[发明专利]产生径向偏振阵列光束的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及径向偏振光束,特别是一种产生径向偏振阵列光束的方法及装置。

背景技术

近年来，一种空间非均匀偏振光束——径向偏振光束受到了广泛关注。径向偏振光束具有特殊的偏振属性，相对于均匀偏振光场，如线偏振、椭圆偏振、圆偏振，径向偏振光偏振态分布是不均匀的，其电场振动具有完美的旋转对称特性，且光场中心强度为零。近年来的理论和实验研究发现，径向偏振光束相比一般均匀偏振光束具有一些新特点，如“紧聚焦”径向偏振光束的最小光斑面积可达0.16λ²，比同条件下的线偏振光小近50％。此外，还可获得很强的长程无衍射轴向电场分量以及更容易激发表面等离子体激元等。径向偏振光束的产生方法主要可分为腔内产生和腔外产生两种：腔内产生方法是通过在腔内放置学元件，如圆锥镜、双折射元件以及液晶偏振选择器件等，通过这些元件来选择或改变光束的偏振态产生径向偏振光束。腔外产生法则主要通过模式干涉叠加或利用一些特殊偏振模式转换元件，如径向偏振器、液晶空间光调制器、相位延迟元件、偏振选择光纤以及亚波长光栅等获得径向偏振光束。目前的研究表明径向偏振光束在粒子捕获、超分辨测量、超分辨成像、高密度存储、以及材料加工等领域具有重要应用前景。

基于部分相干部分偏振统一理论，光束可以用空间频域2×2阶交叉光谱密度矩阵表示，考虑光场的空间相干性，关联特性服从高斯分布的径向偏振光束被提出并实验产生(F.Wang,Y.Cai,Y.Dong,and O.Korotkova,Experimental generation of a radially polarized beam with controllable spatial coherence.Appl.Phys.Lett.100,051108(2012))，研究表明径向偏振光的聚焦特性可以通过光束的空间相干性进行调控，产生空心、平顶以及高斯型的强度分布，在材料热处理以及粒子捕获领域有重要的应用前景。研究还发现，部分相干径向偏振光束相比线偏振矢量光束，能有效降低大气湍流对光信号的扰动，在自由光通信方面具有重要应用。

光束的关联特性在满足光束构造的真实性条件下，可以通过设计调控光束的关联特性来有效调控光参数特性。径向偏振阵列光束与单模光束相比，在一些如高密度存储、超分辨成像、材料热处理、粒子捕获等应用领域可以大大提高工作效率，具有很高的实用研究价值。阵列光束的产生可通过激光器阵列经过光束整形直接得到，或将光束通过分束器调控强度分布实现，但通过对光束的关联特性调控，使得光束在经过光学系统传输后实现阵列光束的方法一直未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产生径向偏振阵列光束的方法及装置。

实现本发明目的的技术方案为：一种产生径向偏振阵列光束的方法，包括如下步骤：

步骤1、对线偏振激光进行空间偏振调控，得到径向偏振光束；

步骤2、降低径向偏振光束的空间关联特性，得到空间关联特性服从高斯分布的径向偏振谢尔模光束；

步骤3、采用二维梳状函数调控径向偏振谢尔模光束的关联性，得到高斯阵列关联径向偏振光束；

步骤4、高斯阵列关联径向偏振光束经过薄透镜聚焦后，在焦点位置得到径向偏振阵列光束。

一种产生径向偏振阵列光束的装置，包括线偏振氦氖激光器、径向偏振转换器、旋转的毛玻璃片、空间光调制器、准直透镜、高斯振幅滤波片、聚焦透镜和光束分析仪；

线偏振氦氖激光器产生的线偏振激光束通过径向偏振光转换器，使线偏振激光束由空间均匀的线偏振转换为空间径向偏振，之后通过旋转的毛玻璃片降低激光束的空间相干性，得到相干性服从高斯分布的径向偏振光束；空间光调制器调制径向偏振光束的关联特性，使其具有高斯阵列关联，通过准直透镜对准直光束，并通过高斯滤波片调控光束在源场的束腰半径，最终在源场产生具有高斯阵列关联特性的径向偏振光束，之后通过聚焦透镜进行光束聚焦，并在焦点处用光束分析仪测量光场强度分布。