基於一螺旋波片板產生多種高功率柱矢量偏振光束的方法與流程

2023-05-10 23:10:36 1

本發明涉及空間偏振光束整形技術領域，具體涉及一種基於一螺旋波片板產生多種高功率柱矢量偏振光束的方法，該方法將高功率線偏振光束轉化為高功率柱矢量偏振光束，如：徑向偏振光、角向偏振光，相位可變的柱矢量偏振光束、高階柱矢量偏振光束和渦旋光束等。

背景技術：

柱矢量偏振光是一種特殊的矢量偏振光，其空間偏振態分布不均勻，但關於光軸具有一定的對稱或相似性。軸對稱光束屬於柱矢量偏振光的一種，包括徑向偏振光、角向向偏振光等，由於其偏振和相位在光束橫截面上呈軸對稱分布而具有獨特的光學特性和應用。此外，相位可調的柱對稱光束如徑向偏振渦旋光束，具有柱對稱或相似的高階徑向偏振光等，因其特殊的空間偏振和相位分布，也有許多特殊的光學特性和應用。渦旋光束是具有螺線形相位分布的光束，其表達式中帶有相位因子exp(ilθ)，光束中的每個光子攜帶的軌道角動量，其中l稱為拓撲荷，具有中空的特點，由於其特殊的空間相位分布，已在光學微操縱、生物醫學、信息傳輸等領域發揮重要作用。以徑向偏振光為例。徑向偏振光具有完美的軸對稱分布，與線偏振光和圓偏振光相比有著顯著不同的特性。例如徑向偏振光具有沿光軸對稱的電場分布以及中空的圓環型光束結構；徑向偏振光和角向偏振光都是偏振本徵態，在c切向晶體中傳播時，不會發生串擾；高數值孔徑透鏡聚焦時徑向偏振光可以產生超越衍射極限的極小焦點，比線偏振光和圓偏振光的聚焦點小得多，而且焦點區域的縱向電場變得非常強。使得其在牽引、捕獲和加速金屬粒子，切割金屬，提高光學存儲密度和提高縱向解析度等方面具有優勢。

柱矢量偏振光和渦旋光束具有獨特的光學特性，應用潛力巨大。因產生柱矢量偏振光和渦旋光束較難，目前國內大多採用理論分析方法研究，開展實驗研究還不多，導致光學特性研究不足，應用受限。

國外，徑向偏振光的產生方法研究相對較多，主要分為兩類：即腔內法(主動式)和外部轉化法(腔外法，被動式)。腔內法是指在雷射器內直接產生徑向偏振光，需要對雷射器的結構做相應調整，涉及到增益介質，核心思想是控制振蕩器中徑向偏振光和其它偏振光的損耗，使得其它偏振態損耗較大，無法實現振蕩，從而只有徑向偏振光輸出。目前腔內法產生徑向偏振光大體有為以下幾種：利用晶體軸雙折射產生徑向偏振光、利用晶體二向色性產生徑向偏振光、利用晶體布魯斯特角特性產生徑向偏振光和利用幹涉法產生徑向偏振光。但在腔內放置特殊的器件並不都是可行的，因為對現有的雷射器進行改造設計是一項十分複雜的技術，且其空間受限。

外部轉化法是指在雷射器外，通過一定的位相器件或者利用分解再合成的方法，將空間均勻的偏振光轉化為徑向偏振光，由於無需要對雷射器進行改造，因而具有很大的設計靈活性，但利用效率相對低些。常用的外部轉化法有：用相干偏振操縱法產生徑向偏振光、用分塊波片或旋光晶體產生近似的徑向偏振光、利用空間光調製器產生徑向偏振光與利用光纖產生徑向偏振光等。

相干偏振操縱法儘管可以產生純度較高的徑向偏振光，但其對實驗光路的穩定性和精度控制要求較高，操作控制複雜；以往分塊波片或旋光晶體產生的柱矢量偏振光種類單一，純度相對較低，應用效果受限；利用空間光調製器或光纖產生的徑向偏振光能量較小，應用有限。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題為：克服現有技術的不足，提供一種利用一螺旋波片板產生高功率柱矢量偏振光束，並且一螺旋相位板可用以空間相位補償，通過簡單的旋轉兩塊λ/4波片便可產生多種柱矢量偏振光束，具有結構簡單、易操作控制、實用性好，可獲得多種高純度光束等特點。

本發明技術解決方案：基於一螺旋波片板產生多種高功率柱矢量偏振光束的方法，包括以下步驟：

s1:設置入射光束，入射光束為線偏振光，偏振方向可任意；

s2:設置和調節λ/2波片，使光束的光軸過λ/2波片中心且與法線平行，λ/2波片能夠更換且主軸沿光軸旋轉可調；

s3:設置水平檢偏器，可為偏振片或偏振稜鏡，使光束光軸過水平檢偏器中心且與法線平行，其偏振透射方向為水平方向，對某一波段光束具有高消光比；

s4:設置透鏡組，實現光束放大，且放大倍數與波片尺寸大小有關；

s5:設置和調節兩塊λ/4波片，使光束光軸過λ/4波片中心與法線平行，λ/4波片能夠更換且主軸沿光軸旋轉可調；

s6:設置螺旋波片板，置於兩塊λ/4波片之間，整塊螺旋波片板具有同一快軸，且快軸方向沿x軸方向，螺旋波片板厚度順時針隨旋轉角度漸變，光束光軸過其中心且與基底法線平行；

s7:設置螺旋相位板，具有各向同性，產生螺旋相位延遲，螺旋方向與螺旋波片板相反，即逆時針旋轉，光束光軸過其中心且與基底法線平行；

s8:根據需要通過光束放縮器對光束進行放大或縮小；

s9:水平線偏振光通過兩塊λ/4波片與螺旋波片板後實現空間偏振態的旋轉，再通過螺旋相位板後實現空間相位的調製，兩者結合實現了空間光束相位和空間偏振態的同步調節，兼顧了空間相位和偏振態，當旋轉兩塊λ/4波片，便可以產生不同種類的柱矢量偏振光，當兩塊λ/4波片快軸在水平或豎直方向時，還可產生渦旋光束。

其中，所述步驟s1中，設置入射光束採用高功率雷射光源，經偏振片或偏振分光稜鏡後獲得線偏振光束，譜寬小於±3nm，也可直接採用線偏振光源。

其中，所述步驟s2和s3中，λ/2波片能夠更換和旋轉，且與光源的中心波長λ相一致，以提高適用範圍，通過旋轉λ/2波片可調節入射光的偏振方向；水平檢偏器確保出射光束為水平線偏振光，水平檢偏器與λ/2波片組合，通過旋轉λ/2波片可實現光束光強的調節。

其中，所述步驟s5和s9中，兩塊λ/4波片能夠更換和旋轉，且與光源的中心波長λ相一致，初始設置第一λ/4波片的快軸與x軸(即順著光路垂直於光軸水平向右方向)成-45°即135°角，第二λ/4波片的快軸與x軸成45°角，根據需要可以通過旋轉兩塊λ/4波片改變快軸方向，進而產生不同的柱矢量偏振光，比如分別旋轉兩塊λ/4波片90°，便可以產生4種不同的柱矢量偏振光，當旋轉兩塊λ/4波片使快軸在水平或豎直方向時，可產生渦旋光束。

其中，所述步驟s6中，螺旋波片板的快軸沿x方向，螺旋波片板厚度h順時針隨旋轉角度θ漸變其中基底厚度h0＝mλ，m為整數，x軸正向θ＝0，λ為入射光波長，ne，no為波片晶體的兩個主折射率，光束光軸垂直於螺旋波片板基底並過其中心。由於連續螺旋漸變波片製作較難，可用分塊漸變扇形波片板代替，假設共有n塊扇形波片組成一個圓，則第k塊波片厚度

其中，所述步驟s7中，螺旋相位板的相位延遲量與旋轉角度θ的關係為即相位逆時針旋轉，x軸正向時θ＝0，可通過鍍不同厚度的某種各性同性介質實現，如sin、h-k9l、熔石英jgs1等介質，假設該介質折射率為n，空氣折射率設為1，則鍍層厚度隨順指針角度θ的變化為l0為基底厚度，也可通過倒模切割打磨等工藝直接製作而成，光束光軸垂直於螺旋相位板基底並過其中心。當用分塊漸變扇形波片板時，其對應的分塊漸變扇形相位板也有n塊，第k塊的鍍層厚度

其中，所述步驟s2、s5、s6和s7中，λ/2波片、兩塊λ/4波片、螺旋波片板、螺旋相位板，均可承受高功率雷射，且可根據入射光波長變更參數。

本發明的原理是將一個螺旋波片板置於兩塊λ/4波片之間，可實現線偏振光偏振方向的旋轉。第一λ/4波片快軸方向與x軸成135°(-45°)，螺旋波片板的快軸與x軸平行，螺旋波片板厚度h順時針隨旋轉角度θ漸變第二λ/4波片快軸方向與x軸成45°。第一和第二λ/4波片的瓊斯矩陣是j1和j2，螺旋波片板可產生一個空間相位延遲2θ，其瓊斯矩陣為j0，分別表述為：其中，i為複數。故該系統的瓊斯矩陣可表述為：

瓊斯矩陣j12可以順時針旋轉輸入光θ的角度，但伴隨著一個波前整體相位延遲量θ。因此，系統可以通過一螺旋相位板對其進行空間相位補償，該螺旋相位板的相位延遲量與旋轉角度θ的關係為x軸正向時θ＝0，即逆時針旋轉，可通過鍍不同厚度的某種各性同性介質實現，設該介質折射率為n，假設空氣折射率為1，則鍍層厚度隨角度的變化為

當同時旋轉兩塊λ/4波片90°後，該系統的瓊斯矩陣可表述為：

瓊斯矩陣j21可以逆時針旋轉輸入光θ的角度，但伴隨著一個波前整體相位延遲量θ，同樣可以通過螺旋相位板對其進行空間相位補償。

當旋轉第二λ/4波片90°，第一λ/4波片保持不變，則該系統的瓊斯矩陣可表述為：

瓊斯矩陣j11可以使輸入光先關於y＝x軸做對稱旋轉，然後再逆時針旋轉θ的角度，但伴隨著一個波前整體相位延遲量θ+π/2，可通過螺旋相位板對其進行空間相位補償。

當旋轉第一λ/4波片90°，第二λ/4波片保持不變，則該系統的瓊斯矩陣可表述為：

瓊斯矩陣j22可以使輸入光先關於y＝x軸做對稱旋轉，然後再順時針旋轉θ的角度，但伴隨著一個波前整體相位延遲量θ-π/2，可通過螺旋相位板對其進行空間相位補償。

當旋轉兩塊λ/4波片其他不同角度後，該系統可產生其他柱矢量偏振光，當旋轉兩塊λ/4波片使快軸在水平或豎直方向，或直接去掉兩塊λ/4波片，該系統還可產生渦旋光束。

通過更換波片、螺旋波片板和螺旋相位板，可實現對多波段光束的控制，並且從新設計螺旋波片板和螺旋相位板，也可產生高階柱矢量偏振光，如當螺旋波片板厚度滿足且螺旋相位板滿足時，可以產生二階柱矢量偏振光，此外，螺旋波片板厚度變化的起點不同，產生的柱矢量偏振光的偏振方向也不同，如當螺旋波片板厚度滿足時，柱矢量偏振光的偏振方向會整體旋轉θ0角度。

本發明與現有技術相比的優點在於：

(1)採用螺旋波片板和螺旋相位板可產生高功率光束，而且性能穩定。

(2)通過簡單的旋轉兩塊λ/4波片，便可產生多種柱矢量偏振光，包括渦旋光束，結構簡單，易操作控制，功能性強。

(3)通過更換波片、螺旋波片板和螺旋相位板，可實現對多波段光束的控制，並且從新設計螺旋波片板和螺旋相位板，也可產生高階柱矢量偏振光。

附圖說明

圖1為本發明基於一螺旋波片板產生多種高功率柱矢量偏振光束的方法利用的光束產生系統光路原理示意圖，圖中，1為高功率雷射器，2為λ/2波片，3為水平檢偏器，4為第一透鏡，5為第二透鏡，6為第一λ/4波片,7為螺旋波片板，8為第二λ/4波片，9為螺旋相位板，10為光束放縮器，11為柱矢量偏振光；

圖2為螺旋波片板和螺旋相位板示意圖；

圖3為偏振方向旋轉原理示意圖，由兩塊λ/4波片和螺旋波片板組成；

圖4為旋轉兩塊λ/4波片90°後產生的一些柱矢量偏振光束示意圖；

圖5為本發明實驗產生的一些柱矢量偏振光束。

具體實施方式

結合附圖給出本發明的具體實施方式，詳細說明本發明的技術方案。

如圖1所示，光束產生系統包括高功率雷射器1、λ/2波片2、水平檢偏器3、透鏡組(包括第一透鏡4和第二透鏡5)、第一λ/4波片6、螺旋波片板7、第二λ/4波片8、螺旋相位板9以及光束放縮器10。圖1中虛實線代表光束的左右部分，體現了空間光束的變化。任意偏振方向的線偏振光入射，首先通過λ/2波片2調節線偏振光的偏振方向，再經過水平檢偏器3確保獲得水平線偏振光束，λ/2波片2與水平檢偏器3結合也可調節光束強度。然後經透鏡組後實現光束放大，水平線偏振光束依次通過第一λ/4波片6、螺旋波片板7和第二λ/4波片8，實現對空間光束偏振態的控制，再經螺旋相位板9後進行空間相位調製實現空間相位補償，最後經光束放縮器10後產生適合需求的柱矢量偏振光束11。

如圖1、2、3所示，為本發明方法具體實現如下：

步驟101設置入射光束。入射光束為線偏振光，可由線偏振光源獲得，或非偏振光源經偏振片或偏振稜鏡後獲得，偏振方向可以為任意方向，實驗中選擇水平線偏振光、譜寬小於±3nm為好(如高功率飛秒脈衝雷射)；

步驟102設置λ/2波片2。光束垂直通過λ/2波片2中心，λ/2波片2主軸沿光軸旋轉可調，可讀取主軸方位和旋轉角度，當光源波長變化時，波片隨之更換；

步驟103設置水平檢偏器3。光束垂直通過水平檢偏器3中心，其透射方向為水平方向；

步驟104設置透鏡組。由兩個焦距不同的透鏡組成光束放大器，第一透鏡4焦距小，第二透鏡5焦距大，實現光束放大，放大倍數與波片尺寸大小有關；

步驟105設置兩塊λ/4波片，使光束光軸過λ/4波片中心與法線平行，λ/4波片主軸沿光軸旋轉可調，可讀取主軸方位和旋轉角度，當光源波長變化時，λ/4波片隨之更換；初始設置第一λ/4波片6的快軸與x軸(即順著光路垂直於光軸水平向右方向)成-45°即135°角，第二λ/4波片8的快軸與x軸成45°角，根據需要可以通過旋轉波片改變快軸方向，進而產生不同的柱矢量偏振光，比如分別旋轉兩塊λ/4波片90°，便可以產生4種不同的柱矢量偏振光，當旋轉兩塊λ/4波片使快軸在水平或豎直方向時，或直接去掉兩塊λ/4波片，可產生渦旋光束；

步驟106設置螺旋波片板7，置於兩塊λ/4波片之間，整塊螺旋波片板7具有同一快軸，且快軸方向沿x軸方向，螺旋波片板7厚度h順時針隨旋轉角度θ漸變其中基底厚度h0＝mλ，m為整數，x軸正向θ＝0，λ為入射光波長，ne，no為波片晶體的兩個主折射率，光束光軸垂直於螺旋波片板7基底並過其中心；由於連續螺旋漸變波片板製作較難，可用分塊漸變扇形波片板代替，假設共有n塊扇形波片組成一個圓，則第k塊波片厚度

步驟107設置螺旋相位板9，具有各向同性，產生螺旋相位延遲，螺旋方向與螺旋波片板7相反，實現空間相位補償，螺旋相位板9的相位延遲量與旋轉角度θ(順時針)的關係為即相位逆時針旋轉，x軸正向時θ＝0，可通過鍍不同厚度的某種各性同性介質實現，如sin、h-k9l、熔石英jgs1等介質，假設該介質折射率為n，空氣折射率設為1，則鍍層厚度隨順指針角度θ的變化為l0為基底厚度，也可通過倒模切割打磨等工藝直接製作而成，光束光軸過其中心且與基底法線平行；當用分塊漸變扇形波片板時，其對應的分塊漸變扇形相位板也有n塊，第k塊的鍍層厚度

步驟108更換波片(包括λ/2波片2、第一λ/4波片6和第二λ/4波片8)、螺旋波片板7和螺旋相位板9，可實現對多波段光束的控制，且從新設計螺旋波片板7和螺旋相位板9，還可產生高階柱矢量偏振光，如當螺旋波片板滿足且螺旋相位板9滿足時，可以產生二階柱矢量偏振光；

步驟109根據需要可通過光束放縮器10對光束進行放大或縮小，放縮倍數可調。

圖4為旋轉兩塊λ/4波片90°後產生的一些柱矢量偏振光束示意圖，其中，圖4(a)為輸入的水平線偏振光，圖4(b)-(e)分別對應瓊斯矩陣j12、j21、j11和j22產生的4種柱矢量偏振光束，其中圖4(b)和圖4(e)為徑向偏振光和角向偏振光；圖5為本發明實驗產生的一些柱矢量偏振光束，圖5(a)-(d)為實驗產生的4種柱矢量偏振光束，其中圖5(a1)-(d1)為各光束經水平線偏振片後的光場分布，圖5(a2)-(d2)為各光束經45°線偏振片後的光場分布，圖5(a3)-(d3)為各光束經豎直線偏振片後的光場分布，圖5(a4)-(d4)為各光束經-45°(135°)偏振片後的光場分布，箭頭方向為偏振片透光方向。實驗結果與理論分析結果相一致，證明了本發明方法的正確性和有效性。

總之，本發明基於一螺旋波片板產生了高功率柱矢量偏振光，通過簡單旋轉兩塊λ/4波片，可產生多種光束，系統結構簡單，易操作控制。另外，通過更換波片、螺旋波片板和螺旋相位板，可以實現多波長調製和多類型光束。

本發明未詳細闡述部分屬於本領域技術人員的公知技術。

以上雖然描述了本發明的具體實施方法，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，在不背離本發明原理和實現的前提下，可以對這些實施方案做出多種變更或修改(例如，螺旋波片板和螺旋相位板材料的選擇，螺旋波片板厚度的改變，起點位置的改變，起點角度的改變，旋轉方向的改變，水平檢偏器的選擇等)，因此，本發明的保護範圍由所附權利要求書限定。