CN110031982B - 利用二维光栅和棱镜产生正方阵列矢量光束的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用二维光栅和棱镜产生正方阵列矢量光束的方法与装置，该装置包括包括激光光源、扩束准直镜、起偏器、级联光路、第一分光棱镜、第一光路、第二光路和第二分光棱镜；激光光源发射的激光光束经过扩束准直镜扩束，形成大口径平行光束；平行光束经过起偏器起偏和级联光路后形成四束平行光束；四束光束照射到第一分光棱镜上被分成两路光，分别照射到第一光路和第二光路，第一光路和第二光路分别将光反射至第二分光棱镜，经过第二分光棱镜的两路光叠加后得到正方阵列矢量光束。本发明将摆脱径向偏振光转换器或角向空间偏振光转换器，提高光学系统的能量利用率。

Description

利用二维光栅和棱镜产生正方阵列矢量光束的方法与装置

技术领域

本公开涉及光束产生技术领域，具体涉及一种利用二维光栅和棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法与装置。

背景技术

矢量光束是一种有特殊的空间局域偏振分布的光束，它在光束的横截面上每一点的偏振状态不尽相同，并不是均匀分布的。

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。

发明人在研究过程中发现，上述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，径向偏振光转换器或角向空间偏振光转换器的价格比较昂贵，采用上述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

为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种利用二维光栅和棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法与装置，将摆脱径向偏振光转换器或角向空间偏振光转换器，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。

本公开的第一方面的一种利用二维光栅和棱镜产生正方阵列矢量光束的装置的技术方案是：

一种利用二维光栅和棱镜产生正方阵列矢量光束的装置，该装置包括激光光源、扩束准直镜、起偏器、级联光路、第一分光棱镜、第一光路、第二光路和第二分光棱镜；

激光光源发射的激光光束经过扩束准直镜扩束，形成大口径平行光束；平行光束经过起偏器起偏和级联光路后形成四束平行光束；四束光束照射到第一分光棱镜上被分成两路光，分别照射到第一光路和第二光路，第一光路和第二光路分别将光反射至第二分光棱镜，经过第二分光棱镜的两路光叠加后得到正方阵列矢量光束。

作为本公开的进一步技术方案，所述级联光路包括二维正交光栅、第一傅里叶透镜、滤波器和第二傅里叶透镜，经过起偏器起偏后，平行光束依次经过二维正交光栅、第一傅里叶透镜、滤波器和第二傅里叶透镜后形成四束平行光束。

作为本公开的进一步技术方案，所述二维正交光栅采用二元纯相位型光栅。

作为本公开的进一步技术方案，所述第一光路包括平面反射镜。

作为本公开的进一步技术方案，所述第二光路包括五角棱镜。

作为本公开的进一步技术方案，所述第二光路包括直角屋脊棱镜或直角棱镜。

作为本公开的进一步技术方案，还包括CCD，经过第二分光棱镜的两路光分别由CCD记录其所对应光场的光强分布。

本公开的第二方面的一种利用二维光栅和棱镜产生正方阵列矢量光束的方法的技术方案是：

一种利用二维光栅和棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法，该方法基于如上所述的利用二维光栅和棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置实现的，该方法包括以下步骤：

激光光源发射的激光光束经过扩束准直镜扩束，形成大口径平行光束；

平行光束经过起偏器起偏后，依次经过二维正交光栅、第一傅里叶透镜、滤波器和第二傅里叶透镜后形成四束平行光束；

四束光束照射到第一分光棱镜上被分成两路光，一路光经过第一光路反射至第二分光棱镜；另一路光经过第二光路反射至第二分光棱镜，经过第二分光棱镜的两路光叠加后得到正方阵列矢量光束；

经过第二分光棱镜的两路光分别由CCD记录其所对应光场的光强分布情况。

通过上述技术方案，本公开的有益效果是：

(1)本公开利用二维光栅和棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，利用多光束干涉基本原理，采用二维正交光栅及棱镜，利用两个光学支路产生了正方阵列矢量光束；

(2)本公开能够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。

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申请，并不构成对本公开的不当限定。

图1是实施例一利用二维光栅和五角棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置的结构图；

图2是实施例一起偏器对光的起偏方向示意图；

图3是实施例一上方光学支路对应输出光场的强度分布及相应的相位分布；

图4是实施例一下方光学支路对应输出光场的强度分布及相应的相位分布；

图5是实施例一装置产生的正方阵列矢量光束的光场强度分布及相应的偏振状态分布；

图6是实施例二利用二维光栅和直角屋脊棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置的结构图；

图7是实施例三利用二维光栅和直角棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置的结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

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，本公开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申请的示例性实施方式。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。

实施例一

请参阅附图1，本实施例提供一种利用二维光栅和五角棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，该装置包括激光光源1、扩束准直镜2、起偏器3、二维正交光栅4、第一傅里叶透镜5、滤波器6、第二傅里叶透镜7、第一分光棱镜8、平面反射镜9、五角棱镜10、第二分光棱镜11和CCD12。

激光光源1发射的激光光束经过扩束准直镜2扩束，形成大口径平行光束；经过起偏器3起偏后，平行光束依次经过二维正交光栅4、第一傅里叶透镜5、滤波器6和第二傅里叶透镜7后形成四束沿光轴方向具有相同波矢的对称平行光束；四束光束照射到第一分光棱镜8上被分成两路光，分别照射到五角棱镜10和平面反射镜9，五角棱镜10和平面反射镜9分别将光反射至第二分光棱镜11，经过第二分光棱镜11的两路光叠加后得到正方阵列矢量光束；经过第二分光棱镜的两束光由CCD记录其所对应光场的光强分布情况。

在本实施例中，所述起偏器3的偏光方向和水平方向、竖直方向夹角均为45度。请参阅附图2，箭头为起偏器对光的起偏方向。

为了提高系统的能量利用率，所述二维正交光栅4可以采用二元纯相位型光栅，如图3中(a)所示。该二维正交光栅在±45°两个方向上的周期之比为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。图3中(b)为经过该二维正交光栅4的光场经过第一傅里叶透镜5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。

在本实施例中，所述滤波器6选择中心的四个亮斑(近似认为是理想的点光源)通过，经过滤波器6的四个点光源经过后面的第二傅里叶透镜后变为四束沿光轴方向具有相同波矢的对称平行光束，由于四束光沿光轴方向具有相同波矢，意味着这四束光的干涉所产生的光场具有空间衍射不变特性。

经过第一分光棱镜8透射后的一路光经过上方光学支路的平面反射镜9反射到第二分光棱镜11后再次反射后被CCD记录所对应光场的光强分布情况。图3中(c)为上方光学支路对应的出射光场在CCD处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。

经过第一分光棱镜8透射后的另一路光经过下方光学支路的五角棱镜10，经过五角棱镜10发生两次反射后透过第二分光棱镜11的光场的光强分布情况被CCD所记录。

由于光场经过下方光学支路的五角棱镜10所发生的反射次数比经过上方光学支路的平面反射镜9发生反射的次数多一次，意味着下方光学支路的出射的光场的强度分布及偏振方向均是上方支路出射光场的镜像。图4中(a)为下方光学支路出射光场在CCD处的归一化光强分布情况。若上下两个光学支路的光程差恰好为光波波长的整数倍时，下方光学支路出射光场的相位分布情况如图4中(b)所示。

由图3、图4中所显示的两个光学支路的光场强度分布及相应的相位分布，考虑到其偏振方向恰好垂直，通过调整正交光栅的位置，这两个支路的出射光场的叠加可以产生所期待的正方阵列矢量光束。

图5中(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中(b)给出了最小单元的光场的强度分布及光的偏振状态的分布情况，图中的线段表示光场处处为局域线偏振的，从图中可以看出左侧和右侧对角的两个具有比较典型的径向矢量光束的偏振特征。

本实施例还提供一种利用二维光栅和五角棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法，该方法包括以下步骤：

激光光源1发射的激光光束经过扩束准直镜2扩束，形成大口径平行光束；

平行光束经过起偏器3起偏后，依次经过二维正交光栅4、第一傅里叶透镜5、滤波器6和第二傅里叶透镜7后形成四束沿光轴方向具有相同波矢的对称平行光束；

四束光束照射到第一分光棱镜8上被分成两路光，一路光照射到五角棱镜10上，经过五角棱镜10反射至第二分光棱镜11，经过第二分光棱镜11透射后的光由CCD记录其所对应光场的光强分布情况；另一路光照射到平面反射镜9上，经过平面反射镜9反射至第二分光棱镜11，经过第二分光棱镜11反射后的光由CCD记录其所对应光场的光强分布情况；经过第二分光棱镜11后的两路光叠加后得到正方阵列矢量光束。

本实施例提出的利用二维光栅和棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，利用多光束干涉基本原理，采用二维正交光栅及五角棱镜，利用两个光学支路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点，在实际生产生活中有着一定的应用价值。

实施例二

请参阅附图6，本实施例提供一种利用二维光栅和直角屋脊棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，该装置包括激光光源1、扩束准直镜2，起偏器3、二维正交光栅4、第一傅里叶透镜5、滤波器6、第二傅里叶透镜7、第一分光棱镜8、平面反射镜9、直角屋脊棱镜13、第二分光棱镜11和CCD12。

激光光源1发射的激光光束经过扩束准直镜2扩束，形成大口径平行光束；经过起偏器3起偏后，平行光束依次经过二维正交光栅4、第一傅里叶透镜5、滤波器6和第二傅里叶透镜7后形成四束沿光轴方向具有相同波矢的对称平行光束；四束光束照射到第一分光棱镜8上被分成两路光束，分别照射到直角屋脊棱镜13和平面反射镜9，直角屋脊棱镜13和平面反射镜9分别将光束反射至第二分光棱镜11，经过第二分光棱镜11的两路光叠加后得到正方阵列矢量光束；经过第二分光棱镜的两路光由CCD记录其所对应光场的光强分布情况。

本实施例还提供一种利用二维光栅和棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法，该方法包括以下步骤：

激光光源1发射的激光光束经过扩束准直镜2扩束，形成大口径平行光束；

平行光束经过起偏器3起偏后，依次经过二维正交光栅4、第一傅里叶透镜5、滤波器6和第二傅里叶透镜7后形成四束沿光轴方向具有相同波矢的对称平行光束；

四束光束照射到第一分光棱镜8上被分成两路光，一路光照射到直角棱镜13上，经过直角屋脊棱镜13反射至第二分光棱镜11，经过第二分光棱镜11后由CCD记录其所对应光场的光强分布情况；另一路光照射到平面反射镜9上，经过平面反射镜9反射至第二分光棱镜11，经过第二分光棱镜11反射后由CCD记录器其所对应光场的光强分布情况；

经过第二分光棱镜11的两路光叠加后得到正方阵列矢量光束。

本实施例提出的利用二维光栅和直角屋脊棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，利用多光束干涉基本原理，采用二维正交光栅及直角屋脊棱镜，利用两个光学支路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点，在实际生产生活中有着一定的应用价值。

实施例三

请参阅附图6，本实施例提供一种利用二维光栅和直角棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，该装置包括激光光源1、扩束准直镜2，起偏器3、二维正交光栅4、第一傅里叶透镜5、滤波器6、第二傅里叶透镜7、平面反射镜9、直角棱镜15、第三分光棱镜14和CCD12。

激光光源1发射的激光光束经过扩束准直镜2扩束，形成大口径平行光束；经过起偏器3起偏后，平行光束依次经过二维正交光栅4、第一傅里叶透镜5、滤波器6和第二傅里叶透镜7后形成四束沿光轴方向具有相同波矢的对称平行光束；四束光束照射到第三分光棱镜14上被分成两路光，分别照射到直角棱镜15和平面反射镜9，直角棱镜15和平面反射镜9分别将光反射至第三分光棱镜14；经过第三分光棱镜14的两路光叠加后得到正方阵列矢量光束；经过第三分光棱镜14的两路光由CCD记录其所对应光场的光强分布情况。

本实施例还提供一种利用二维光栅和棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的方法，该方法包括以下步骤：

激光光源1发射的激光光束经过扩束准直镜2扩束，形成大口径平行光束；

平行光束经过起偏器3起偏后，依次经过二维正交光栅4、第一傅里叶透镜5、滤波器6和第二傅里叶透镜7后形成四束沿光轴方向具有相同波矢的对称平行光束；

四束光束照射到第三分光棱镜14上被分成两路光，一路光照射到直角棱镜15上；另一路光照射到平面反射镜9上，直角棱镜15和平面反射镜9分别将光反射至第三分光棱镜14；经过第三分光棱镜14的两路光叠加后得到正方阵列矢量光束；

经过第三分光棱镜14的两路光由CCD记录其所对应光场的光强分布情况。

本实施例提出的利用二维光栅和直角棱镜产生空间衍射不变正方阵列矢量光束的装置，利用多光束干涉基本原理，采用二维正交光栅及直角棱镜，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点，在实际生产生活中有着一定的应用价值。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种利用二维光栅和棱镜产生正方阵列矢量光束的装置，其特征是，该装置包括激光光源、扩束准直镜、起偏器、级联光路、第一分光棱镜、第一光路、第二光路和第二分光棱镜；

激光光源发射的激光光束经过扩束准直镜扩束，形成大口径平行光束；平行光束经过起偏器起偏和级联光路后形成四束沿光轴方向具有相同波矢的对称平行光束；四束对称平行光束照射到第一分光棱镜上被分成两路光，分别照射到第一光路和第二光路，第一光路和第二光路分别将光反射至第二分光棱镜，经过第二分光棱镜的两路光叠加后得到正方阵列矢量光束；所述第一光路包括平面反射镜；所述第二光路包括五角棱镜、直角屋脊棱镜或直角棱镜；

所述级联光路包括二维光栅、第一傅里叶透镜、滤波器和第二傅里叶透镜，经过起偏器起偏后，平行光束依次经过二维光栅、第一傅里叶透镜、滤波器和第二傅里叶透镜后形成四束沿光轴方向具有相同波矢的对称平行光束。

2.根据权利要求1所述的利用二维光栅和棱镜产生正方阵列矢量光束的装置，其特征是，所述二维光栅采用二元纯相位型光栅。

3.根据权利要求1所述的利用二维光栅和棱镜产生正方阵列矢量光束的装置，其特征是，还包括CCD，经过第二分光棱镜的两路光分别由CCD记录其所对应光场的光强分布情况。

4.一种利用二维光栅和棱镜产生空间衍射不变的正方阵列矢量光束的方法，该方法基于如权利要求1-3中任一项所述的利用二维光栅和棱镜产生正方阵列矢量光束的装置实现，其特征是，该方法包括以下步骤：

激光光源发射的激光光束经过扩束准直镜扩束，形成大口径平行光束；

平行光束经过起偏器起偏后，依次经过二维光栅、第一傅里叶透镜、滤波器和第二傅里叶透镜后形成四束沿光轴方向具有相同波矢的对称平行光束；

四束对称平行光束照射到第一分光棱镜上被分成两路光，一路光经过第一光路反射至第二分光棱镜；另一路光经过第二光路反射至第二分光棱镜，经过第二分光棱镜的两路光叠加后得到正方阵列矢量光束。

5.根据权利要求4所述的利用二维光栅和棱镜产生空间衍射不变的正方阵列矢量光束的方法，其特征是，经过第二分光棱镜的两路光分别由CCD记录其所对应光场的光强分布情况。

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