專(zhuān)利名稱(chēng)：利用光學(xué)微分實(shí)現(xiàn)柱矢量光束的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用光學(xué)微分系統(tǒng)和 馬赫-曾德干涉儀產(chǎn)生柱矢量偏振光束。
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(chēng)為柱矢量振光光束(Cylindrical polarized beams),它們擁有高度的對(duì) 稱(chēng)性。徑向偏振光束是指光束的偏振態(tài)呈中心對(duì)稱(chēng)分布的光束，各點(diǎn)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(duì)稱(chēng)分布的光束，各點(diǎn)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(jì)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(duì)激光切割金屬有用，這時(shí)要求加工表面 有最大的輻射吸收。方位角偏振光束在通過(guò)圓形中空金屬波導(dǎo)時(shí)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reM。。模通過(guò)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(guò)相位板的兩束光線相差180。干涉后近似得到7EM。,模。由 于此方法得到的7^M。,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(gè)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^《。模。但是
該方法中對(duì)圓環(huán)的大小和金屬絲的尺寸設(shè)置是不容易實(shí)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?jī)蓚€(gè)正交7^M。,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(diǎn)，但實(shí)施起來(lái)比較困難。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型是針對(duì)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)柱矢量光束的方法偏振度不高，實(shí)現(xiàn)困難的 問(wèn)題，提出了一種利用光學(xué)微分系統(tǒng)和馬赫-曾德干涉儀產(chǎn)生柱矢量偏振光束 的裝置，利用光學(xué)微分的方式將7EM。。模轉(zhuǎn)化為7Eil《。?；騬eM。,模，利用馬 赫-曾德干涉儀按照一定的方式合成7^M,。模和7EM。,模，從而得到柱矢量偏振 光束，方法簡(jiǎn)單，易于操縱且有較高的偏振度。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案為一種利用光學(xué)微分系統(tǒng)和馬赫-曾德干涉儀產(chǎn)生 柱矢量偏振光束的裝置，包括激光器l、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1產(chǎn)生的raM。。模通過(guò) 由透鏡2和透鏡3組成的擴(kuò)束整形鏡后經(jīng)過(guò)透鏡3準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束經(jīng)過(guò) 透鏡4實(shí)現(xiàn)傅里葉變換，然后通過(guò)頻譜面上的一個(gè)微分濾波器5，再經(jīng)過(guò)透 鏡6得到7EM。。模的微分結(jié)果7^《。模；reM,。模后接馬赫-曾德干涉儀，即通 過(guò)起偏器7和分束鏡8分成兩束光， 一束光通過(guò)1/2玻片9和轉(zhuǎn)像反射棱鏡 10后得到rEM。,模進(jìn)入偏振分合鏡15，另一束光通過(guò)變相板11、 1/2玻片 12、平面鏡13和;r相位板14進(jìn)入偏振分合鏡15，與進(jìn)入偏振分合鏡15的
r五Mw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(kuò) 束鏡20、擴(kuò)束鏡21、干板22和平臺(tái)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(guò)平面鏡18和平面鏡19反射后到達(dá)擴(kuò)束鏡20和擴(kuò)束鏡21，被分別擴(kuò)束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(gè)能在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的平臺(tái)23上。所述 平面鏡18和平面鏡19;擴(kuò)束鏡20和擴(kuò)束鏡21都是軸對(duì)稱(chēng)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(kuò)束鏡20和擴(kuò) 束鏡21為伽利略型擴(kuò)束鏡。
本實(shí)用新型的有益效果在于本實(shí)用新型利用光學(xué)微分系統(tǒng)和馬赫-曾德 干涉儀產(chǎn)生柱矢量偏振光束，通過(guò)適當(dāng)?shù)母淖凂R赫-曾德干涉儀兩條臂中光波 的偏振態(tài)，可以產(chǎn)生徑向偏振光和方位角偏振光，因此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(diǎn)，且產(chǎn)生方法步驟簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便、容易操作 和適合廣泛應(yīng)用。

圖1為本實(shí)用新型利用光學(xué)微分實(shí)現(xiàn)柱矢量光束的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2為本實(shí)用新型利用光學(xué)微分實(shí)現(xiàn)柱矢量光束的系統(tǒng)中微分濾波器的制作
光路示意圖3為本實(shí)用新型利用光學(xué)微分實(shí)現(xiàn)柱矢量光束的系統(tǒng)中柱矢量光束偏振態(tài)
的分布示意圖。
具體實(shí)施方式
通過(guò)對(duì)方形球面鏡共焦腔的行波場(chǎng)表達(dá)式分析可知7EM,。模可以通過(guò) ^M。。模對(duì)X求導(dǎo)得到(同理，7^Mw?？梢酝ㄟ^(guò)7EM。。模對(duì)7求導(dǎo)得到)，于 是利用光學(xué)微分的方式可以得到r￡M1()模(或模)，<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，^^"J，z)表示7^M目模在腔內(nèi)任一點(diǎn)(x,y，z)處的電場(chǎng)強(qiáng)度; 4 為與模階次有關(guān)的歸 一 化常數(shù)；￡。為與坐標(biāo)無(wú)關(guān)的常量;
丄為共焦腔腔長(zhǎng)；/ = * = *為腔鏡的焦距。&("與//
分別為m，n階厄米多項(xiàng)式。 由上式可以得到
<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 8</formula>
因此，A。(x,少，z)與^^^只是系數(shù)上的差異故可以通過(guò)微
分轉(zhuǎn)換得到；光學(xué)微分的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是三透鏡4f系統(tǒng)，從激光器中產(chǎn)生的 7EM。。模通過(guò)一個(gè)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后經(jīng)過(guò)第一個(gè)透鏡準(zhǔn)直，經(jīng)過(guò)第二個(gè)透鏡實(shí)現(xiàn)
傅里葉變換，通過(guò)頻譜面上的一個(gè)微分濾波器，經(jīng)過(guò)第三個(gè)透鏡實(shí)現(xiàn)傅里葉 逆變換即得到raM。。模的微分結(jié)果reM,。模；7EM，。模通過(guò)轉(zhuǎn)像反射棱鏡后得
到7EMw模，后兩個(gè)模通過(guò)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(shí)現(xiàn)柱矢量光束系統(tǒng)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7^M。。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(qiáng)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(shí)現(xiàn) r五M，。模轉(zhuǎn)化為rEM。,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(shí)現(xiàn)光線的相位改變180°,偏振分合鏡15實(shí)現(xiàn) 一束光全透過(guò)一束光全反射，透過(guò)的光和反射的光干涉疊加。利用光學(xué)微分的方式實(shí)現(xiàn)柱矢量光束的工作過(guò)程為激光器1產(chǎn)生
7EM。。模，raM。。模通過(guò)由透鏡2和透鏡3組成的擴(kuò)束整形鏡后經(jīng)過(guò)透鏡3準(zhǔn)
直，準(zhǔn)直后的光束經(jīng)過(guò)透鏡4實(shí)現(xiàn)傅里葉變換，后通過(guò)頻譜面上的一個(gè)微分 濾波器5，再經(jīng)過(guò)透鏡6得到7^M。。模的微分結(jié)果raM,。模；7m《。模通過(guò)起偏
器7和分束鏡8分成兩束光， 一束光通過(guò)1/2玻片9和轉(zhuǎn)像反射棱鏡10后得 到r五M。,模進(jìn)入偏振分合鏡15，另一束光通過(guò)變相板11、 1/2玻片12、平面 鏡13和;r相位板14進(jìn)入偏振分合鏡15，與進(jìn)入偏振分合鏡15的reMw模干
涉疊加得到柱矢量光束；變相板確保兩束光所走過(guò)的光程是一樣的，通過(guò)調(diào) 節(jié)l/2玻片9 、 1/2玻片12和;r相位板14來(lái)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(kuò)束鏡20、擴(kuò)束鏡21、干板22和平臺(tái)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(guò)平面鏡18和平面鏡 19反射后到達(dá)擴(kuò)束鏡20和擴(kuò)束鏡21，被擴(kuò)束成兩束相干光，經(jīng)過(guò)擴(kuò)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(kuò)束鏡 與干板的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，干板上接收到的可近似看成平行光。干板22架置 于一個(gè)能在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的平臺(tái)23上。第一次曝光時(shí)，干板對(duì)于兩束光呈 對(duì)稱(chēng)狀態(tài)；第二次曝光前將平臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)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(kuò)束鏡20和擴(kuò)束鏡21 是軸對(duì)稱(chēng)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(kuò)束鏡20和擴(kuò)束鏡21為伽利略型擴(kuò)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&表示，則有<formula>formula see original document page 10</formula>
;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(guò)的光程是一樣的，通過(guò)調(diào)節(jié)l/2玻片9 、 1/2玻片12和;r相位板14來(lái)調(diào)節(jié) 偏振光束的偏振態(tài)。當(dāng)經(jīng)過(guò)起偏器7和分束鏡8后得到兩束沿x方向偏振且 光強(qiáng)相同的7^M,。模后，如果一束光通過(guò)1/2玻片9和轉(zhuǎn)像反射棱鏡10后得 到沿y方向的7^M。,模，另外一束光通過(guò)變相板11、平面鏡13和"相位板14 (實(shí)現(xiàn)expaW)后進(jìn)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(guò)轉(zhuǎn)像反射棱鏡10后進(jìn)入偏振分合鏡15，另外一束光 通過(guò)變相板IO、 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(shí)現(xiàn)柱矢量光束的系統(tǒng)，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(10)、變相板(11)、1/2玻片(12)、平面鏡(13)、π相位板(14)和偏振分合鏡(15)，激光器(1)產(chǎn)生的TEM00模通過(guò)由透鏡(2)和透鏡(3)組成的擴(kuò)束整形鏡后經(jīng)過(guò)透鏡(3)準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的光束經(jīng)過(guò)透鏡(4)實(shí)現(xiàn)傅里葉變換，后通過(guò)頻譜面上的一個(gè)微分濾波器(5)，再經(jīng)過(guò)透鏡(6)得到TEM00模的微分結(jié)果TEM10模；TEM10模通過(guò)起偏器(7)和分束鏡(8)分成兩束光，一束光通過(guò)1/2玻片(9)和轉(zhuǎn)像反射棱鏡(10)后得到TEM01模進(jìn)入偏振分合鏡(15)，另一束光通過(guò)變相板(11)、1/2玻片(12)、平面鏡(13)和π相位板(14)進(jìn)入偏振分合鏡(15)，與進(jìn)入偏振分合鏡(15)的TEM01模干涉疊加得到柱矢量光束。
2 、根據(jù)權(quán)利要求1所述利用光學(xué)微分實(shí)現(xiàn)柱矢量光束的系統(tǒng)，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(kuò)束鏡(20)、擴(kuò)束鏡(21)、干板(22)和平臺(tái)(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(guò)平面鏡(18)和平面鏡(19)反 射后到達(dá)擴(kuò)束鏡(20)和擴(kuò)束鏡(21)，被分別擴(kuò)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(gè)能在水 平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的平臺(tái)(23)上。
3 、根據(jù)權(quán)利要求2所述利用光學(xué)微分實(shí)現(xiàn)柱矢量光束的系統(tǒng)，其特征在 于，所述平面鏡(18)和平面鏡(19);擴(kuò)束鏡(20)和擴(kuò)束鏡(21)都是 軸對(duì)稱(chēng)的。
4、根據(jù)權(quán)利要求4所述利用光學(xué)微分實(shí)現(xiàn)柱矢量光束的系統(tǒng)，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(kuò)束鏡(20)和擴(kuò)束鏡(21)為伽利略型擴(kuò)束鏡。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種利用光學(xué)微分實(shí)現(xiàn)柱矢量光束的系統(tǒng)，從激光器中產(chǎn)生的TEM₀₀模通過(guò)一個(gè)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后經(jīng)過(guò)第一個(gè)透鏡準(zhǔn)直，經(jīng)過(guò)第二個(gè)透鏡實(shí)現(xiàn)傅里葉變換，通過(guò)頻譜面上的一個(gè)微分濾波器，經(jīng)過(guò)第三個(gè)透鏡實(shí)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(guò)轉(zhuǎn)像反射棱鏡后得到TEM₀₁模，最后TEM₁₀模和TEM₀₁模兩個(gè)模通過(guò)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(diǎn)且產(chǎn)生方法步驟簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便、容易操作和適合廣泛應(yīng)用。
文檔編號(hào)G02F1/01GK201373952SQ20092006726
公開(kāi)日2009年12月30日 申請(qǐng)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(lán)景恒, 郭漢明, 郭舒文, 高秀敏 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)