[发明专利]一种矢量圆环形光束整形装置

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种光束整形装置，特别是一种矢量圆环形光束整形装置。主要用于光学显微技术、激光微加工、光学微操纵、光信息存储等领域。

技术背景

矢量光束由于具有特殊的光束聚焦性质和传播特性可应用到光信息存储、光学显微、平版印刷术，激光加工、光学微操纵、超分辨、光与物质相互作用等光学系统。例如，旋转矢量偏振光束可应用于光学显微系统中实现超分辨效应，因为一定的旋转矢量偏振光束经过聚焦后焦点比同一聚焦系统中线偏振光束聚焦的焦点的横向光斑小。矢量光束的产生是研究和利用旋转矢量偏振光束的必备前提条件，引起了广泛关注。在先技术中，有一种可调式矢量光束整形系统(参见中国发明专利“可调式矢量光束整形系统”，专利号：ZL200410052913.4)，该可调式矢量光束整形系统具有相当的优点，但是，仍然存在一些本质不足，主要为：1)如果利用在先技术产生旋转矢量偏振光束，所需要必备的条件是系统入射光束需要为旋转矢量偏振光束的特殊形式，比如径向偏振光束或方位角偏振光束，然而，径向偏振光束和方位角偏振光束的产生也属于旋转矢量偏振光束产生范畴，其本质决定无法实现非旋转矢量偏振光束转化为旋转矢量偏振光束，本质上决定无法实现非相干入射光束向旋转矢量偏振光束的转化过程，对入射光束要求高；2)无法实现出射光束与入射光束相对的光束横向扩束效应，无法调节出射光束外形尺寸，限制了应用范围；3)无法实现圆环光形矢量光束，对聚焦光学系统中聚焦物镜的高数值孔径区域使用效率低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述在先技术的不足，提供一种矢量圆环形光束整形装置，具有可实现非旋转矢量偏振光束向旋转矢量偏振光束的转化、入射光束要求低、圆环形矢量光束输出、光束偏振态可调节、出射光束横向尺寸调节便利等特点。

本发明的基本构思是：将入射光束依次经过同对称光轴放置的外反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形偏振器、内反射式锥面反射镜、两平行放置的二分之一波片、旋转移动部件和扩束镜构成；旋转移动部件与一个二分之一波片连接；入射光束被外反射式圆锥面反射镜反射形成径向传播光束，经过圆柱筒形偏振器时光束偏振态被调节，而后经过内反射式锥面反射镜反射后，形成矢量圆环形光束；通过旋转移动部件调节两二分之一波片的波片光轴夹角可以调解旋转矢量偏振光束偏振方向，通过扩束镜改变出射光束横向尺寸，具有入射光束要求低、矢量圆环形光束输出、光束偏振态和横向尺寸调节便利等优点。

本发明包括同轴设置的内反射式锥面反射镜、外反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形偏振器和扩束镜；内反射式圆锥面反射镜为圆环形，其内侧壁为内反射面，内反射面与垂直于对称轴的平面之间夹角为45度；外反射式圆锥面反射镜为圆锥形，其外侧壁为外反射面，外反射面与垂直于对称轴的平面之间夹角为45度；圆柱筒形偏振器设置在内反射式圆锥面反射镜的中心孔内，其筒壁为偏振工作面；外反射式圆锥面反射镜设置在圆柱筒形偏振器内，其外反射面与内反射式圆锥面反射镜的内反射面位置对应；外反射式圆锥面反射镜的底面后与底面平行依次设置有入射二分之一波片、出射二分之一波片和扩束镜，入射二分之一波片或出射二分之一波片的中心设置有旋转移动部件。

所述的外反射式圆锥面反射镜为外圆锥曲面镀反射膜的外圆锥面反射镜，或反射膜构成的圆锥曲面外反射式反射镜。

所述的内反射式圆锥面反射镜为内圆锥曲面镀反射膜的内圆锥面反射镜，或反射膜构成的圆锥曲面内反射式反射镜。

所述的圆柱筒形偏振器为圆柱筒形偏振膜或圆柱曲面壳式偏振元件。所述的扩束镜为伽利略型扩束镜或开普勒型扩束镜。

所述的旋转移动部件为转动式运动步进电机、转动式直流电机、转动齿轮机构的一种。

本发明中入射光束沿光轴(内反射式锥面反射镜、外反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形偏振器和扩束镜的中心轴向)射向外反射式圆锥面反射镜；被外反射式圆锥面反射镜反射后，由于外反射式圆锥面反射镜反射锥面与对称光轴成45度夹角，光束转化为径向传播光束；径向传播光束经过圆柱筒形偏振器后光束偏振态发生改变，而后经过内反射式锥面反射镜反射形成矢量圆环形光束，由于外反射式圆锥面反射镜的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜的反射锥面平行，矢量圆环形光束与对称光轴平行，沿对称光轴传播依次经过入射二分之一波片、出射二分之一波片和扩束镜形成装置出射的矢量圆环形光束。旋转移动部件与入射二分之一波片或出射二分之一波片连接，带动其中一个二分之一波片转动，调节入射二分之一波片和出射二分之一波片的波片光轴夹角，进而调节矢量圆环形光束偏振态，扩束镜对矢量圆环形光束进行横向尺寸调节。