一種產生切向偏振光束的方法和裝置的製作方法

2023-05-08 23:40:31 2

專利名稱：一種產生切向偏振光束的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於應用光學領域，具體涉及一種產生切向偏振光束的方法和裝置，主要應用於光學信息存儲、光刻、超分辨顯微等領域。
背景技術：
偏振作為光波的矢量特性，近些年來吸引了人們越來越多的關注，可廣泛應用於偏振差異成像、超分辨聚焦、雷射光刻等領域。在研究過程中，人們發現，光束的偏振態不只包括傳統的線偏振光、圓偏振光以及橢圓偏振光，還包括徑向偏振光(radial polarization beam)禾口切向偏振光(azimuthally polarized beam)等柱狀偏振光束。由於柱狀偏振光束的偏振態和光強呈對稱分布，更是被廣泛研究。公開號為CN101465512A的中國發明專利申請公開了一種產生柱對稱偏振光的雷射器，通過設計特殊的非對稱腔結構來實現徑向偏振光或者切向偏振光，但是由於需要改變現有的雷射器的諧振腔，因而製作成本高。

發明內容
本發明提供了一種產生切向偏振光束的方法和裝置，調整簡單且成本低。一種產生切向偏振光束的方法，包括以下步驟(1)由雷射器發出的準直光束，經過偏振分光器分光得到光強比為1 1的平行線偏振光和垂直線偏振光；(2)使所述的平行線偏振光經過第一 λ /4波片後變成右旋圓偏振光和所述的垂直線偏振光經過第二 λ /4波片後變成左旋圓偏振光；或者，使所述的平行線偏振光經過第一 λ /4波片後變成左旋圓偏振光和所述的垂直線偏振光經過第二 λ /4波片後變成右旋圓偏振光；(3)對所述的右旋圓偏振光進行0 2 π渦旋位相編碼，對所述的左旋圓偏振光進行反向0 渦旋位相編碼，所述的反向0 渦旋位相編碼的起始線位於由所述的 0 渦旋位相編碼的起始線旋轉π的位置，經位相編碼後的兩束光線經光路轉折後入射到同一光束合束器件上進行光束相干合束，所述的光束合束器件出射的光束為切向偏振光束。步驟( 中，使所述的平行線偏振光經過第一 λ /4波片後變成右旋圓偏振光和所述的垂直線偏振光經過第二 λ/4波片後變成左旋圓偏振光，通過設置第一 λ/4波片和第二 λ/4波片的位置即可實現，S卩，將第一 λ/4波片的快軸設置在所述的平行線偏振光的偏振方向沿逆時針旋轉45°的位置，將第二 λ/4波片的快軸設置在所述的垂直線偏振光的偏振方向沿順時針旋轉45°的位置。同樣，使所述的平行線偏振光經過第一 λ /4波片後變成左旋圓偏振光和所述的垂直線偏振光經過第二 λ/4波片後變成右旋圓偏振光，也可通過設置第一 λ/4波片和第二 λ/4波片的位置實現，S卩，將第一 λ/4波片的快軸設置在所述的平行線偏振光的偏振方
4向沿順時針旋轉45°的位置，將第二 λ/4波片的快軸設置在所述的垂直線偏振光的偏振方向沿逆時針旋轉45°的位置。步驟(3)中，將經位相編碼後的兩束光線經光路轉折後入射到同一光束合束器件上進行光束相干合束，得到切向偏振光束。其中的光路折轉的設置以使得兩束光線能入射到同一光束合束器件上為準。以下將以由所述的光束合束器件出射的切向偏振光束與雷射器發出的準直光束平行或垂直為例對其實現方式進行說明使得由所述的光束合束器件出射的切向偏振光束與雷射器發出的準直光束平行， 可以分別採取以下兩種實現方式(a)當步驟O)中的右旋圓偏振光和左旋圓偏振光分別由所述的平行線偏振光和垂直線偏振光轉換而來時對所述的右旋圓偏振光進行0 2 π渦旋位相編碼後，入射到光束合束器件上；對所述的左旋圓偏振光進行反向0 2 π渦旋位相編碼，再通過光路轉折器件進行光路轉折後，入射到所述的光束合束器件上，由所述的光束合束器件出射的光束相干為切向偏振光束。(b)當步驟O)中的右旋圓偏振光和左旋圓偏振光分別由所述的垂直線偏振光和平行線偏振光轉換而來時對所述的左旋圓偏振光進行反向0 2 π渦旋位相編碼後，入射到光束合束器件上；對所述的右旋圓偏振光進行0 2 π渦旋位相編碼，再通過光路轉折器件進行光路轉折後，入射到所述的光束合束器件上，由所述的光束合束器件出射的光束相干為切向偏振光束。同理，使得由所述的光束合束器件出射的切向偏振光束與雷射器發出的準直光束垂直，也可以分別採取兩種方式實現。即(a)中是對經0 渦旋位相編碼的右旋圓偏振光進行光路折轉後再入射到光束合束器件，而經反向0 2 π渦旋位相編碼的左旋圓偏振光直接入射到光束合束器件。(b)中是對經反向0 渦旋位相編碼的左旋圓偏振光進行光路折轉後再入射到光束合束器件，而經0 2 π渦旋位相編碼的右旋圓偏振光入射到光束合束器件。上述的產生切向偏振光束的方法，也可以採取以下的方案，S卩包括以下步驟(1)由雷射器發出的準直光束，經過偏振分光器分光得到光強比為1 1的平行線偏振光和垂直線偏振光；(2')對所述的平行線偏振光進行0 渦旋位相編碼，對所述的垂直線偏振光進行反向0 渦旋位相編碼，所述的反向0 渦旋位相編碼的起始線位於由所述的0 渦旋位相編碼的起始線旋轉π的位置，經位相編碼後的兩束光線經光路轉折後入射到同一光束合束器件上進行光束相干合束；(3')由所述的光束合束器件出射的光束經λ/4波片後轉換為切向偏振光束，所述的λ/4波片的快軸設置在所述的平行線偏振光的偏振方向沿逆時針旋轉45°的位置。步驟議)中光路折轉的原理與前述的步驟(3)中相似。步驟(3')由所述的光束合束器件出射的光束經λ/4波片後轉換為切向偏振光束的原理為所述的光束合束器件出射光束中經0 2 π渦旋位相編碼的平行線偏振光經λ /4 波片轉換為右旋圓偏振光，所述的光束合束器件出射光束中經反向0 2 π渦旋位相編碼的垂直線偏振光經λ/4波片轉換為左旋圓偏振光，右旋圓偏振光和左旋圓偏振光兩光束相干合束得到切向偏振光束。一種用於實現所述的產生切向偏振光束的方法的裝置，包括雷射器，用於發出準直光束；偏振分光器，用於將所述的準直光束分光為光強比為1 1的平行線偏振光和垂直線偏振光；第一 λ/4波片和第二 λ/4波片，用於將所述的平行線偏振光和垂直線偏振光分別轉換為右旋圓偏振光和左旋圓偏振光，此時，第一 λ/4波片的快軸設置在所述的平行線偏振光的偏振方向沿逆時針旋轉45°的位置，第二 λ/4波片的快軸設置在所述的垂直線偏振光的偏振方向沿順時針旋轉45°的位置；或者用於將所述的平行線偏振光和垂直線偏振光分別轉換為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，此時，第一 λ/4波片的快軸設置在所述的平行線偏振光的偏振方向沿順時針旋轉45°的位置，第二 λ/4波片的快軸設置在所述的垂直線偏振光的偏振方向沿逆時針旋轉45°的位置；0 2 π渦旋位相板，用於對所述的右旋圓偏振光進行0 2 π渦旋位相編碼；反向0 2 π渦旋位相板，用於對所述的左旋圓偏振光進行反向0 2 π渦旋位相編碼；所述的反向0 2 π渦旋位相板的相位起始線位於所述的0 2 π渦旋位相板的相位起始線旋轉η的位置；光路轉折器件，用於對經反向0 2 π渦旋位相編碼的左旋圓偏振光或者經0 2π渦旋位相編碼的右旋圓偏振光進行光路轉折；以及光束合束器件，用於對經所述的位相編碼和光路轉折後的兩束光線進行光束相干合束。上述的用於實現所述的產生切向偏振光束的方法的裝置，也可以為以下方案，即， 包括雷射器，用於發出準直光束；偏振分光器，用於將所述的準直光束分光為光強比為1 1的平行線偏振光和垂直線偏振光；0 2 π渦旋位相板，用於對所述的平行線偏振光進行0 2 π渦旋位相編碼；反向0 2 π渦旋位相板，用於對所述的垂直線偏振光進行反向0 2 π渦旋位相編碼；所述的反向0 2 π渦旋位相板的相位起始線位於所述的0 2 π渦旋位相板的相位起始線旋轉η的位置；光路轉折器件，用於對經反向0 2 π渦旋位相編碼的垂直線偏振光或者經0 2π渦旋位相編碼的平行線偏振光進行光路轉折；光束合束器件，用於對經所述的位相編碼和光路轉折後的兩束光線進行光束相干合束；和λ/4波片，用於將所述的光束合束器件出射光束中經0 渦旋位相編碼的平行線偏振光轉換為右旋圓偏振光，所述的光束合束器件出射光束中經反向0 2 π渦旋位相編碼的垂直線偏振光轉換為左旋圓偏振光，右旋圓偏振光和左旋圓偏振光兩光束相干合束得到切向偏振光束，所述的λ/4波片的快軸設置在所述的平行線偏振光的偏振方向沿逆時針旋轉45°的位置。所述的光路轉折器件為高精度平面反射鏡，其面形精度的均方根值(RMS)為0. 011 λ，PV值(表示表面的最高處與最低處的差值)為0.071 λ ；可根據需要放置多個平面反射鏡，優選為金屬膜反射鏡。本發明原理如下對於切向偏振光，在垂直於光軸的光束橫截面內，其偏振表示為
權利要求
1.一種產生切向偏振光束的方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)由雷射器發出的準直光束，經過偏振分光器分光得到光強比為1 1的平行線偏振光和垂直線偏振光；(2)使所述的平行線偏振光經過第一λ/4波片後變成右旋圓偏振光和所述的垂直線偏振光經過第二 λ/4波片後變成左旋圓偏振光；或者，使所述的平行線偏振光經過第一 λ /4波片後變成左旋圓偏振光和所述的垂直線偏振光經過第二 λ /4波片後變成右旋圓偏振光；(3)對所述的右旋圓偏振光進行0 2π渦旋位相編碼，對所述的左旋圓偏振光進行反向0 2 π渦旋位相編碼，所述的反向0 2 π渦旋位相編碼的起始線位於由所述的0 2π渦旋位相編碼的起始線旋轉η的位置，經位相編碼後的兩束光線經光路轉折後入射到同一光束合束器件上進行光束相干合束，所述的光束合束器件出射的光束為切向偏振光束ο
2.—種產生切向偏振光束的方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)由雷射器發出的準直光束，經過偏振分光器分光得到光強比為1 1的平行線偏振光和垂直線偏振光；(2')對所述的平行線偏振光進行0 2 π渦旋位相編碼，對所述的垂直線偏振光進行反向0 渦旋位相編碼，所述的反向0 渦旋位相編碼的起始線位於由所述的 0 渦旋位相編碼的起始線旋轉π的位置，經位相編碼後的兩束光線經光路轉折後入射到同一光束合束器件上進行光束相干合束；(3')由所述的光束合束器件出射的光束經λ/4波片後轉換為切向偏振光束，所述的 λ /4波片的快軸設置在所述的平行線偏振光的偏振方向沿逆時針旋轉45°的位置。
3.一種用於實現如權利要求1所述的產生切向偏振光束的方法的裝置，其特徵在於， 包括雷射器，用於發出準直光束；偏振分光器，用於將所述的準直光束分光為光強比為1 1的平行線偏振光和垂直線偏振光；第一 λ/4波片和第二 λ/4波片，用於將所述的平行線偏振光和垂直線偏振光分別轉換為右旋圓偏振光和左旋圓偏振光，此時，第一 λ /4波片的快軸設置在所述的平行線偏振光的偏振方向沿逆時針旋轉45°的位置，第二 λ/4波片的快軸設置在所述的垂直線偏振光的偏振方向沿順時針旋轉45°的位置；或者用於將所述的平行線偏振光和垂直線偏振光分別轉換為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，此時，第一 λ /4波片的快軸設置在所述的平行線偏振光的偏振方向沿順時針旋轉45°的位置，第二 λ/4波片的快軸設置在所述的垂直線偏振光的偏振方向沿逆時針旋轉45°的位置；0 2 π渦旋位相板，用於對所述的右旋圓偏振光進行0 2 π渦旋位相編碼；反向0 2 π渦旋位相板，用於對所述的左旋圓偏振光進行反向0 2 π渦旋位相編碼；所述的反向0 2 π渦旋位相板的相位起始線位於所述的0 2 π渦旋位相板的相位起始線旋轉η的位置；光路轉折器件，用於對經反向0 渦旋位相編碼的左旋圓偏振光或者經0 渦旋位相編碼的右旋圓偏振光進行光路轉折；以及光束合束器件，用於對經所述的位相編碼和光路轉折後的兩束光線進行光束相干A擊口 >Κ ο
4.如權利要求3的裝置，其特徵在於，所述的光路轉折器件為一個或多個高精度平面反射鏡，其面形精度的均方根值為0. 011 λ，PV值為0. 071 λ。
5.如權利要求4的裝置，其特徵在於，所述的高精度平面反射鏡為金屬膜反射鏡。
6.一種用於實現如權利要求2所述的產生切向偏振光束的方法的裝置，其特徵在於， 包括雷射器，用於發出準直光束；偏振分光器，用於將所述的準直光束分光為光強比為1 1的平行線偏振光和垂直線偏振光；0 2 π渦旋位相板，用於對所述的平行線偏振光進行0 2 π渦旋位相編碼； 反向0 2 π渦旋位相板，用於對所述的垂直線偏振光進行反向0 2 π渦旋位相編碼；所述的反向0 2 π渦旋位相板的相位起始線位於所述的0 2 π渦旋位相板的相位起始線旋轉η的位置；光路轉折器件，用於對經反向0 2 π渦旋位相編碼的垂直線偏振光或者經0 2 π 渦旋位相編碼的平行線偏振光進行光路轉折；光束合束器件，用於對經所述的位相編碼和光路轉折後的兩束光線進行光束相干合束；和λ/4波片，用於將所述的光束合束器件出射光束中經0 渦旋位相編碼的平行線偏振光轉換為右旋圓偏振光，所述的光束合束器件出射光束中經反向0 2 π渦旋位相編碼的垂直線偏振光轉換為左旋圓偏振光，右旋圓偏振光和左旋圓偏振光兩光束相干合束得到切向偏振光束，所述的λ/4波片的快軸設置在所述的平行線偏振光的偏振方向沿逆時針旋轉45°的位置。
7.如權利要求6的裝置，其特徵在於，所述的光路轉折器件為一個或多個高精度平面反射鏡，其面形精度的均方根值為0. 011 λ，PV值為0. 071 λ。
8.如權利要求7的裝置，其特徵在於，所述的高精度平面反射鏡為金屬膜反射鏡。
全文摘要
本發明公開了一種產生切向偏振光束的方法和裝置。本方法中，先將準直光束偏振分光為光強比為1∶1的平行線偏振光和垂直線偏振光，分別對其進行起始點相反的0～2π渦旋位相編碼和反向0～2π渦旋位相編碼後，經光路轉折後進行光束相干合束，再由λ/4波片分別轉換成為切向偏振光束。本裝置包括雷射器、偏振分光器、0～2π渦旋位相板、反向0～2π渦旋位相板、光路折轉器件、光束合束器件和λ/4波片，其中反向0～2π渦旋位相板的相位起始線位於0～2π渦旋位相板的相位起始線旋轉π的位置。本發明方法容易實現，裝置結構簡單，易於調整，製造成本低；裝置穩定性好，不需要其他特殊的光學元件。
文檔編號G02B27/28GK102289081SQ20111022842
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月10日 優先權日2011年8月10日
發明者劉旭, 匡翠方, 庫玉龍, 王婷婷, 郝翔, 顧兆泰 申請人:浙江大學