[发明专利]一种用环形组合半波片生成矢量光束的装置

说明书

技术领域

本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种用于生成矢量光束的装置。

背景技术

矢量光束是近年来出现的一类新型光束，与传统空间偏振态均匀的线偏振光束和圆偏振光束不同，矢量光束的偏振态在光束横截面上按照一定规律分布。矢量光束的独特偏振特性使其在现代光学中具有重要的应用前景。特别是径向偏振光束，由于其在高数值孔径透镜聚焦下,聚焦光斑可突破衍射极限,并且在焦点附近纵向电场分量非常强，极小的聚焦光斑和极强的纵向电场使径向偏振光束在带电微粒加速、粒子捕获和生物医学、高分辨率成像技术和激光加工等领域具有重要的应用价值。此外，高阶的矢量光束在光学捕捉和光通信领域具有潜在应用价值。目前，常用的生成矢量光束的方法有：组合半波片、空间变化的液晶板、和相干合成技术等。

在对产生矢量光束的研究方面，由于组合半波片方法具有很高的转换效率和易于调节等优点，因此受到了很多研究者的青睐。目前人们已经用组合半波片成功的将线偏振的高斯光束转化成了一阶矢量光束（径向偏振光束或角向偏振光束）。例如，2007年以色列的研究者用8片扇形半波片构成的组合半波片将线偏振光束转化成了径向偏振光束，其转化光束的纯度达到了96%。但是目前很多应用领域要求矢量光束具有更高的纯度和阶数，使得上述生成方法不能很好的应用；首先，由于用组合半波片生成矢量光束的纯度与组合半波片的片数密切相关（组合半波片的片数越多生成矢量光束的纯度越高），想要提高纯度就要增加片数，但是随着片数的增加，其中心区域的加工精度无法保证，从而中心区域的衍射损耗急剧增大。所以，通过简单的增加组合半波片的数目来提高生成矢量光束的纯度是不可行的。其次，采用8片扇形半波片构成的组合半波片是不能生成高阶（大于一阶）的矢量光束，如果要提高矢量光束的阶数也需要提高半波片的片数，因而还会使中心区域的损耗变大，从而降低光的纯度，因此上述方法不适合于生成高阶（大于一阶）的矢量光束。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用环形组合半波片产生矢量光束的装置，能够产生具有高阶和高纯度的矢量光束。

本发明的一种用环形组合半波片产生矢量光束的装置，包括激光器、扩束镜、环形光束转换器、环形组合半波片、起偏器和聚焦透镜，其中：

扩束镜置于激光器发出的激光的光路中，用于对激光光束进行准直和扩束；

环形光束转换器置于扩束镜后方的激光光路中，用于将扩束后的激光换转成环形光束；

起偏器放置于环形光束转换器后方的激光光路中，起偏器的起偏方向相对于水平方向以0°角放置，用于产生水平线偏振激光；

环形组合半波片置于环形光速转换器后方的激光光路中，用于产生偏振态具有轴对称分布的激光光场；

环形组合半波片包括多片呈等腰梯形状的半波片，所有半波片以上底朝里、下底朝外的方式沿斜边无缝拼接，形成近似圆环状的接收面，用以完全接收入射的环形激光光束；所有半波片的快轴方向与入射激光的偏振方向之间的夹角沿顺时针方向依次增大或减小，相邻两片半波片的快轴之间的夹角为mπ/M，其中m为试验要求产生的矢量光束的阶数，M为半波片的个数，取值范围为3片以上，具体取值根据需要产生的矢量光束的阶数和纯度决定；

所述聚焦透镜置于环形组合半波片后方的激光光路中，用于在其焦平面处产生矢量光束。

环形光束转换器由两个形状互补的反射型的无氧铜轴锥镜组成，分别定义为第一轴锥镜和第二轴锥镜，其中第一轴锥镜置于扩束镜后方，为可允许扩束后的激光通过的圆环，圆环远离扩束镜一侧的圆环面为向内凹陷的圆锥形的金膜反射面；第二轴锥镜置于第一轴锥镜的后方，呈与第一轴锥镜的内圆大小一致的圆盘状，该圆盘朝向第一轴锥镜的侧面成向外凸出的圆锥形的金膜反射面，两个反射面互相平行；第一轴锥镜和第二轴锥镜均与激光光束同轴放置。

本发明的一种用环形组合半波片产生矢量光束的装置具有如下有益效果：

①通过采用多个具有不同快轴方向且呈等腰梯形的半波片无缝拼接成近似圆环形状的环形组合半波片，避免了由于采用数量较多的扇形半波片而导致的中心区域衍射损耗急剧增大的问题，从而能够生成纯度很高的矢量光束。

②当需要产生高阶矢量光束时，为保证较高的光束纯度，可增加半波片数量，相对于现有技术，本发明采用多个梯形半波片组成的环形组合半波片，不会由于片数增加引起中心区域衍射急剧增大的问题，从而保证本装置能够生成高阶矢量光束。