CN201212924Y - 一种合成矢量光束的装置 - Google Patents

Abstract

一种合成矢量光束的装置，在激光发生器发出的直线光路上，依次设置有第一偏振片、1/4波片以及第一半透半反透镜；经第一半透半反透镜透射的第一透射光路上设置有第一反射镜，经第一半透半反透镜反射的第一反射光路上设置有第二反射镜；经第一反射镜反射的第二反射光路上依次设置有1/2波片和第二半透半反透镜，第一反射光路经第二反射镜反射形成第三反射光路；第二反射光路经波片后被第二半透半反透镜反射，第三反射光路被第二半透半反透镜透射，经第二半透半反透镜的透射光路和反射光路重合为光路，并在重合的光路上由左至右依次设置有扩束镜和第二偏振片。本实用新型结构简单，便于制作，通过对于两束椭圆偏振光的干涉，就可在干涉视场中得到线偏振光。

Description

一种合成矢量光束的装置

技术领域

本实用新型涉及一种线偏振光的合成，特别是涉及一种通过对两束椭圆偏振光的干涉，从而在干涉视场中得到线偏振光的一种合成矢量光束的装置。

背景技术

直线偏振光通过旋光物质的时候，会发生旋光的现象，使原直线偏振光的振动面发生旋转。产生旋光现象的原因必须从物质的结构上去解释，但是菲涅耳根据振动中的一个原理，即任何一个直线简谐振动可以看作是两个相反方向旋转的同频率的圆周运动的组合，认为：沿晶体光轴方向传播的直线偏振光也可看作是由两个同频率，旋向相反的圆偏振光组成，在旋光物质中，这两个圆偏振光有不同的传播速度，从而导致了旋光现象的产生。

要使两束旋向不同的圆偏振光可以合成为i方向的直线偏振光，必须使这两束旋向相反的圆偏振光的j方向(与i方向垂直)的分量相消，而两束光相消的情况只有满足干涉条件的时候才能够达到，因此，可以合成线偏振光的条件就是光的干涉条件。

圆偏振光可以认为是一束i方向的线偏振光与一束j方向的线偏振光的合成，我们知道，两束光必须有同一方向上的分量，才可能会合成(干涉)，即两束圆偏振光合成(干涉)时，只要分别单独考虑i方向以及j方向上的合成即可。

在实验中，由于光在反射、透射后会发生偏振态的改变，因此，很难获得标准的圆偏振光。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种通过对两束椭圆偏振光的干涉，从而在干涉视场中得到线偏振光的一种合成矢量光束的装置。

本实用新型所采用的技术方案是：一种合成矢量光束的装置，包括有激光器，在激光发生器发出的直线光路上，由左至右依次设置有第一偏振片、1/4波片以及第一半透半反透镜；在经第一半透半反透镜透射的第一透射光路上设置有第一反射镜，在经第一半透半反透镜反射的第一反射光路上设置有第二反射镜；在经第一反射镜反射的第二反射光路上由上至下依次设置有1/2波片和第二半透半反透镜，所述的第一反射光路经第二反射镜反射形成第三反射光路；所述的第二反射光路经波片后被第二半透半反透镜反射，所述的第三反射光路被第二半透半反透镜透射，所述的经第二半透半反透镜的透射光路和反射光路重合为光路，并在重合的光路上由左至右依次设置有扩束镜和第二偏振片。

所述的第一半透半反透镜和第二半透半反透镜均为5：5的半透半反透镜。

所述的第一反射镜和第二反射镜均为平面反射镜。

所述的第一透射光路、第二反射光路的总光程与第一反射光路、第三反射光路的总光程相等，且第一透射光路、第二反射光路、第一反射光路及第三反射光路的光路严格共面。

所述的第一半透半反透镜、第二反射镜及第一反射镜三者平行设置。

所述的第二半透半反透镜设置在第二反射光路和第三反射光路的交点上。

所述的第一半透半反透镜和第二半透半反透镜的镀膜方向相反。

本实用新型的一种合成矢量光束的装置，结构简单，便于制作，不需圆偏振光也可以合成线偏振光，即，通过对于两束椭圆偏振光的干涉，从而在干涉视场中得到线偏振光。本实用新型的装置具有很好的物理应用性。本实用新型的装置在光学微操作以及光和物质的相互作用(非线性光学)以及光子晶体方面都有一定的应用。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是两束旋向相反的圆偏振光的分解为相互垂直的两个分量的示意图；

图3是椭圆方程示意图。

其中：

1：第一偏振片                      2：1/4波片

3：第一半透半反透镜                4：第二反射镜

5：第二半透半反透镜                6：第一反射镜

7：1/2波片                         8：扩束镜

9：第二偏振片                      10：激光发生器

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本实用新型是如何实现的。

如图1所示，本实用新型的一种合成矢量光束的装置，包括有激光器10，在激光发生器10发出的直线光路L上，由左至右依次设置有第一偏振片1、1/4波片2以及第一半透半反透镜3；在经第一半透半反透镜3透射的第一透射光路L1上设置有第一反射镜6，在经第一半透半反透镜3反射的第一反射光路L2上设置有第二反射镜4；在经第一反射镜6反射的第二反射光路L3上由上至下依次设置有1/2波片7和第二半透半反透镜5，所述的第一反射光路L2经第二反射镜4反射形成第三反射光路L4；所述的第二反射光路L3经波片7后被第二半透半反透镜5反射，所述的第三反射光路L4被第二半透半反透镜5透射，所述的经第二半透半反透镜5的透射光路和反射光路重合为光路L＇，并在重合的光路L＇上由左至右依次设置有扩束镜8和第二偏振片9。

在上述的结构中要保证：

所述的第一半透半反透镜3和第二半透半反透镜5均为5∶5的半透半反透镜，且第一半透半反透镜3和第二半透半反透镜5的镀膜方向相反。

所述的第一反射镜6和第二反射镜4均为平面反射镜；所述的第一透射光路L1、第二反射光路L3的总光程与第一反射光路L2、第三反射光路L4的总光程相等，且第一透射光路L1、第二反射光路L3、第一反射光路L2及第三反射光路L4的光路严格共面。

所述的第一半透半反透镜3、第二反射镜4及第一反射镜6三者平行设置。所述的第二半透半反透镜5设置在第二反射光路L3和第三反射光路L4的交点上。

激光由激光发生器10产生后，经过第一偏振片1和1/4波片2，形成圆偏振光，该圆偏振光在第一半透半反透镜3处分为两束，一束通过第二反射镜4到达第二半透半反透镜5，另一束通过第一反射镜6和1/2波片7，到达第二半透半反透镜5，并且在1/2波片7处改变原有的取向和旋向，由于光在经过折射与反射之后，偏振态会发生改变，此时这两束光均为椭圆偏振光。两束光进入扩束镜8扩束，在视场中互相干涉。

如图2所示，在与光波传播方向垂直的平面内，光矢量的任意一个振动状态都可以表示为两个互相垂直的振动状态的线性组合，即：

E＝E_i+E_j

E_i、E_j分别为在选定的i、j方向两个直线偏振波的振动分量，它们分别由以下表示式表示：

E_i＝A_icos ωt

E_j＝A_jcos(ωt-ε)(ε为两波之间的相位差)

当一束椭圆偏振光透过一个半波片时，通过半波片后振动方向平行于半波片快轴方向的分量超前了一个相位π。将椭圆偏振光分解为垂直于半波片快轴方向的分量

E_1i＝A_icos ωt，

以及垂直于半波片快轴方向的分量

E_1j＝A_jcos(ωt-ε)。

通过半波片后，垂直于半波片快轴方向分量的光相位不变

E2_i＝A_icos ωt，

而平行于半波片快轴方向分量的光变为

E_2j＝A_jcos(ωt-ε-π)

因此，半波片将原椭圆偏振光的椭圆取向绕快轴反转，并使旋向发生改变。

同两束旋向相反的圆偏振光干涉一样，两束旋向相反的椭圆偏振光发生干涉时，i，j方向相互之间不会发生干涉现象，只要单独考虑这两个方向上的干涉即可。

先考虑i方向：

E_1i＝A_icosωt＝A_ie^iωt

E_2i＝A_icos(ωt+δ)＝A_ie^i(ωt+δ)

E_i＝E_1i+E_2i

$I=<E_i\&CenterDot;E_i^{*}>$

$=\&lang;(E_{1i}+E_{2i})\&CenterDot;(E_{1i}^{*}+E_{2i}^{*})\&rang;$

$=[A_i{e}^{\mathrm{i\&omega;t}}+A_i{e}^{i(\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&delta;})}]\&CenterDot;[A_i{e}^{-\mathrm{i\&omega;t}}+A_i{e}^{-i(\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&delta;})}]$

$=A_i^2+A_i^2+A_i^2{e}^{\mathrm{i\&delta;}}+A_i^2{e}^{-\mathrm{i\&delta;}}$

$=2A_i^2+2A_i^2\cos \mathrm{\&delta;}$

$=4A_i^2{\cos }^2\frac{\mathrm{\&delta;}}{2}$

所以有：

最亮处的光强为

再考虑j方向

E_1j＝A_jcos(ωt-ε)＝A_je^j(ωt-ε)

E_2j＝A_jcos(ωt-ε+δ-π)＝A_je^{i(ωt-ε+δ-π)}

E_j＝E_1j+E_2j

$I=<E_j\&CenterDot;E_j^{*}>$

$=\&lang;(E_{1j}+E_{2j})\&CenterDot;\left(E_{1j}^{*}{+E}_{2j}^{*}\right)\&rang;$

$=A_j^2[e^{i(\mathrm{\&omega;t}-\mathrm{\&epsiv;})}+e^{i(\mathrm{\&omega;t}-\mathrm{\&epsiv;}+\mathrm{\&delta;}-\mathrm{\&pi;})}]\&CenterDot;[e^{-i(\mathrm{\&omega;t}-\mathrm{\&epsiv;})}+e^{-i(\mathrm{\&omega;t}-\mathrm{\&epsiv;}+\mathrm{\&delta;}-\mathrm{\&pi;})}]$

$=A_j^2[2+e^{(\mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&delta;})i}+e^{(\mathrm{\&delta;}-\mathrm{\&pi;})i}]$

$=2A_j^2[1+\cos (\mathrm{\&delta;}-\mathrm{\&pi;})]$

$=4A_j^2{\cos }^2\frac{(\mathrm{\&delta;}-\mathrm{\&pi;})}{2}$

因此有：

最强光强为

由此可看出，X_i，k亮＝X_j，k暗，X_i，k暗＝X_j，k亮，即i，j方向产生的干涉条纹的亮暗条纹的位置互补，在 $x=\frac{L}{d}(2k+1)\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2}$ 处，是j方向的线偏振光，而在 $x=\frac{L}{d}\mathrm{k\&lambda;}$ 处，是i方向的线偏振光，但是由于i方向产生干涉条纹的最亮处的光强为

，j方向产生干涉条纹的最亮处的光强为

，A_i≠A_j，故不加第二偏振片(9)仍可看到干涉条纹，只是不会出现光强完全为零的位置，只有当A_i＝A_j时，才可以在不加第二偏振片9的时候看到均匀的光斑，加上第二偏振片9后才能看到干涉条纹。

如上所述，椭圆偏振光可以分解为垂直于半波片快轴方向的分量：

E_i＝A_icos ωt

和平行于半波片快轴方向的：

E_j＝A_jcos(ωt-ε)

现在来求E矢量端点在i，j平面上投影的轨迹方程。

将E_j的方程展开：

$\frac{E_j}{A_j}=\cos \mathrm{\&omega;}t\cos \mathrm{\&epsiv;}+\sin \mathrm{\&omega;}t\sin \mathrm{\&epsiv;}$

而

$\cos \mathrm{\&omega;t}=\frac{E_i}{A_i}$

$\sin \mathrm{\&omega;t}=\sqrt{1-{\left(\frac{E_i}{A_i}\right)}^2}$

所以有： $\frac{E_j}{A_j}=\frac{E_i}{A_i}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&epsiv;}+\sqrt{1-{\left(\frac{E_i}{A_i}\right)}^2}\sin \mathrm{\&epsiv;}$

${(\frac{E_j}{A_j}-\frac{E_i}{A_i}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&epsiv;})}^2=[1-{\left(\frac{E_i}{A_i}\right)}^2]{\sin }^2\mathrm{\&epsiv;}$

${\left(\frac{E_j}{A_j}\right)}^2+{\left(\frac{E_i}{A_i}\right)}^2-2\left(\frac{E_j}{A_j}\right)\&CenterDot;\left(\frac{E_i}{A_i}\right)\cos \mathrm{\&epsiv;}={\sin }^2\mathrm{\&epsiv;}$

如图3所示，这是一个以半波片快轴方向为j方向，以垂直于快轴的方向为i方向的坐标系下的椭圆方程。

其主轴与i-j坐标系构成一角α，根据椭圆公式，

$\tan 2\mathrm{\&alpha;}=\frac{2A_i{A}_j\cos \mathrm{\&epsiv;}}{A_i^2-A_j^2}$

由此公式，我们可以看出，若要达到A_i＝A_j，则tan 2α＝∞。即 $\mathrm{\&alpha;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}$ ，而半波片快轴方向与椭圆主轴方向的夹角为

。也就是说，要想达到A_i＝A_j，则半波片快轴方向与椭圆主轴方向的夹角必须为

。此时，i，j方向的干涉条纹亮暗互补，现象与两旋向相反的圆偏振光合成一样，视场中是一片均匀光斑，只有加上第二偏振片9后，才能重现清晰的干涉条纹。

Claims (7)

1.一种合成矢量光束的装置，包括有激光器(10)，其特征在于，在激光发生器(10)发出的直线光路(L)上，由左至右依次设置有第一偏振片(1)、1/4波片(2)以及第一半透半反透镜(3)；在经第一半透半反透镜(3)透射的第一透射光路(L1)上设置有第一反射镜(6)，在经第一半透半反透镜(3)反射的第一反射光路(L2)上设置有第二反射镜(4)；在经第一反射镜(6)反射的第二反射光路(L3)上由上至下依次设置有1/2波片(7)和第二半透半反透镜(5)，所述的第一反射光路(L2)经第二反射镜(4)反射形成第三反射光路(L4)；所述的第二反射光路(L3)经波片(7)后被第二半透半反透镜(5)反射，所述的第三反射光路(L4)被第二半透半反透镜(5)透射，所述的经第二半透半反透镜(5)的透射光路和反射光路重合为光路(L′)，并在重合的光路(L′)上由左至右依次设置有扩束镜(8)和第二偏振片(9)。

2.根据权利要求1所述的一种合成矢量光束的装置，其特征在于，所述的第一半透半反透镜(3)和第二半透半反透镜(5)均为5：5的半透半反透镜。

3.根据权利要求1所述的一种合成矢量光束的装置，其特征在于，所述的第一反射镜(6)和第二反射镜(4)均为平面反射镜。

4.根据权利要求1所述的一种合成矢量光束的装置，其特征在于，所述的第一透射光路(L1)、第二反射光路(L3)的总光程与第一反射光路(L2)、第三反射光路(L4)的总光程相等，且第一透射光路(L1)、第二反射光路(L3)、第一反射光路(L2)及第三反射光路(L4)的光路严格共面。

5.根据权利要求1所述的一种合成矢量光束的装置，其特征在于，所述的第一半透半反透镜(3)、第二反射镜(4)及第一反射镜(6)三者平行设置。

6.根据权利要求1所述的一种合成矢量光束的装置，其特征在于，所述的第二半透半反透镜(5)设置在第二反射光路(L3)和第三反射光路(L4)的交点上。

7.根据权利要求1所述的一种合成矢量光束的装置，其特征在于，所述的第一半透半反透镜(3)和第二半透半反透镜(5)的镀膜方向相反。

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