CN112285938B - 一种奇异空心光束的产生装置及产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种奇异空心光束的产生装置及产生方法，包括：激光器、分光片、法拉第旋光器、二分之一波片、偏振转换器、反射镜和感光元件；激光器置于分光片一侧，在分光片的一偏振光的传播方向上依次设有法拉第旋光器、二分之一波片、S波片和反射镜，在分光片的另一束偏振光的传播方向上设有感光元件。发明可以方便快速的得到中心光强可控的奇异光束，装置结构简单，便于装备。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种奇异空心光束的产生装置及产生方法。
背景技术
近年来由于各种奇异空心光束在金属粒子捕获、超分辨成像、材料加工等领域展现优秀的应用特性，越来越受到科研工作者的青睐。例如无衍射特性的贝塞尔光束、自加速的艾里光束、空心光束等，其中径向和角向偏振矢量空心光束的一个重要特性是其偏振方向以中心轴对称且沿径向和切向分布；对于奇异空心光束的形态和偏振特性的要求也是研究的热点。
但关于奇异空心光束的产生方法较少，例如使用波晶片产生矩形空心光束，使用圆锥棱镜产生的双高斯空心光束；但使用上述方法产生的奇异空心光束比较难调控。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种奇异空心光束的产生装置及产生方法。
本发明公开了一种奇异空心光束的产生装置，包括：激光器、分光片、法拉第旋光器、二分之一波片、偏振转换器、反射镜和感光元件；
所述激光器置于所述分光片一侧，在所述分光片的一偏振光的传播方向上依次设有所述法拉第旋光器、二分之一波片、S波片和反射镜，在所述分光片的另一偏振光的传播方向上设有所述感光元件。
作为本发明的进一步改进，所述激光器为1064nm波长的P偏振脉冲激光器或S偏振脉冲激光器。
作为本发明的进一步改进，所述分光片为45°薄膜偏振片。
作为本发明的进一步改进，所述分光片可以为偏振分光棱镜(PBS)。
作为本发明的进一步改进，所述偏振转换器为S波片。
作为本发明的进一步改进，所述感光元件为CCD感光元件，所述感光元件上配置有衰减片。
作为本发明的进一步改进，还包括：泵浦放大装置和整形装置；
所述泵浦放大装置和整形装置设于所述偏振转换器和反射镜之间。
作为本发明的进一步改进，所述泵浦放大装置为Nd：YAG侧面泵浦模块。
作为本发明的进一步改进，所述整形装置为f＝100mm的聚焦透镜组成的4f光学系统。
本发明还公开了一种奇异空心光束的产生方法，包括：
步骤1、激光器产生脉冲激光，其为P偏振光；
步骤2、激光器产生入射光经过法拉第旋光器，将光束振动面旋转45°，再经过半波片，使其延迟一个偏振态半波长；
步骤3、沿光轴方向传播，光束入射至偏振转换器，转化柱矢量光束；
步骤4、上述柱矢量光束沿光轴依次入射至泵浦放大装置进行放大，然后经过整形装置进行整形；
步骤5、经放大、整形后的柱矢量光束经反射镜反射，依次入射至整形装置进行整形、进入泵浦放大装置进行二次放大、经过偏振转换器将径向偏振光转化为P偏振光、再经过二分之一波片转换偏振态，并沿光轴方向传播经过法拉第旋光器使得振动面继续旋转45°；
步骤6、通过分光片获得具有S偏振态的空心光束。
本发明还公开了一种奇异空心光束的产生方法，包括：
步骤1、激光器产生脉冲激光，其为S偏振光；
步骤2、激光器产生入射光经过法拉第旋光器，将光束振动面旋转45°，再经过半波片，使其延迟一个偏振态半波长；
步骤3、沿光轴方向传播，光束入射至偏振转换器，转化柱矢量光束；
步骤4、上述柱矢量光束沿光轴依次入射至泵浦放大装置进行放大，然后经过整形装置进行整形；
步骤5、经放大、整形后的柱矢量光束经反射镜反射，依次入射至整形装置进行整形、进入泵浦放大装置进行二次放大、经过S波片将径向偏振光转化为S偏振光、再经过二分之一波片转换偏振态，并沿光轴方向传播经过法拉第旋光器使得振动面继续旋转45°；
步骤6、通过分光片获得具有P偏振态的空心光束。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过所设计的光路能够获得偏振态单一，中心位置光强可调的奇异空心光束；
本发明采用偏振转换器将垂直或水平偏振光束转换为径向偏振光或者角向偏振光，并进一步在控制反射的径向偏振光或者角向偏振光转换为线偏振光，在感光元件的观测下通过反射镜确定光束中心斑的大小和位置，利用光功率计探测总体功率值；本发明可以方便快速的得到偏振态单一的中心斑可调的奇异空心光束，装置结构简单，便于装备。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的奇异空心光束的产生装置的结构示意图；
图2为图1所示产生装置的光线传输示意图；
图3为本发明另一种实施例公开的奇异空心光束的产生装置的结构示意图。
图4为图3所示产生装置的光线传输示意图；
图5～图13为实施例1的光束示意图。
图中：
1、激光器；2、分光片；3、法拉第旋光器；4、二分之一波片；5、S波片；6、泵浦放大装置；7、整形装置；8、反射镜；9、感光元件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1、3所示，本发明提供一种奇异空心光束的产生装置，包括：激光器1、分光片2、法拉第旋光器3、二分之一波片4、偏振转换器(S波片5)、泵浦放大装置6、整形装置7、反射镜8和感光元件9；其中，
本发明的激光器1置于分光片2一侧，分光片将激光束分成两束偏振光，沿某一偏振光的传播方向依次感光元件9或光功率计，另一偏振光放置有光接收装置；光接收装置包括在传播方向上依次设有的法拉第旋光器3、二分之一波片4、偏振转换器(S波片5)、泵浦放大装置6、整形装置7、反射镜8，反射镜8反射后的反射光原路返回。其中，通过分光片所分离的光束，在通过光功率计检测到光束之后，使用感光元件，观察所得奇异空心光束的形状。其中，激光器1产生的激光束入射光路中，并垂直入射至分光片(TFP)2，然后通过法拉第旋光器3将光束旋转45度，通过二分之一波片4改变偏振态，然后入射到S波片5；S波片5将入射的激光束(线偏振光)转化为径向偏振光等柱矢量光束。径向偏振光入射至泵浦放大装置6进行功率放大，然后通过整形装置7入射到反射镜8上，从而返回；或者，激光器1产生的激光束偏振态与图1不同入射至分光片(TFP)2，然后通过法拉第旋光器3将光束旋转45度，通过二分之一波片4改变偏振态，然后入射到S波片5；S波片5将入射的激光束(线偏振光)转化为径向偏振光等柱矢量光束。径向偏振光入射至泵浦放大装置6进行功率放大，然后通过整形装置7入射到反射镜8上，从而返回。
进一步，激光器1为1064nm波长的P偏振脉冲激光器或S偏振脉冲激光器。
进一步，分光片2为45°薄膜偏振片，分光片2能够将反射回来的两种偏振光束分离，并且能够使得入射的激光顺利通过；同时，法拉第旋光器3和二分之一波片4组合能够旋转光的振动面并改变光束偏振态。
进一步，感光元件9为CCD感光元件，感光元件上配置有衰减片。
进一步，泵浦放大装置6为Nd：YAG侧面泵浦模块。
进一步，整形装置7为f＝100mm的聚焦透镜组成的4f光学系统。
进一步，法拉第旋光器3、二分之一波片4、S波片5和反射镜8与其安装位置为可拆卸式连接。
本发明提供了一种奇异空心光束的产生方法，包括：
步骤1、激光光源射出水平或垂直的线偏振光脉冲激光，脉冲激光入射光路中；
步骤2、水平偏振出射光进入法拉第旋光器和二分之一波片转换偏振状态，并且通过偏振转换器得到角向偏振光等具有环状特征的矢量光束。垂直偏振出射光进入法拉第旋光器和二分之一波片转换偏振状态，并且通过偏振转换器得到径向偏振光等具有环状特征的矢量光束；
步骤3、出射光通过泵浦放大模块进行放大；
步骤4转动反射镜的角度，出射光束反射返回，分光装置获得特定偏振形态的奇异光束；
步骤5、移动反射镜角度，重复步骤4，由不同角度情况下得到所需要的奇异光束形态。
实施例1：
如图1、2所示，本发明提供一种奇异空心光束的产生方法，包括：
步骤1、激光器1产生P偏振光，如图5所示；
步骤2、P偏振光入射至对P偏振光全透的分光片2中；
步骤3、经分光片2后的P偏振光经过法拉第旋光器，将光束振动面旋转45°，如图6所示；
步骤4、经法拉第旋光器后的脉冲光，入射至二分之一波片4，改变偏振态；其中，二分之一波片会延迟一个偏振态半波长或者180度相位差，改变偏振方向；对于原来的P偏振态会延迟一个偏振态半波长，成为S偏振态，如图7所示；
步骤5、经二分之一波片4后的脉冲光，入射至偏振转换器(S波片5)，转化为径向偏振光或角向偏振光等具有环状特征的柱矢量光束，如图8所示的径向偏振光和如图9所示的角向偏振光；
步骤6、柱矢量光束依次入射至泵浦放大装置6和整形装置7，进行放大和整形；其中，光路为依次经过泵浦放大装置6、整形装置7、泵浦放大装置6，整形装置7能够提高放大过程中热补偿及放大后激光的光束质量，优选将整形装置7设置在两个泵浦放大装置6的中间，经过放大再整形再放大。
步骤7、经放大、整形后的柱矢量光束入射至反射镜8，并沿原路返回；
步骤8、反射光经整形装置7整形以及泵浦放大装置6二次放大后，入射至S波片5；
激光器产生入射光经过法拉第旋光器，将光束振动面旋转45°，再经过半波片，使其延迟一个偏振态半波长，转换为水平偏振光，如图10所示；
步骤9、经S波片5后的反射光依次进入二分之一波片4和法拉第旋光器3；其中，半波片会延迟一个偏振态半波长或者180度相位差，改变偏振方向，水平偏振光S转变为P偏振光，如图11所示；法拉第旋光器3对反射光继续旋转45度，如图12所示；
步骤10、通过分光片获得具有S偏振态的空心光束；其中，分光片的作用是分离两种S偏振光和P偏振光，P偏振态的光束能够直接通过，S偏振态的光束被反射到图2所示光路，被9所接收；特定偏振形态的奇异空心光束如图13所示。
同理，如图3、4所示，本发明提供一种奇异空心光束的产生方法，包括：
步骤1、激光器产生脉冲激光，其为S偏振光；
步骤2、激光器产生入射光经过法拉第旋光器，将光束振动面旋转45°，再经过半波片，使其延迟一个偏振态半波长；
步骤3、沿光轴方向传播，光束入射至偏振转换器，转化柱矢量光束；
步骤4、上述柱矢量光束沿光轴依次入射至泵浦放大装置进行放大，然后经过整形装置进行整形；
步骤5、经放大、整形后的柱矢量光束经反射镜反射，依次入射至整形装置进行整形、进入泵浦放大装置进行二次放大、经过S波片将径向偏振光转化为S偏振光、再经过二分之一波片转换偏振态，并沿光轴方向传播经过法拉第旋光器使得振动面继续旋转45°；
步骤6、通过分光片获得具有P偏振态的空心光束。
本发明的优点为：
本发明通过所设计的光路能够获得偏振态单一，中心位置光强可调的奇异空心光束；本发明采用偏振转换器将垂直或水平偏振光束转换为径向偏振光或者角向偏振光，并进一步在控制反射的径向偏振光或者角向偏振光转换为线偏振光，在感光元件的观测下通过反射镜确定光束中心斑的大小和位置，利用光功率计探测总体功率值；本发明可以方便快速的得到偏振态单一的中心斑可调的奇异空心光束，装置结构简单，便于装备。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种奇异空心光束的产生装置，其特征在于，包括：激光器、分光片、法拉第旋光器、二分之一波片、偏振转换器、反射镜和感光元件；其中，所述激光器为1064nm波长的P偏振脉冲激光器或S偏振脉冲激光器，所述分光片为45°薄膜偏振片，所述偏振转换器为S波片；
所述激光器置于所述分光片一侧，在所述分光片的一偏振光的传播方向上依次设有所述法拉第旋光器、二分之一波片、偏振转换器和反射镜，在所述分光片的另一偏振光的传播方向上设有所述感光元件；反射镜反射后的反射光原路返回；
当入射激光为P偏振光时，感光原件感测S偏振态的空心光束；当入射激光为S偏振光时，感光原件感测P偏振态的空心光束；转动反射镜的角度，出射光束反射返回，分光装置获得特定偏振形态的奇异光束；移动反射镜角度，重复上述操作，由不同角度情况下得到所需要的奇异光束形态；
激光器产生入射光经过法拉第旋光器，将光束振动面旋转45°，再经过半波片，使其延迟一个偏振态半波长；反射镜的反射光经偏振转换器转化为线偏振光、再经过二分之一波片转换偏振态，并沿光轴方向传播经过法拉第旋光器使得振动面继续旋转45°。
2.如权利要求1所述的产生装置，其特征在于，所述感光元件为CCD感光元件，所述感光元件上配置有衰减片。
3.如权利要求1所述的产生装置，其特征在于，还包括：泵浦放大装置和整形装置；
所述泵浦放大装置和整形装置设于所述偏振转换器和反射镜之间。
4.如权利要求3所述的产生装置，其特征在于，所述泵浦放大装置为Nd：YAG侧面泵浦模块。
5.如权利要求3所述的产生装置，其特征在于，所述整形装置为f＝100mm的聚焦透镜组成的4f光学系统。
6.一种奇异空心光束的产生方法，其特征在于，包括：
步骤1、激光器产生脉冲激光，其为P偏振光；
步骤2、激光器产生入射光经过法拉第旋光器，将光束振动面旋转45°，再经过半波片，使其延迟一个偏振态半波长；
步骤3、沿光轴方向传播，光束入射至偏振转换器，转化柱矢量光束；
步骤4、上述柱矢量光束沿光轴依次入射至泵浦放大装置进行放大，然后经过整形装置进行整形；
步骤5、经放大、整形后的柱矢量光束经反射镜反射，依次入射至整形装置进行整形、进入泵浦放大装置进行二次放大、经过偏振转换器将径向偏振光转化为P偏振光、再经过二分之一波片转换偏振态，并沿光轴方向传播经过法拉第旋光器使得振动面继续旋转45°；
步骤6、通过分光片获得具有S偏振态的空心光束。
7.一种奇异空心光束的产生方法，其特征在于，包括：
步骤1、激光器产生脉冲激光，其为S偏振光；
步骤2、激光器产生入射光经过法拉第旋光器，将光束振动面旋转45°，再经过半波片，使其延迟一个偏振态半波长；
步骤3、沿光轴方向传播，光束入射至偏振转换器，转化柱矢量光束；
步骤4、上述柱矢量光束沿光轴依次入射至泵浦放大装置进行放大，然后经过整形装置进行整形；
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Effective date of registration: 20231007 Address after: 100044 109, building 7, No. 28, gaoliangqiaoxie street, Haidian District, Beijing Patentee after: BEIJING YINGKE TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 100124 No. 100 Chaoyang District Ping Tian Park, Beijing Patentee before: Beijing University of Technology |
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Application publication date: 20210129 Assignee: Hangzhou Shenghua Laser Technology Co.,Ltd. Assignor: BEIJING YINGKE TECHNOLOGY CO.,LTD. Contract record no.: X2024980004550 Denomination of invention: A device and method for generating a strange hollow beam Granted publication date: 20230131 License type: Common License Record date: 20240417 |