开的一种典型的实施方式中，将摆脱径向偏振光转换器或角向空间偏振光转换器，尽可能的提高光学系统的能量利用率，并使得周期排列的矢量光束保持其衍射不变特性，以使周期排列的矢量光束在实际的生产生活得到更加广泛的应用。

本公开技术方案是利用沿轴向具有相同的波矢的多光束干涉产生周期排列的矢量光束的，由于所有的光束都具有相同的轴向波矢，故使得干涉光场的强度分布不随传输距离而变化，即衍射不变。

本公开实施例子中的正方阵列矢量光束是周期排列矢量光束中的一种。具有一定周期排列的矢量光束称为周期排列矢量光束。

本公开实施例子中利用两块正交二维周期光栅，产生了正方阵列矢量光束，所产生的正方阵列矢量光束能量利用率高，且还具有衍射不变的优良特性，相比于现有的滤波法有着无可比拟的优势。

本公开是基于具有相同的轴向波矢的多光束干涉产生周期排列的矢量光束的方法，通过两个二维正交光栅予以实现，经过二维正交光栅的光场经过傅里叶透镜后的能量主要集中在中心区域附近的对称的四个亮斑上，本公开中用到的滤波器能够确保这四个亮斑顺利通过，使得这一方法具有非常高的能量利用率。

在该实施例子中，利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置具体的光路图参见附图1所示，激光光源1发出激光，此处，激光具体参数可以依据激光光源进行调节，获得所需要的激光，激光经扩束准直镜2后获得大口径平行光束。大口径平行光束经过偏振片3后再经过第一偏振分光棱镜4在两个支路上分别获得偏振方向分别沿竖直和水平方向的大口径平行光束。两路光分别经过第一平面反射镜5及第二平面反射镜12反射后入射到两块具有相同参数的第一二维正交光栅6及第二二维正交光栅13。

在该实施例子中，参见附图2所示，起偏器也称偏振片，其中的箭头为起偏器对光的起偏方向，起偏器的偏光方向和水平方向、竖直方向夹角均为45度。

为了提高系统的能量利用率，二维正交光栅可以采用二元纯相位型光栅，假设右侧的光学支路里面所用的二维光栅如图3(a)所示。此二维正交光栅在竖直和水平两个方向上的周期长度之比为1：2，浅灰色的格子和黑色的格子对光束的相位改变量相差半个波长。

在右侧的光学支路中，经过第一二维正交光栅6的光场经过第一傅里叶透镜7在透镜后焦面处生成的频谱，再经过第一滤波器8只选择中心的四个亮斑(近似认为是理想的点光源)通过，经过第一滤波器的四个点光源经第二偏振分光棱镜11透射后经过第三傅里叶透镜10，CCD9可以记录到对应的光场的光强分布情况。

单个右侧的光学支路所产生光场的光强分布是正方阵列矢量光束的一部分，具体的光强分布见图3(c)。

具体的，图3(b)为经过此二维正交光栅的光场经过傅里叶透镜在透镜后焦面处生成的频谱的归一化复振幅的绝对值的分布情况，图3(c)为右侧的光学支路在CCD上的光场的归一化光强分布情况，图3(d)为对应的光场相位分布情况。

下方的光学支路所使用的第二二维正交光栅13相对于右侧的光学支路中所使用的光栅沿光轴旋转了90度，图4(a)所示为下方的光学支路所使用的二维正交光栅，其在竖直和水平两个方向上的周期长度之比为2：1，浅灰色的格子和黑色的格子对光束的相位改变量相差半个波长。图4(b)为经过此二维正交光栅的光场经过第二傅里叶透镜14在透镜后焦面出生成的频谱的归一化复振幅的绝对值的分布情况，该实施例子中设置合适的第二滤波器15只选择中心的四个亮斑(近似认为是理想的点光源)通过，经过第二滤波器15的四个点光源经过后面的第二偏振分光棱镜11反射后经第三傅里叶透镜10透射，CCD9可以记录到对应光场的光强分布情况。图4(c)为下方的光学支路在CCD上的光场的归一化光强分布情况，图4(d)为对应的光场相位分布情况。

第二二维正交光栅13相对于右侧的光学支路中所使用的光栅沿光轴旋转了90度，旋转其他角度肯定无法得到正方阵列矢量光束。要得到正方阵列矢量光束，必须确保用来产生正方阵列矢量光束的两个子光场是正交的。

由图3、图4中的(c)、(d)可以看出，通过调整两个正交光栅的相对位置，这两个支路的光场的叠加可以产生所期待的阵列矢量光束。图5(a)为所产生的周期阵列矢量光束的归一化强度分布，显然图中所示的周期阵列矢量光束的最小单元为2×2格子。图5(b)给出了最小单元的光场的强度分布及光的偏振方向的分布情况，从图中可以看出左上角和右下角对角的两个具有比较典型的径向矢量光束的偏振特征。

调整两个二维正交光栅的某一奇点位置同时处在光轴上可以确保两个支路的光场叠加产生正方阵列矢量光束。可以通过移动二维光栅的水平和竖直位置来实现。

本公开的另一实施例子利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法，激光经扩束准直镜后获得大口径平行光束，所述大口径平行光束经过起偏器后经过偏振分光棱镜获得两束偏振方向分别沿竖直和水平方向的大口径平行光束；

所述偏振方向沿竖直和水平方向的大口径平行光束分别经过平面反射镜反射后入射到两块具有相同参数的二维正交光栅上；

所述具有相同参数的二维正交光栅分别位于右侧的光学支路及下方的光学支路中，通过调整两个二维正交光栅的相对位置，两条光学支路的光场的叠加产生所需的周期阵列正方矢量光束。

具体步骤再次参见附图1所示，包括：

第一步：激光经过扩束准直镜2获得大口径平行光束，经起偏器3后经过第一偏振分光棱镜4获得两束偏振方向分别沿竖直和水平方向的平行光束；

第二步：偏振方向沿竖直和水平方向的平行光束分别经过第一平面反射镜5及第二平面反射镜12反射后入射到两块具有相同参数的二维正交光栅即第一二维正交光栅6及第二二维正交光栅上，经第一傅里叶透镜7及第二傅里叶透镜14后得到二维正交光栅的频谱；

第三步：在第一傅里叶透镜7及第二傅里叶透镜14的后焦面上放置第一滤波器8及第二滤波器15确保中心区域附近的最亮的四个光斑通过，经过第二偏振分光棱镜11和第三傅里叶透镜10后，两个支路的光合为一束；

第四步：调整两个二维光栅的相对位置，获得正方阵列矢量光束。

需要说明的是，本申请实施例子中所涉及的“下方”及“右方”均为相对而言的，并不代表对具体方案的限定。

本公开的又一实施例子公开了上述装置或方法的应用，具体的，在材料的加工、粒子的分流等领域。

主要还是依靠光场对粒子的作用力方面，类似于光镊，阵列光场对不同粒子的作用力不同可以实现不同粒子的分流。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，其特征是，所述装置中激光经扩束准直镜后获得大口径平行光束，所述大口径平行光束经过起偏器后经过偏振分光棱镜获得两束偏振方向分别沿竖直和水平方向的大口径平行光束；

所述偏振方向沿竖直和水平方向的大口径平行光束分别经过平面反射镜反射后入射到两块具有相同参数的二维正交光栅上；

所述具有相同参数的二维正交光栅分别位于右侧的光学支路及下方的光学支路中，通过调整两个二维正交光栅的相对位置，两条光学支路的光场的叠加产生所需的周期阵列正方矢量光束。

2.如权利要求1所述的利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，其特征是，在两条光学支路中，经过二维正交光栅的光场经过傅里叶透镜在透镜后焦面处生成频谱，通过滤波器选择中心若干个亮斑通过，经过滤波器的若干个点光源经过另一偏振分光棱镜后再经过另外的傅里叶透镜。

3.如权利要求1所述的利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，其特征是，利用CCD记录两条光学支路中对应的若干个点光源经过另一偏振分光棱镜后再经过另外的傅里叶透镜后的光场的光强分布情况。

4.如权利要求1所述的利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，其特征是，下方的光学支路所使用的二维正交光栅相对于右侧的光学支路中所使用的二维正交光栅沿光轴旋转了90度。

5.如权利要求1所述的利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，其特征是，两块具有相同参数的二维正交光栅均采用二元纯相位型光栅。

6.如权利要求1所述的利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，其特征是，右侧的光学支路中所使用的二维正交光栅在竖直和水平两个方向上的周期长度之比为1：2；

下方的光学支路所使用的二维正交光栅，其在竖直和水平两个方向上的周期长度之比为2：1。

7.利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法，其特征是，包括：

激光经扩束准直镜后获得大口径平行光束，所述大口径平行光束经过起偏器后经过偏振分光棱镜获得两束偏振方向分别沿竖直和水平方向的大口径平行光束；

所述偏振方向沿竖直和水平方向的大口径平行光束分别经过平面反射镜反射后入射到两块具有相同参数的二维正交光栅上；

所述具有相同参数的二维正交光栅分别位于右侧的光学支路及下方的光学支路中，通过调整两个二维正交光栅的相对位置，两条光学支路的光场的叠加产生所需的周期阵列正方矢量光束。

8.如权利要求7所述的利用二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法，其特征是，在两条光学支路中，经过二维正交光栅的光场经过傅里叶透镜在透镜后焦面处生成频谱，通过滤波器选择中心若干个亮斑通过，经过滤波器的若干个点光源经过另一偏振分光棱镜后再经过另外的傅里叶透镜。

9.一种应用，利用权利要求7-8任一所述的二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法应用在材料的加工领域。

10.一种应用，利用权利要求7-8任一所述的二维光栅产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法应用在粒子的分流领域。