專利名稱：利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量 光束的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
徑向偏振光(Radial polarized beams)禾口方位角偏振光(azimuthal polarized beams)稱為柱矢量振光光束(Cylindrical polarized beams),它們擁有高度的對 稱性。徑向偏振光束是指光束的偏振態(tài)呈中心對稱分布的光束，各點的偏振 方向始終沿光束橫截面的半徑方向。方位角偏振光束是指光束的偏振態(tài)呈旋 轉(zhuǎn)軸對稱分布的光束，各點的偏振方向始終沿光束橫截面上圓的切線方向。 柱矢量光束應(yīng)用到計量、聚焦、光譜、微橢圓、光刻技術(shù)、電子加速、材料 加工等方面。例如，徑向偏振光束對激光切割金屬有用，這時要求加工表面 有最大的輻射吸收。方位角偏振光束在通過圓形中空金屬波導(dǎo)時損失最小。 柱矢量偏振光束的產(chǎn)生是利用和研究柱矢量光束的必備前提條件，具有重要 的意義，也引起了深入的研究和廣泛的關(guān)注。在現(xiàn)有的技術(shù)中，有一種方法 是利用raM。。模通過一塊相位板，該相位板的上半部分為;r相位板，下半部分 為0相位板，通過相位板的兩束光線相差180。干涉后近似得到rEMw模。由 于此方法得到的7^M。t模是近似的，這樣據(jù)此得到的柱矢量偏振光束的偏振
度是不高的。還有一種方法是在激光諧振腔中加上一個圓環(huán)，圓環(huán)上放置一 根金屬絲，目的是去除基模和其它高階模，僅使激光器輸出7^Mi。模。但是
該方法中對圓環(huán)的大小和金屬絲的尺寸設(shè)置是不容易實現(xiàn)的，且操作麻煩。 還有許多方法，例如， 一種雙干涉結(jié)構(gòu)將線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蚱窆?、激光器諧振腔內(nèi)部兩個正交7^A/。,模的組合和帶有偏移線偏振高斯光束單模光纖的
激發(fā)等等。這些方法有一定的優(yōu)點，但實施起來比較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對現(xiàn)在實現(xiàn)柱矢量光束的方法偏振度是不高，實現(xiàn)困難的問 題，提出了一種利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的方法及設(shè)備，利用光學(xué)微分 的方式將7EM。。模轉(zhuǎn)化為7EM1Q?；?^Mm模，利用馬赫-曾德干涉儀按照一定 的方式合成7^^。模和7EM。,模，從而得到柱矢量偏振光束，方法簡單，易于 操縱且有較高的偏振度。
本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的方法，從激 光器中產(chǎn)生的7^M。。模通過一個擴束鏡擴束后經(jīng)過第一個透鏡準(zhǔn)直，經(jīng)過第
二個透鏡實現(xiàn)傅里葉變換，通過頻譜面上的一個微分濾波器，經(jīng)過第三個透 鏡實現(xiàn)傅里葉逆變換即得到WM。。模的微分結(jié)果T^M,。模；7EM,。模通過轉(zhuǎn)像 反射棱鏡后得到r￡MQ1模，最后7EM,。模和7EMQ1模兩個模通過干涉儀干涉疊 加得到柱矢量光束。
一種利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的設(shè)備，包括激光器1、透鏡2、 3、 4、微分濾波器5、透鏡6、起偏器7、分束鏡8、 1/2玻片9、轉(zhuǎn)像反射棱鏡 10、變相板11、 1/2玻片12、平面鏡13、 ；r相位板14和偏振分合鏡15，激 光器1產(chǎn)生的7EM。。模通過由透鏡2和透鏡3組成的擴束整形鏡后經(jīng)過透鏡3
準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束經(jīng)過透鏡4實現(xiàn)傅里葉變換，后通過頻譜面上的一個微 分濾波器5，再經(jīng)過透鏡6得到7^M。。模的微分結(jié)果7^^。模；rfil《。模后接馬
赫-曾德干涉儀，即通過起偏器7和分束鏡8分成兩束光， 一束光通過1/2 玻片9和轉(zhuǎn)像反射棱鏡10后得到7^l^模進入偏振分合鏡15，另一束光通過變相板ll、 1/2玻片12、平面鏡13和;r相位板14進入偏振分合鏡15，與進 入偏振分合鏡15的7^l^模干涉疊加得到柱矢量光束。
所述微分濾波器5由激光器16、分束鏡17、平面鏡18、平面鏡19、擴 束鏡20、擴束鏡21、干板22和平臺23構(gòu)成，激光器16發(fā)出光束經(jīng)分束鏡 17分成兩束光，兩束光分別通過平面鏡18和平面鏡19反射后到達擴束鏡 20和擴束鏡21，被分別擴束成成一定夾角的兩束相干光，相干光投射到玻 璃全息干板22上，干板22架置于一個能在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的平臺23上。所 述平面鏡18和平面鏡19;擴束鏡20和擴束鏡21都是軸對稱的。所述激光 器16為氦氖激光器；平面鏡18和平面鏡19為普通的平面鏡；擴束鏡20和 擴束鏡21為伽利略型擴束鏡。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的方法，
具有柱矢量光束輸出和光束偏振態(tài)調(diào)節(jié)便利的特點且產(chǎn)生方法步驟簡單、實
現(xiàn)方便、容易操作和適合廣泛應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的設(shè)備中微分濾波器的制作光路
示意圖3為本發(fā)明利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的設(shè)備中柱矢量光束偏振態(tài)的分
布示意圖。
具體實施例方式
通過對方形球面鏡共焦腔的行波場表達式分析可知rEi^。?？梢酝ㄟ^ WM。。模對X求導(dǎo)得到(同理，7EMM?？梢酝ㄟ^rEM。。模對^求導(dǎo)得到)，于是利用光學(xué)微分的方式可以得到T^M，。模(或WM。1模),
w，+
J乂
=w0 +
7
w0 =
'丄義 /A
2;r V "
2(/:
—+ + 1)
,;r z 、
—+ arctan —
4 /
(2JT)附— =0,1,2..
其中，E^(:c,j;,z)表示rM^w模在腔內(nèi)任一點(x，y，z)處的電場強 度；4為與模階次有關(guān)的歸一化常數(shù)；￡。為與坐標(biāo)無關(guān)的常量；
i /〖義
—，j _
;Z為共焦腔腔長;
/2 2;r 分別為m，n階厄米多項式。 由上式可以得到
/ = | =垂為腔鏡的焦距。/U"與""
五oo (X, 7， z)=」00￡ o
p。。 0, :^，o = *
+ 2 (/2 + )
冗 z
--h a rc ta n——
4 /
￡10 (x，凡z) =
(0
# U 廠+ z
并且有
A:
/ + z +
--h 2 arctan —
2 /
7Poo 0 J,O = & / + z +
+ 2 + 一 &
+ arctan —
因此，A。(x,;;,z)與
只是系數(shù)上的差異故可以通過微
分轉(zhuǎn)換得到；光學(xué)微分的實現(xiàn)過程是三透鏡4f系統(tǒng)，從激光器中產(chǎn)生的 raM。。模通過一個擴束鏡擴束后經(jīng)過第一個透鏡準(zhǔn)直，經(jīng)過第二個透鏡實現(xiàn)
傅里葉變換，通過頻譜面上的一個微分濾波器，經(jīng)過第三個透鏡實現(xiàn)傅里葉 逆變換即得到WM。。模的微分結(jié)果raM,。模；7EM1()模通過轉(zhuǎn)像反射棱鏡后得 到raM。,模，后兩個模通過干涉儀干涉疊加得到柱矢量光束；具有柱矢量光 束輸出，光束偏振態(tài)可調(diào)節(jié)。
如圖1利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，包括激光器 1、透鏡2、透鏡3、透鏡4、微分濾波器5、透鏡6、起偏器7、分束鏡8、 1/2玻片9 、轉(zhuǎn)像反射棱鏡10、變相板11、 1/2玻片12、平面鏡13、 ；r相 位板14和偏振分合鏡15。
激光器1為可以產(chǎn)生raM。。模的激光器、透鏡2、透鏡3、透鏡4和透鏡 6為普通的透鏡、微分濾波器5為制作的復(fù)合光柵、起偏器7的作用是獲得 沿x方向偏振的7^^。模、分束鏡8的作用是得到兩束相同光強的光束、1/2 玻片9和1/2玻片12為了調(diào)整偏振光的方向、像反射棱鏡10為了實現(xiàn) T^MM模轉(zhuǎn)化為7EM。,模、變相板11為可以改變相位的玻璃片、平面鏡13為 普通的平面鏡、；r相位板14實現(xiàn)光線的相位改變180° ，偏振分合鏡15實 現(xiàn)一束光全透過一束光全反射，透過的光和反射的光干涉疊加。利用光學(xué)微分的方式實現(xiàn)柱矢量光束的工作過程為激光器1產(chǎn)生 T^M。。模，ZEM。。模通過由透鏡2和透鏡3組成的擴束整形鏡后經(jīng)過透鏡3準(zhǔn)
直，準(zhǔn)直后的光束經(jīng)過透鏡4實現(xiàn)傅里葉變換，后通過頻譜面上的一個微分 濾波器5，再經(jīng)過透鏡6得到raM。。模的微分結(jié)果7^l《。模；T^《。模通過起偏
器7和分束鏡8分成兩束光， 一束光通過1/2玻片9和轉(zhuǎn)像反射棱鏡10后 得到rEMM模進入偏振分合鏡15，另一束光通過變相板11、 1/2玻片12、平 面鏡13和;r相位板14進入偏振分合鏡15，與進入偏振分合鏡15的rEM。,模
干涉疊加得到柱矢量光束；變相板確保兩束光所走過的光程是一樣的，通過 調(diào)節(jié)l/2玻片9 、 1/2玻片12和;r相位板14來調(diào)節(jié)偏振光束的偏振態(tài)。
圖2為微分濾波器的制作光路示意圖，由激光器16、分束鏡17、平面 鏡18、平面鏡19、擴束鏡20、擴束鏡21、干板22和平臺23構(gòu)成。激光器 16發(fā)出光束經(jīng)分束鏡17分成兩束光，兩束光分別通過平面鏡18和平面鏡 19反射后到達擴束鏡20和擴束鏡21，被擴束成兩束相干光，經(jīng)過擴束鏡后 得到的兩束成一定夾角的相干光投射到一塊玻璃全息干板22上，當(dāng)擴束鏡 與干板的距離足夠遠時，干板上接收到的可近似看成平行光。干板22架置 于一個能在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的平臺23上。第一次曝光時，干板對于兩束光呈 對稱狀態(tài)；第二次曝光前將平臺轉(zhuǎn)過一微小角度，曝光后經(jīng)處理便得到復(fù)合 光柵，也就是微分濾波器。平面鏡18和平面鏡19且擴束鏡20和擴束鏡21 是軸對稱的。
激光器16為氦氖激光器、分束鏡17為可以分束的分束鏡、平面鏡18 和平面鏡19為普通的平面鏡、擴束鏡20和擴束鏡21為伽利略型擴束鏡、 干板22為一塊玻璃干板。圖3為柱矢量光束偏振態(tài)的分布示意圖，箭頭表示偏振態(tài)方向，如圖所 示:上面的圖為方位角偏振光的獲得，下面的圖為徑向偏振光的獲得。不妨 將方位角偏振光用￡^表示，徑向偏振光用A.表示，則有-五/w = :vT^M01 + exp(7;r)xr五M^
五> =ir五M^ + ;r五M^
;與纟分別為偏振光沿x軸，y軸的單位方向向量，變相板確保兩束光所走 過的光程是一樣的，通過調(diào)節(jié)1/2玻片9 、 1/2玻片12和;r相位板14來調(diào) 節(jié)偏振光束的偏振態(tài)。當(dāng)經(jīng)過起偏器7和分束鏡8后得到兩束沿x方向偏振 且光強相同的7^M,。模后，如果一束光通過1/2玻片9和轉(zhuǎn)像反射棱鏡10后 得到沿y方向的7^Mm模，另外一束光通過變相板11、平面鏡13和;r相位板 14 (實現(xiàn)expG;r))后進入偏振分合鏡15，這兩束光干涉疊加得到方位角偏 振光束；如果一束光通過轉(zhuǎn)像反射棱鏡10后進入偏振分合鏡15，另外一束 光通過變相板10、 1/2玻片12和平面鏡13后得到沿y方向的7^M,。模，這
兩束光干涉疊加得到徑向偏振光束。
權(quán)利要求
1、一種利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的方法，其特征在于，方法為從激光器中產(chǎn)生的TEM00模通過一個擴束鏡擴束后經(jīng)過第一個透鏡準(zhǔn)直，經(jīng)過第二個透鏡實現(xiàn)傅里葉變換，通過頻譜面上的一個微分濾波器，經(jīng)過第三個透鏡實現(xiàn)傅里葉逆變換即得到TEM00模的微分結(jié)果TEM10模；TEM10模通過轉(zhuǎn)像反射棱鏡后得到TEM01模，最后TEM10模和TEM01模兩個模通過馬赫-曾德干涉儀干涉疊加得到柱矢量光束。
2、 一種利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的設(shè)備，其特征在于，包括激光器 (1)、透鏡(2)、透鏡(3)、透鏡(4)、微分濾波器(5)、透鏡(6)、起偏 器(7)、分束鏡(8)、 1/2玻片(9)、轉(zhuǎn)像反射棱鏡(IO)、變相板(ll)、 1/2玻片(12)、平面鏡(13)、 ；r相位板(14)和偏振分合鏡(15)，激光器(l)產(chǎn) 生的^M。。模通過由透鏡(2)和透鏡(3)組成的擴束整形鏡后經(jīng)過透鏡(3)準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束經(jīng)過透鏡(4)實現(xiàn)傅里葉變換，后通過頻譜面上的一個 微分濾波器(5)，再經(jīng)過透鏡(6)得到7EM。。模的微分結(jié)果7^i^。模；raM,。 模通過起偏器(7)和分束鏡(8)分成兩束光， 一束光通過1/2玻片(9) 和轉(zhuǎn)像反射棱鏡(10)后得到raMw模進入偏振分合鏡(15)，另一束光通過 變相板(11)、 1/2玻片(12)、平面鏡(13)和;r相位板(14)進入偏振分 合鏡(15)，與進入偏振分合鏡(15)的ra:M。,模干涉疊加得到柱矢量光束。 3 、根據(jù)
3.權(quán)利要求2所述利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的設(shè)備，其特征在 于，所述微分濾波器(5)由激光器(16)、分束鏡(17)、平面鏡(18)、平面 鏡(19)、擴束鏡(20)、擴束鏡(21)、干板(22)和平臺(23)構(gòu)成，激光器(16) 發(fā)出光束經(jīng)分束鏡(17)分成兩束光，兩束光分別通過平面鏡(18)和平面鏡(19)反射后到達擴束鏡(20)和擴束鏡(21)，被分別擴束成成一定夾角 的兩束相干光，相干光投射到玻璃全息干板(22)上，干板(22)架置于一 個能在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的平臺(23)上。
4 、根據(jù)權(quán)利要求3所述利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的設(shè)備，其特征在 于，所述平面鏡(18)和平面鏡(19);擴束鏡(20)和擴束鏡(21)都是 軸對稱的。
5、根據(jù)權(quán)利要求3所述利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的設(shè)備，其特征在 于，所述激光器(16)為氦氖激光器；平面鏡(18)和平面鏡(19)為普通 的平面鏡；擴束鏡(20)和擴束鏡(21)為伽利略型擴束鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用光學(xué)微分實現(xiàn)柱矢量光束的方法及設(shè)備，從激光器中產(chǎn)生的TEM₀₀模通過一個擴束鏡擴束后經(jīng)過第一個透鏡準(zhǔn)直，經(jīng)過第二個透鏡實現(xiàn)傅里葉變換，通過頻譜面上的一個微分濾波器，經(jīng)過第三個透鏡實現(xiàn)傅里葉逆變換即得到TEM₀₀模的微分結(jié)果TEM₁₀模；TEM₁₀模通過轉(zhuǎn)像反射棱鏡后得到TEM₀₁模，最后TEM₁₀模和TEM₀₁模兩個模通過馬赫-曾德干涉儀干涉疊加得到柱矢量光束。此方法具有柱矢量光束輸出和光束偏振態(tài)調(diào)節(jié)便利的特點且產(chǎn)生方法步驟簡單、實現(xiàn)方便、容易操作和適合廣泛應(yīng)用。
文檔編號G02F1/01GK101551530SQ200910045680
公開日2009年10月7日 申請日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月22日
發(fā)明者丁左紅, 莊松林, 方寶英, 藍景恒, 郭漢明, 郭舒文, 高秀敏 申請人:上海理工大學(xué)