一種基於單個分光稜鏡產生非均勻偏振光束的方法及裝置與流程

2023-06-20 02:52:21 2

本發明屬於光電技術領域，涉及一種利用單個分光稜鏡和相位圖生成非均勻偏振光束的方法及裝置。

背景技術：

偏振是光波的一種基本屬性。常見的均勻偏振光束主要包括線偏振、圓偏振、橢圓偏振光束。近年來，作為均勻偏振光束的一個擴展和應用，非均勻偏振光束逐漸成為光學領域的一個研究熱點。特殊的空間偏振態分布使其在緊聚焦時具有極強的縱向分量、超小的光斑尺寸等特點，這在基礎科學和工程應用中，包括雷射加工、光學微操縱、高密度數據存儲、超解析度成像等，具有巨大的應用價值。

迄今，非均勻偏振光場的生成方法既可以通過設計雷射器的諧振腔，使其直接輸出非均勻偏振光束；也可以在雷射腔外生成，雷射腔外的生成方法主要分為兩大類，即直接法和間接法。直接法指通過設計偏振轉換元件，利用偏振轉換元件將均勻偏振光束直接變為非均勻偏振光束。常見的偏振轉換元件包括扭曲向列液晶、亞波長光柵、組合的半波片、超表面等。間接法指使經過相位和偏振調製的兩均勻偏振光束同軸疊加生成非均勻偏振光束，也稱幹涉法。

採用直接法產生非均勻偏振光束，需要藉助特殊工藝加工的光學元件，光學元件加工定型之後只能產生特定偏振分布的非均勻偏振光束，降低了靈活性。採用幹涉法生成非均勻偏振光束，具有很高的靈活性，可以方便地產生任意非均勻偏振光束。現有的間接法主要依靠空間光調製器實現非均勻偏振光束的實時可控。然而，空間光調製器上需要加載計算全息圖，反(透)射光會產生多個衍射級次，嚴重降低了非均勻偏振光束的產生效率。針對間接法產生效率的問題，本發明提出一種具有更高效率的非均勻偏振光束產生方法及裝置。

技術實現要素：

要解決的技術問題

針對現有技術的不足之處，本發明提出一種基於單個分光稜鏡產生非均勻偏振光束的方法及裝置，所用相位圖可以製成相位板或替代計算全息圖直接顯示在空間光調製器上，消除計算全息圖產生的無關衍射級次。該方法所用的光學元器件更少，光束疊加的同軸性調節更容易，具有更高的產生效率。

技術方案

本發明解決其技術問題所採用的技術方案，其特徵在於包括光源1，半波片2，消偏振分光稜鏡3，分光系統4，四分之一波片9。

所述光源1可以為氦氖雷射器，氬離子雷射器，半導體雷射器及納秒、皮秒、飛秒脈衝雷射器等。

所述半波片2的作用是改變雷射器輸出光束的偏振方向。

所述消偏振分光稜鏡3的作用是使分光系統4返回的光束與入射光束分離。

所述的分光系統4包括偏振分光稜鏡5，反射鏡6，半波片7和相位圖8：偏振分光稜鏡5的作用是將入射光束分成偏振方向正交的兩束線偏振光束；反射鏡6的作用是改變偏振分光稜鏡5反射光束的方向使其與偏振分光稜鏡5透射光束的方向平行；半波片7的作用是改變光束的偏振方向；相位圖8的作用是給光束加載相位信息。

所述四分之一波片9的作用是使偏振方向正交的兩束線偏振光轉化為兩束旋向相反的圓偏振光。

附圖說明

附圖1為本發明的光路結構示意圖；圖中，1-光源，2-半波片，3-消偏振分光稜鏡，4-分光系統，5-偏振分光稜鏡，6-反射鏡，7-半波片，8-相位圖，9-四分之一波片。

附圖2為本發明附圖1中分光系統4的一種變形示意圖；圖中，1-分光稜鏡，2，3-偏振片，4-相位圖。

附圖3為相位分布沿角向變化的相位圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明做進一步的說明，以下實施例是對本發明的解釋，是本發明的一種應用形式，本發明並不局限於以下實施例。

實施例1：

本發明提出產生非均勻偏振光束的方法如圖1所示，光源1發出的線偏振光束，經過半波片2，其偏振方向可以任意改變，進入分光系統4，再由偏振分光稜鏡5分成兩束偏振方向正交的線偏振光束：p分量和s分量。p分量直接經相位圖8反射，s分量經反射鏡6反射後，經過半波片7後變成偏振方向與水平方向夾角為45°的線偏振光束，經相位圖8反射後再一次經過半波片7，變成豎直偏振光束，此時，p分量和s分量再經偏振分光稜鏡5合併，通過消偏振分光稜鏡3反射，經四分之一波片9後分別轉化為左旋和右旋圓偏振光束，即為本發明產生的非均勻偏振光束。

實施例2：

分光系統4也可以由圖2所示光路結構替代，光束進入消偏振分光稜鏡1，由分光稜鏡分為透射光束和反射光束，透射光束和反射光束相互平行，透射光束經偏振片2變成偏振方向與水平方向夾角為135°的線偏振光束，反射光束經過偏振片3變成偏振方向與水平方向夾角為45°的線偏振光束，兩光束經相位圖4反射後再經消偏振分光稜鏡1合併。

實施例3：

圖3所示為相位分布沿角向變化的相位圖，入射光束通過分光系統4中的偏振分光稜鏡5和反射鏡6後分成偏振方向正交的兩束平行光，經相位圖反射後攜帶相應的相位信息。最後，消偏振分光稜鏡3反射後的疊加光束通過四分之一波片9後即轉換為局部偏振方向沿角向變化的非均勻偏振光束，其偏振分布可以寫成瓊斯矩陣：[cosδ,sinδ]t，局部線偏振的偏振方向取決於相位圖的相位分布δ。上面採用的瓊斯矩陣也可以表示任意的非均勻偏振光束。例如相位分布沿徑向變化的相位圖產生的局部偏振方向沿著徑向變化的非均勻偏振光束；相位分布沿徑向和角向同時變化的相位圖產生的局部偏振方向沿著徑向和角向同時變化的非均勻偏振光束。