CN115494638A - 矢量光场产生装置及矢量光场产生方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于激光控制技术领域，具体涉及一种矢量光场产生装置及矢量光场产生方法。本申请公开的矢量光场产生装置，包括用于产生第一光束的光源，沿着光源的出射光路设置的谐振腔模块，谐振腔模块用于对第一光束进行波长转换、滤波和腔内谐振，以输出第二光束，第二光束的波长与第一光束的波长不同，沿着谐振腔模块的出射光路设置的偏振态调整模块，偏振态调整模块用于对第二光束进行偏振态调整，以输出光场模式为矢量光场的第三光束。本申请实施例的矢量光场产生装置可以实现径向或角向偏振光中心波长的灵活调谐和输出波长的稳定切换，减少了激光光源的数量，精简了使用成本，无需使用空间光调制器等昂贵的调制器件，制造成本低。

Description

矢量光场产生装置及矢量光场产生方法

技术领域

本申请属于激光控制技术领域，具体涉及一种矢量光场产生装置及矢量光场产生方法。

背景技术

自激光产生以来，在工业方面的应用就不断被发掘。激光的实际应用过程就是光束基本特性不断深入研究的演化。光是一种横波，其偏振方向始终与波的传输方向垂直。与常规的振幅和相位不同，偏振特性对于光场同样具有重要意义。与常规的偏振光束不同，径向偏振光场和角向偏振光场在光斑端面上的偏振态分布上整体来看是不同的偏振状态，但任意一点的偏振态都是线偏振。由此特性而产生的光束优势就是在高数值孔径的透镜聚焦下，径向偏振光场可以产生超越衍射极限的极小聚焦光斑，角向偏振光场可以产生一个中心强度为零的甜甜圈光斑。此特性是其他偏振光束不具备的，因此在激光加工、超分辨显微成像和光镊等方面应用广泛。

常规系统生成的径向光束或角向光束都是单一波长，不能灵活调整光场的激光中心波长和输出波长的数量，兼容性和可扩展性较差。目前主要的解决方案就是光源处使用波长可调谐激光器对系统的输出波长进行调谐并且借助激光器数量的提升来实现输出波长的调整，此种解决方案由于可调谐激光器价格较贵，并且对输出波长的数量无法灵活调整，依然无法满足系统的灵活拓展功能。

发明内容

本申请实施例提供一种入射光调整装置，能够解决输出波长的数量无法灵活调整的技术问题。

本申请实施例还提供一种矢量光场产生方法，能够解决输出波长的数量无法灵活调整的技术问题。

一方面，本申请实施例提供一种矢量光场产生装置，包括

用于产生第一光束的光源，

沿着光源的出射光路设置的谐振腔模块，谐振腔模块用于对第一光束进行波长转换、滤波和腔内谐振，以输出第二光束，第二光束的波长与第一光束的波长不同，

沿着谐振腔模块的出射光路设置的偏振态调整模块，偏振态调整模块用于对第二光束进行偏振态调整，以输出光场模式为矢量光场的第三光束。

根据本申请第一方面的实施方式，光源产生的第一光束为连续激光。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，谐振腔模块包括沿着光源的出射光路依次连接的第一光学元件、第二光学元件、第三光学单元，

第一光学元件用于对具有不同波长的光束进行合束传输，

第二光学元件用于将入射的具有特定波长的光束转化为具有特定波长范围的光束，

第三光学单元用于对入射的具有特定波长范围的光束进行调谐和波长选择，第三光学单元还能将经过调谐和波长选择的光束传输至第二光学元件，

谐振腔模块还包括第四光学元件，第三光学单元、第二光学元元件、第一光学元件、第四光学元件依次连接，第四光学元件用于将自第一光学元件出射的光束选择性地反射回第一光学元件。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，第三光学单元包括Sagnac环滤波器。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，Sagnac环滤波器包括沿着环向依次连接的光纤耦合器、偏振控制器和保偏光纤，其中，光纤耦合器与第二光学元件和偏振态调整模块连接。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，第一光学元件包括波分复用器，和/或

第二元件包括掺铒光纤。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，偏振态调整模块包括沿着谐振腔模块的出射光路依次设置的薄膜偏振片和涡旋玻片。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，偏振态调整模块还包括光纤准直器，光纤准直器、薄膜偏振片和涡旋玻片沿着谐振腔模块的出射光路依次设置。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，光源与谐振腔模块之间、谐振腔模块与偏振态调整模块之间通过单模光纤连接。

第二方面，本申请实施例提供了一种矢量光场产生方法，应用于前述的矢量光场产生装置，包括如下步骤

通过光源产生第一光束，

通过波分复用器将第一光束传输至掺铒光纤，

通过掺铒光纤改变第一光束的波长，输出具有特定波长范围的转换光束，

通过光纤耦合器将转换光束传输至Sagnac环滤波器，

通过调整调整Sagnac环滤波器使Sagnac环滤波器输出具有一个或多个特定波长的滤波光束，

通过sagnac滤器波将滤波光束反射至第二光学元件，使滤波光束在第四光学元件、第一光学元件、第二光学元件、Sagnac环滤波器之间往返谐振以汇聚光能从而向偏振态调整模块输出第二光束，

通过偏振态调整模块对第二光束的偏振态进行调整，以输出光场模式为矢量光场的第三光束。

根据本申请第二方面的实施方式，通过调整Sagnac环滤波器使Sagnac环滤波器输出具有一个或多个特定波长的滤波光束，包括

通过调整偏振控制器以调整进入Sagnac环滤波器的转换光束的中心波长，从而控制从Sagnac环滤波器输出的滤波光束中波长的数量和对应的中心波长范围。

根据本申请第一方面前述任一实施方式，通过偏振态调整模块对第二光束的偏振态进行调整，以输出光场模式为矢量光场的第三光束，包括

通过调整薄膜偏振片使从薄膜偏振片输出的光束的偏振方向平行于涡旋玻片的0°快轴方向，以从涡旋玻片输出光场模式为径向偏振光场的第三光束，或

通过调整薄膜偏振片使从薄膜偏振片输出的光束的偏振方向垂直于涡旋玻片的0°快轴方向，以从涡旋玻片输出光场模式为角向偏振光场的第三光束。

本申请实施例的矢量光场产生装置可以实现径向或角向偏振光中心波长的灵活调谐和输出波长的稳定切换，减少了激光光源的数量，精简了使用成本。并且装置制造成本低，无需使用空间光调制器等昂贵的调制器件，减少了使用成本，优化了实验空间。

本申请实施例的矢量光场产生方法可以快速实现径向或角向偏振光场的生成，操作简单。

附图说明

图1是本申请一方面实施例提供的矢量光场产生装置的结构示意图；

图2是本申请一方面又一实施例提供的矢量光场产生装置的结构示意图；

图3是本申请一方面又一实施例提供的矢量光场产生装置的结构示意图；

图4是本申请一方面又一实施例提供的矢量光场产生装置中的Sagnac环滤波器波长可调谐可切换的原理图；

图5是本申请一方面又一实施例提供的矢量光场产生装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本申请的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本申请，而不是限定本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本申请的示例来提供对本申请更好的理解。

请参阅图1，本申请第一方面实施例提供的矢量光场产生装置，包括光源1、谐振腔模块2和偏振态调整模块3。其中，光源1用于产生第一光束，第一光束具有第一波长，本实施例中以光源产生980纳米的第一光束为例进行说明；谐振腔模块2沿着光源1的出射光路设置，谐振腔模块2用于对第一光束进行波长转换、滤波和腔内谐振，以输出第二光束，第二光束的波长与第一光束的波长不同；偏振态调整模块3沿着谐振腔模块2的出射光路设置，偏振态调整模块3用于对第二光束进行偏振态调整，以输出光场模式为矢量光场的第三光束。

本实施例的矢量光场产生装置中，通过谐振腔模块2可以输出一种或者多种波长的第二光束，并且，还可以选择性的输出具有特定中心波长的第二光束，再通过偏振态调整模块3对第二光束的调整，就可以获得具有特定中心波长和特定波长数量的矢量光场。例如，谐振腔模块2可以先将980纳米的第一光束转化为1550纳米波段的激光信号，再对1550纳米波段的激光信号进行滤波，以获得1552纳米的光束，1552纳米的光束再在谐振腔模块2内往返谐振以实现聚集数反转分布(使谐振腔内能量聚集到特定的阈值以产生激光)，从而向偏振态调整模块3输出1552纳米的第二光束。在另一种情况下，谐振腔模块2对1550纳米波段的激光信号进行滤波后，可以获得包含1552纳米激光信号和1555纳米激光信号的光束，该光束在谐振腔模块2内往返谐振以实现聚集数反转分布，从而向偏振态调整模块3输出1552纳米的第二光束，在第二光束中，包含1552纳米的激光信号和1555纳米的激光信号；在经过偏振态调整模块3调整后，获得的第三光束中也就1552纳米的激光信号和1555纳米的激光信号。

为了实现对光信号波长的选择，在一些实施例中，光源产生的激光为连续激光。

请参阅图2，在一些实施例中，谐振腔模块2包括沿着光源1的出射光路依次连接的第一光学元件21、第二光学元件22、第三光学单元23，还包括第四光学元件24，第三光学单元23、第二光学元元件、第一光学元件21、第四光学元件24依次设置。第一光学元件21能够对具有不同波长的光束进行合束传输，即支持不同波段的光的合束出传输；第二光学元件22能够将入射的具有特定波长的光束转化为具有特定波长范围的光束，例如，第二光学元件22能够将入射的980纳米的激光转化为1550纳米波段的激光；第三光学单元23具有对入射的激光进行调谐和波长选择的功能，可用于对入射的具有特定波长范围的光束进行调谐和波长选择，例如，第三光学单元23可以将入射的1550纳米波段的激光进行调谐和波长选择从而滤出1552纳米的激光信号和1555纳米的激光信号；第三光学单元23还能将经过调谐和波长选择的光束传输至第二光学元件22；第二光学元件22将光束传输至第一光学元件21，第一光学元件21将光束传输至第四光学元件24；第四光学元件24可以将自第一光学元件21出射的光束选择性地反射回第一光学元件21，从而使得经过调谐和波长选择的光束在第四光学元件24、第一光学元件21、第二光学元件22、第三光学单元23组成的谐振腔内往返谐振，以实现聚集数反转分布。待光能汇聚达到一定范围时，就会向偏振态调整模块3输出第二光束，第二光束中包含1552纳米的激光信号和1555纳米的激光信号。

第二光学单元23的实现方式有多种，请参阅图3，在一些实施例中，第三光学单元23可以为Sagnac环滤波器。Sagnac环滤波器包括沿着环向依次连接的光纤耦合器231、偏振控制器232和保偏光纤233，其中，光纤耦合器与第二光学元件22和偏振态调整模块3连接。

利用光纤耦合器231、偏振控制器232和保偏光纤233构成的Sagnac环滤波器在光纤中的光透过率方程为：

式中，θ表示偏振控制器232的偏转角度，φ表示光信号通过保偏光纤233时由于双折射效应产生的相位差。k表示光纤耦合器分光比，A₂表示Sagnac环滤波器正向透射的光场振幅，A₀表示入射到Sagnac环滤波器的光场总振幅。保偏光纤233的双折射效应就是指光信号会分成两个分量分别沿保偏光纤233的快轴和慢轴独立传输。由于在保偏光纤233快慢轴之间存在一定的折射率差Δn，则会在传输的光信号中引入相位差，从而影响整体Sagnac环滤波器的透射谱周期。

偏振控制器232可以为机械式偏振控制器，在对偏振控制器232进行旋转操作时，由于偏振控制器232会对光纤进行一定的挤压，导致挤压点与其余段的单模光纤的应力分布不同从而改变接触点的折射率分布。因此，在对偏振控制器232执行旋转挤压操作时，会对整个光透过率方程的输出光谱范围造成一定量的相移。

因为Sagnac环滤波器是个周期函数，当范围合适的时候，移动整个透射谱，此时会有两个周期同时处于光谱范围内的情况，就可以滤出两个波长的激光信号。请参阅图4，在第四光学元件、第一光学元件、第二光学元件和saganc环滤波器构成的谐振腔内积累能量的光信号是否会被选择进行增益放大与信号的频率是否处于工作物质的谱线宽度内相关。但是能否产生完整的振荡，取决于此时谐振腔内的增益和损耗。当增益谱线的增益大于损耗，则在该频率范围产生振荡。

在图4中示出了增益曲线GP、损耗直线LP，第一透射谱TS1、第二透射谱TS2、第三透射谱TS3。当saganc环滤波器透射谱范围刚好处于增益大于损耗的范围时，此时saganc环滤波器的输出光信号会根据saganc环滤波器透射谱的移动产生不同的状态。当透射谱只有一个周期在振荡区域(增益大于损耗的区域，图4中耗损直线LP与位于耗损直线LP上方的增益曲线GP围城的区域)时，例如第二透射谱TS2和第三透射谱TS3，谐振腔模块输出单波长激光信号，并随着透射谱的相移而产生一定的调谐范围。当刚好两个周期处于振荡区域时，例如第一透射谱TS1，谐振腔模块输的输出状态就会切换为双波长输出，当振荡区域跨过滤saganc环滤波器射谱的两个周期小于三个周期时，随着相移的叠加，便可以产生双波长可调谐。将saganc环滤波器中的相移量通过偏振控制器232进行等量施加，就可以实现随着偏振控制器232的旋转，输出光谱在不断改变的现象。

在一些实施例中，第一光学元件21为波分复用器。波分复用器可以支持多种波段的激光信号的传输。第四光学元件、第一光学元件、第二光学元件和saganc环滤波器构成谐振腔，谐振腔左右两端的光学元件构成了谐振腔的两个反射面，激光在谐振腔内需要不断地往复谐振，此时从光源1注入的980纳米的光也不断在注入波分复用器，因此波分复用器就同时支持两种或者更多波段的激光信号的传输。

在一些实施例中，第二元件为掺铒光纤。掺铒光纤可以实现波长转换，例如，其可以将980纳米的光转化欸1550纳米波段的激光信号，980纳米的激光传输到掺铒光纤时，由于掺铒光纤中的受激辐射效应，会将980纳米光子转化为1550纳米波段的激光信号。利用掺铒光纤产生具有一定范围的光谱，saganc环滤波器就可以在这个范围内筛选出特定的波长。根据掺铒光纤参数不同，这个范围还可以更大。

请参阅图5，在一些实施例中，偏振态调整模块3包括沿着谐振腔模块2的出射光路依次设置的薄膜偏振片31和涡旋玻片32。涡旋波片32具有偏振相关的光学特性，根据入射光束偏振态的不同，可用于生成矢量偏振光束，例如，可将TEM00模高斯光束转换为“空心孔型”的拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian，LG)强度分布。当使用薄膜偏振片31将从谐振腔模块2输出的高斯光束改为偏振方向平行于涡旋波片32的0°快轴方向时，则输出的光场模式为径向偏振光场；若使用薄膜偏振片31将从谐振腔模块2输出的高斯光束改为偏振方向垂直于涡旋波片32的0°快轴方向，则输出的光场模式为角向矢量光场。通过谐振腔模块2与偏振态调整模块3的配合，可以实现径向偏振光或角向偏振光中心波长的灵活调谐和输出波长的稳定切换，减少了激光光源的数量，精简了使用成本。

请继续参阅图5，在一些实施例中，偏振态调整模块3还包括光纤准直器33，光纤准直器33、薄膜偏振片31和涡旋玻片32沿着谐振腔模块2的出射光路依次设置。光纤准直器33将从谐振腔模块2出射的激光准直扩束后传输到薄膜偏振片31。

在一些实施例中，光源1与谐振腔模块2之间、谐振腔模块2与偏振态调整模块3之间通过单模光纤连接。单模光纤中心的玻璃芯很细，只存在一种传输模式。单模光纤的传输损耗、传输色散都比较小。

本申请第二方面实施例提供的矢量光场产生方法，应用于上述矢量光场产生装置，包括如下步骤

S1、通过光源1产生第一光束，第一光束为连续激光；

S2、通过波分复用器21将第一光束传输至掺铒光纤22；

S3、通过掺铒光纤22改变第一光束的波长，输出具有特定波长范围的转换光束；

S4、通过光纤耦合器231将转换光束传输至Sagnac环滤波器；

S5、通过调整Sagnac环滤波器使Sagnac环滤波器输出具有一个或多个特定波长的滤波光束；

S6、通过sagnac滤器波将滤波光束反射至第二光学元件22，使滤波光束在第四光学元件24、第一光学元件21、第二光学元件22、Sagnac环滤波器之间往返谐振以汇聚光能从而向偏振态调整模块3输出第二光束；

S7、通过偏振态调整模块3对第二光束的偏振态进行调整，以输出光场模式为矢量光场的第三光束。

矢量光场产生装置具有的有效效果，矢量光场产生方法同样具有，不再赘述。

在一些实施例中，步骤S5包括：

通过调整偏振控制器以调整进入Sagnac环滤波器的转换光束的中心波长，从而控制从Sagnac环滤波器输出的滤波光束中波长的数量和对应的中心波长范围。

在一些实施例中，步骤S7包括：

通过调整薄膜偏振片使从薄膜偏振片输出的光束的偏振方向平行于涡旋玻片的0°快轴方向，以从涡旋玻片输出光场模式为径向偏振光场的第三光束，或

通过调整薄膜偏振片使从薄膜偏振片输出的光束的偏振方向垂直于涡旋玻片的0°快轴方向，以从涡旋玻片输出光场模式为角向偏振光场的第三光束。

Claims (12)

1.一种矢量光场产生装置，其特征在于：包括

用于产生第一光束的光源，

沿着所述光源的出射光路设置的谐振腔模块，所述谐振腔模块用于对所述第一光束进行波长转换、滤波和腔内谐振，以输出第二光束，所述第二光束的波长与所述第一光束的波长不同，

沿着所述谐振腔模块的出射光路设置的偏振态调整模块，所述偏振态调整模块用于对第二光束进行偏振态调整，以输出光场模式为矢量光场的第三光束。

2.根据权利要求1所述的矢量光场产生装置，其特征在于：所述光源产生的第一光束为连续激光。

3.根据权利要求2所述的矢量光场产生装置，其特征在于：所述谐振腔模块包括沿着所述光源的出射光路依次连接的第一光学元件、第二光学元件、第三光学单元，

所述第一光学元件用于对具有不同波长的光束进行合束传输，

所述第二光学元件用于将入射的具有特定波长的光束转化为具有特定波长范围的光束，

所述第三光学单元用于对入射的具有特定波长范围的光束进行调谐和波长选择，所述第三光学单元还能将经过调谐和波长选择的光束传输至所述第二光学元件，

所述谐振腔模块还包括第四光学元件，所述第三光学单元、第二光学元元件、第一光学元件、第四光学元件依次设置，所述第四光学元件用于将自所述第一光学元件出射的光束选择性地反射回所述第一光学元件。

4.根据权利要求3所述的矢量光场产生装置，其特征在于：所述第三光学单元包括Sagnac环滤波器。

5.根据权利要求4所述的矢量光场产生装置，其特征在于：所述Sagnac环滤波器包括沿着环向依次连接的光纤耦合器、偏振控制器和保偏光纤，其中，

所述光纤耦合器与所述第二光学元件和偏振态调整模块连接。

6.根据权利要求3所述的矢量光场产生装置，其特征在于：所述第一光学元件包括波分复用器，和/或

所述第二元件包括掺铒光纤。

7.根据权利要求1所述的矢量光场产生装置，其特征在于：所述偏振态调整模块包括沿着所述谐振腔模块的出射光路依次设置的薄膜偏振片和涡旋玻片。

8.根据权利要求7所述的矢量光场产生装置，其特征在于：所述偏振态调整模块还包括光纤准直器，所述光纤准直器、薄膜偏振片和涡旋玻片沿着所述谐振腔模块的出射光路依次设置。

9.根据权利要求1所述的矢量光场产生装置，其特征在于：所述光源与所述谐振腔模块之间、所述谐振腔模块与所述偏振态调整模块之间通过单模光纤连接。

10.一种矢量光场产生方法，应用于权利要求6至9中任一权利要求所述的矢量光场产生装置，其特征在于：包括如下步骤

通过光源产生第一光束，

通过波分复用器将第一光束传输至掺铒光纤，

通过掺铒光纤改变第一光束的波长，输出具有特定波长范围的转换光束，

通过光纤耦合器将转换光束传输至Sagnac环滤波器，

通过调整Sagnac环滤波器使Sagnac环滤波器输出具有一个或多个特定波长的滤波光束，

通过sagnac滤器波将滤波光束反射至第二光学元件，使滤波光束在第四光学元件、第一光学元件、第二光学元件、Sagnac环滤波器之间往返谐振以汇聚光能从而向偏振态调整模块输出第二光束，

通过偏振态调整模块对第二光束的偏振态进行调整，以输出光场模式为矢量光场的第三光束。

11.根据权利要求10所述的矢量光场产生方法，其特征在于：所述通过调整Sagnac环滤波器使Sagnac环滤波器输出具有一个或多个特定波长的滤波光束，包括

通过调整偏振控制器以调整进入Sagnac环滤波器的转换光束的中心波长，从而控制从Sagnac环滤波器输出的滤波光束中波长的数量和对应的中心波长范围。

12.根据权利要求10所述的矢量光场产生方法，其特征在于：所述通过偏振态调整模块对第二光束的偏振态进行调整，以输出光场模式为矢量光场的第三光束，包括

通过调整薄膜偏振片使从薄膜偏振片输出的光束的偏振方向平行于涡旋玻片的0°快轴方向，以从涡旋玻片输出光场模式为径向偏振光场的第三光束，或

通过调整薄膜偏振片使从薄膜偏振片输出的光束的偏振方向垂直于涡旋玻片的0°快轴方向，以从涡旋玻片输出光场模式为角向偏振光场的第三光束。

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