CN205027977U - 一种基于双折射偏振分束器的矢量光束产生装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于双折射偏振分束器的矢量光束产生装置，包括依次设置的计算全息图、双折射偏振分束器、第一傅里叶透镜、滤波孔径、第二傅里叶透镜和输出面，计算全息图设置在第一傅里叶透镜的前焦面上，双折射偏振分束器设置在第一傅里叶透镜的前焦面与第一傅里叶透镜之间，滤波孔径设置在第一傅里叶透镜的后焦面上，在滤波孔径与输出面之间设置第二个傅里叶透镜。用一个平面光束或高斯光束照明计算全息图，透过计算全息图的光束依次经过第一傅里叶透镜变换、滤波孔径滤波和第二傅里叶透镜变换，在输出面处得到所需的矢量光束。该装置简单易行，所生成的矢量光束的两个正交偏振分量的消光比优于10-5，可获得高质量的矢量光束。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于双折射偏振分束器产生矢量光束的装置，属于矢量光束技术领域。
背景技术
近年来，越来越多的研究开始涉及到偏振态空间非均匀分布的矢量光束，因为人们发现这种矢量光束具有一些均匀偏振的标量光场所不具备的特殊性质(参见文献1-4)。矢量光束的特殊性质已经在超分辨聚焦成像(参见文献5和6)、表面等离激元激发(参见文献7和8)、光学微操纵(参见文献9-12)、激光微加工(参见文献13和14)等领域显示了其重要的实际应用价值。
由于多数商品激光器只能够输出简单模式的激光，因此如何将它们转变成同时具有特定偏振分布和特定复振幅分布的矢量光束成为许多实际应用中的一个难题。为解决这一难题人们已经做了大量工作并提出了许多实现途径。这些途径大致可分为基于常规光学元件的静态转换技术(参见文献15-17)和基于可程控的空间光调制器的动态转换技术(参见文献18-33)。而后者由于具有可动态程控的优点更令人感兴趣并得到广泛应用。产生任意矢量光束通常需要同时调控两个正交偏振态的复振幅分布。文献5以及文献18-21采用了两个独立的SLM来达到这一目的；而文献22-31所采用的系统则由一个SLM和一个可以实现双通道偏振分离和重组的光学系统构成。
最近，文献32和文献33提出了两种基于渥拉斯顿棱镜的任意矢量光束生成方法和装置，但文献33的方法只能用于生成一些特殊的矢量光束，例如偏振漩涡；而文献32的方法则需要在光路中插入非偏振分束器，从而使能量利用率大大降低。
综上所述，如何采用简单的方法和装置高效率生成任意矢量光束仍然是该技术领域亟待解决的一个问题。
以上所述及的文献是：
文献1.Q.Zhan,"Cylindricalvectorbeams:frommathematicalconceptstoapplications,"Adv.Opt.Photon.1,1-57(2009).
文献2.R.Dorn,S.Quabis,andG.Leuchs,"Sharperfocusforaradiallypolarizedlightbeam,"Phys.Rev.Lett.91(23),233901(2003).
文献3.H.Wang,L.Shi,B.Lukyanchuk,C.Sheppard,andC.T.Chong,"Creationofaneedleoflongitudinallypolarizedlightinvacuumusingbinaryoptics,"Nat.Photonics2(8),501-505(2008).
文献4.X.L.Wang,J.Chen,Y.Li,J.Ding,C.S.Guo,andH.T.Wang,"Opticalorbitalangularmomentumfromthecurlofpolarization,"Phys.Rev.Lett.105(25),253602(2010).
文献5.F.Kenny,D.Lara,O.G.Rodríguez-Herrera,andC.Dainty,"Completepolarizationandphasecontrolforfocusshapinginhigh-NAmicroscopy,"Opt.Express20(13),14015-14029(2012).
文献6.W.ChenandQ.Zhan,"Diffractionlimitedfocusingwithcontrollablearbitrarythree-dimensionalpolarization,"J.Opt.12(4),045707(2010).
文献7.Q.Zhan,"EvanescentBesselbeamgenerationviasurfaceplasmonresonanceexcitationbyaradiallypolarizedbeam,"Opt.Lett.31(11),1726-1728(2006).文献8.K.J.Moh,X.-C.Yuan,J.Bu,S.W.Zhu,andB.Z.Gao,"Radialpolarizationinducedsurfaceplasmonvirtualprobefortwo-photonfluorescencemicroscopy,"Opt.Lett.34(7),971-973(2009).
文献9.T.A.Nieminen,N.R.Heckenberg,andH.Rubinsztein-Dunlop,"Forcesinopticaltweezerswithradiallyandazimuthallypolarizedtrappingbeams,"Opt.Lett.33(2),122-124(2008).
文献10.Y.KozawaandS.Sato,"Opticaltrappingofmicrometer-sizeddielectricparticlesbycylindricalvectorbeams,"Opt.Express18(10),10828-10833(2010).文献11.D.B.RuffnerandD.G.Grier,"OpticalForcesandTorquesinNonuniformBeamsofLight,"Phys.Rev.Lett.108(17),173602(2012).
文献12.M.I.Marqués,“BeamconfigurationproposaltoverifythatscatteringforcescomefromtheorbitalpartofthePoyntingvector,”Opt.Lett.39(17),5122-5125(2014).
文献13.M.Meier,V.Romano,andT.Feurer,"Materialprocessingwithpulsedradiallyandazimuthallypolarizedlaserradiation,"Appl.Phys.,AMater.Sci.Process.86(3),329-334(2007).
文献14.K.Lou,S.X.Qian,Z.C.Ren,C.Tu,Y.Li,andH.T.Wang,"FemtosecondLaserProcessingbyUsingPatternedVectorOpticalFields,"Sci.Rep.3,2281(2013).
文献15.K.C.ToussaintJr,S.Park,J.E.Jureller,andN.F.Scherer,"Generationofopticalvectorbeamswithadiffractiveopticalelementinterferometer,”Opt.Lett.30(21),2846-2848(2005).
文献16.G.Machavariani,Y.Lumer,I.Moshe,A.Meir,andS.Jackel,"Efficientextracavitygenerationofradiallyandazimuthallypolarizedbeams,"Opt.Lett.32(11),1468-1470(2007).
文献17.M.Beresna,M.Gecevicius,P.G.Kazansky,andT.Gertus,"Radiallypolarizedopticalvortexconvertercreatedbyfemtosecondlasernanostructuringofglass,"Appl.Phys.Lett.98,201101(2011).
文献18.R.L.Eriksen,P.C.Mogensen,andJ.Glückstad,"Ellipticalpolarisationencodingintwodimensionsusingphase-onlyspatiallightmodulators,"Opt.Commun.187,325-336(2001).
文献19.D.Maluenda,I.Juvells,R.Rodríguez-Herrera,andA.Carnicer,"Reconfigurablebeamswitharbitrarypolarizationandshapedistributionsatagivenplane,"Opt.Express21(5),5424-5431(2013)
文献20.W.Han,Y.Yang,W.Cheng,andQ.Zhan,"Vectorialopticalfieldgeneratorforthecreationofarbitrarilycomplexfields,"Opt.Express21(18),20692-20706(2013).
文献21.Z.Y.Rong,Y.J.Han,S.Z.Wang,andC.S.Guo,"Generationofarbitraryvectorbeamswithcascadedliquidcrystalspatiallightmodulators,"Opt.Express22(2),1636(2014).
文献22.X.L.Wang,J.Ding,W.J.Ni,C.S.Guo,andH.T.Wang,"Generationofarbitraryvectorbeamswithaspatiallightmodulatorandacommonpathinterferometricarrangement,"Opt.Lett.32(24),3549-3551(2007).
文献23.X.L.Wang,Y.Li,J.Chen,C.S.Guo,J.Ding,andH.T.Wang,"Anewtypeofvectorfieldswithhybridstatesofpolarization,"Opt.Express18(10),10786-10795(2010).
文献24.H.Chen,J.Hao,B.F.Zhang,J.Xu,J.Ding,andH.T.Wang,"Generationofvectorbeamwithspace-variantdistributionofbothpolarizationandphase,"Opt.Lett.36,3179(2011).
文献25.I.Moreno,C.Iemmi,J.Campos,andM.J.Yzuel,“JonesmatrixtreatmentforopticalFourierprocessorswithstructuredpolarization,”Opt.Express19,4583(2011).
文献26.S.Liu,P.Li,T.Peng,andJ.Zhao,"Generationofarbitraryspatiallyvariantpolarizationbeamswithatrapezoidsagnacinterferometer,"Opt.Express20(19),21715-21721(2012).
文献27.I.Moreno,J.A.Davis,T.M.Hernandez,D.M.Cottrell,andD.Sand,"Completepolarizationcontroloflightfromaliquidcrystalspatiallightmodulator,"Opt.Express20(1),364-376(2012).
文献28.J.H.CleggandM.A.A.Neil,"Doublepass,commonpathmethodforarbitrarypolarizationcontrolusingaferroelectricliquidcrystalspatiallightmodulator,"Opt.Lett.38(7),1043-1045(2013)
文献29.C.S.Guo,Z.Y.RongandS.Z.Wang,"Double-channelvectorspatiallightmodulatorforgenerationofarbitrarycomplexvectorbeams,"Opt.Lett.39(2),386-389(2014).
文献30.Z.Chen,T.Zeng,B.Qian,andJ.Ding,"Completeshapingofopticalvectorbeams,"Opt.Express23(14),17701-17710(2015).
文献31.S.Fu,C.Gao,Y.Shi,K.Dai,L.Zhong,andS.Zhang,"GeneratingpolarizationvorticesbyusinghelicalbeamsandaTwymanGreeninterferometer,"Opt.Lett.40(8),1775-1778(2015).
文献32.C.Maurer,A.Jesacher,S.Fürhapter,S.Bernet,andM.Ritsch-Marte,"Tailoringofarbitraryopticalvectorbeams,"NewJ.Phys.9,78(2007).
文献33.J.Xin,C.Gao,C.Li,andZ.Wang,"GenerationofpolarizationvorticeswithaWollastonprismandaninterferometricarrangement,"Appl.Opt.51(29),7094-7097(2012).
发明内容
本实用新型的目的是针对现有矢量光束产生技术存在的问题，提出一种简单易行、能够获得高质量矢量光束的基于双折射偏振分束器的矢量光束产生装置。
本实用新型的基于双折射偏振分束器的矢量光束产生装置，采用以下技术方案：
该装置，包括依次设置的计算全息图、双折射偏振分束器、第一傅里叶透镜、滤波孔径、第二傅里叶透镜和输出面，计算全息图设置在第一傅里叶透镜的前焦面上，双折射偏振分束器设置在第一傅里叶透镜的前焦面与第一傅里叶透镜之间，滤波孔径设置在第一傅里叶透镜的后焦面上，在滤波孔径与输出面之间设置第二个傅里叶透镜。
计算全息图可以通过光学微加工工艺制备，也可以直接输出到一个空间光调制器。
滤波孔径的半径R等于或小于fsinα，其中2α为双折射偏振分束器的分束角，f为傅里叶透镜的焦距。
用一个平面光束或高斯光束照明计算全息图，透过计算全息图的光束经第一傅里叶透镜变换，再经过滤波孔径滤波，得到所需要的矢量光束的空间频域形式；通过滤波孔径的光束再经过第二傅里叶透镜，在输出面处得到所需的矢量光束。
本实用新型简单易行，由于在计算全息图与双折射偏振分束器之间不需要插入任何其它元件，从而可使所生成的矢量光束的两个正交偏振分量的消光比优于10-5，可获得高质量的矢量光束。
附图说明
图1是本实用新型基于双折射偏振分束器的矢量光束产生装置的结构原理示意图。
其中：1、照明光源，2、计算全息图；3、双折射偏振分束器；4、第一傅里叶透镜；5、滤波孔径；6、第二傅里叶透镜。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的基于双折射偏振分束器的矢量光束产生装置，不需要复杂的光路，而且所需的光学元件也很简单，采用了4f空间滤波成像光路系统，在计算全息图2和双折射偏振分束器3之间不需要插入任何光学元件。计算全息图2设置在放在第一傅里叶透镜4的前焦面上，双折射偏振分束器3设置在第一傅里叶透镜4的前焦面与第一傅里叶透镜4之间，滤波孔径5设置在第一傅里叶透镜4的后焦面上。在滤波孔径5与输出面(图中没有画出，图1中在第二个傅里叶透镜6的右侧)之间设置第二个傅里叶透镜6。
计算全息图2的设计原理是：首先把要产生的任意矢量光束分解成两个正交偏振分量并分别求出这两个正交偏振分量的振幅和相位分布；然后利用计算全息图编码方法(如修正离轴干涉计算全息编码方法)将这两个正交偏振分量的振幅和相位分布分别编码到两个不同的衍射方向上。计算全息图2可以通过光学微加工工艺制备，也可以直接输出到一个空间光调制器。
双折射偏振分束器2可以是一个渥拉斯顿棱镜或洛凶棱镜，也可以是一个简单的双折射微角分束棱镜。
滤波孔径的半径R等于或小于fsinα，其中2α为双折射偏振分束器的分束角，f为傅里叶透镜的焦距。
上述装置产生矢量光束的过程是：
用照明光源1产生的平面光束或高斯光束照明计算全息图2，透过计算全息图2的光束经第一傅里叶透镜4变换，再经过滤波孔径5滤波，得到所需要的矢量光束的空间频域形式；通过滤波孔径5的光束再经过第二傅里叶透镜6，在输出面处得到所需的矢量光束。
本实用新型与已有的产生矢量光束的技术相比，更为简单实用。特别是本实用新型中，在计算全息图2和双折射偏振分束器3之间不需要插入其它分束和偏振转换器件，因此更容易集成和应用，所产生的矢量光束的两个正交偏振分量的消光比可低于10-5，从而可生成高质量矢量光束。
Claims (1)
1.一种基于双折射偏振分束器的矢量光束产生装置，其特征是，包括依次设置的计算全息图、双折射偏振分束器、第一傅里叶透镜、滤波孔径、第二傅里叶透镜和输出面，计算全息图设置在第一傅里叶透镜的前焦面上，双折射偏振分束器设置在第一傅里叶透镜的前焦面与第一傅里叶透镜之间，滤波孔径设置在第一傅里叶透镜的后焦面上，在滤波孔径与输出面之间设置第二个傅里叶透镜。
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