[发明专利]基于一螺旋波片板产生多种高功率柱矢量偏振光束的方法

权利要求书

1.基于一螺旋波片板产生多种高功率柱矢量偏振光束的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤S1:设置入射光束，要求入射光束为线偏振光，偏振方向任意；

步骤S2:设置和调节λ/2波片(2)，要求光束的光轴过λ/2波片(2)中心且与法线平行，λ/2波片(2)能够更换且主轴沿光轴旋转可调；

步骤S3:设置水平检偏器(3)，可为偏振片或偏振棱镜，要求光束光轴过水平检偏器(3)中心且与法线平行，其偏振透射方向为水平方向，对某一波段光束具有高消光比；

步骤S4:设置透镜组，要求光束放大，且放大倍数与波片尺寸大小有关；

步骤S5:设置和调节两块λ/4波片，要求光束光轴过λ/4波片中心与法线平行，λ/4波片能够更换且主轴沿光轴旋转可调；

步骤S6:设置螺旋波片板(7)，置于两块λ/4波片之间，要求整块螺旋波片板(7)具有同一快轴，且快轴方向沿X轴方向即顺着光路垂直于光轴水平向右方向，螺旋波片板(7)厚度顺时针随旋转角度渐变，光束光轴过螺旋波片板中心且与螺旋波片板基底法线平行；

步骤S7:设置螺旋相位板(9)，要求各向同性，产生螺旋相位延迟，螺旋方向与螺旋波片板(7)相反，即逆时针旋转，光束光轴过螺旋相位板中心且与螺旋相位板基底法线平行；

步骤S8:根据需要通过光束放缩器(10)对光束进行放大或缩小；

步骤S9:水平线偏振光通过两块λ/4波片与螺旋波片板(7)后实现空间偏振态的旋转，再通过螺旋相位板(9)后实现空间相位的调制，两者结合实现了空间光束相位和空间偏振态的同步调节，兼顾了空间相位和偏振态，当旋转两块λ/4波片，便可以产生不同种类的柱矢量偏振光，当两块λ/4波片快轴在水平或竖直方向时，还可产生涡旋光束；

所述步骤S1中，设置入射光束采用高功率激光光源(1)，经偏振片或偏振分光棱镜后获得线偏振光束，谱宽小于±3nm，也可直接采用线偏振光源；

所述步骤S2和S3中，λ/2波片(2)能够更换和旋转，且与光源的中心波长λ相一致，以提高适用范围，通过旋转λ/2波片(2)可调节入射光的偏振方向；水平检偏器(3)确保出射光束为水平线偏振光，水平检偏器(3)与λ/2波片(2)组合，通过旋转λ/2波片(2)可实现光束光强的调节；

所述步骤S5和S9中，两块λ/4波片能够更换和旋转，且与光源的中心波长λ相一致，初始设置第一λ/4波片(6)的快轴与X轴成-45°即135°角，第二λ/4波片(8)的快轴与X轴成45°角，根据需要可以通过旋转两块λ/4波片改变快轴方向，进而产生不同的柱矢量偏振光，比如分别旋转两块λ/4波片90°，便可以产生4种不同的柱矢量偏振光；

所述步骤S6中，螺旋波片板(7)的快轴沿X方向，螺旋波片板(7)厚度h顺时针随旋转角度θ渐变其中基底厚度h₀＝mλ，m为整数，X轴正向θ＝0，λ为入射光波长，n_e，n_o为波片晶体的两个主折射率，光束光轴垂直于螺旋波片板(7)基底并过其中心，由于连续螺旋渐变波片板制作较难，可用分块渐变扇形波片板代替，假设共有N块扇形波片组成一个圆，则第k块波片厚度

所述步骤S7中，螺旋相位板(9)的相位延迟量与旋转角度θ的关系为即相位逆时针旋转，X轴正向时θ＝0，可通过镀不同厚度的某种各性同性介质实现，假设该介质折射率为n，空气折射率设为1，则镀层厚度随顺指针角度θ的变化为l₀为基底厚度，也可通过倒模切割打磨等工艺直接制作而成，光束光轴垂直于螺旋相位板(9)基底并过其中心，当用分块渐变扇形波片板时，其对应的分块渐变扇形相位板也有N块，第k块的镀层厚度

所述步骤S2、S5、S6和S7中，λ/2波片、两块λ/4波片、螺旋波片板(7)、螺旋相位板(9)，均可承受高功率激光，且可根据入射光波长变更参数；

该方法将一个螺旋波片板置于两块λ/4波片之间，可实现线偏振光偏振方向的旋转，第一λ/4波片快轴方向与x轴成135°(-45°)，螺旋波片板的快轴与x轴平行，螺旋波片板厚度h顺时针随旋转角度θ渐变第二λ/4波片快轴方向与x轴成45°，第一和第二λ/4波片的琼斯矩阵是J₁和J₂，螺旋波片板可产生一个空间相位延迟2θ，其琼斯矩阵为J₀，分别表述为：其中，i为复数，故该系统的琼斯矩阵可表述为：

琼斯矩阵J₁₂可以顺时针旋转输入光θ的角度，但伴随着一个波前整体相位延迟量θ，因此，系统可以通过一螺旋相位板对其进行空间相位补偿，该螺旋相位板的相位延迟量与旋转角度θ的关系为X轴正向时θ＝0，即逆时针旋转，可通过镀不同厚度的某种各性同性介质实现，设该介质折射率为n，假设空气折射率为1，则镀层厚度随角度的变化为

当同时旋转两块λ/4波片90°后，该系统的琼斯矩阵可表述为：

琼斯矩阵J₂₁可以逆时针旋转输入光θ的角度，但伴随着一个波前整体相位延迟量θ，同样可以通过螺旋相位板对其进行空间相位补偿；

当旋转第二λ/4波片90°，第一λ/4波片保持不变，则该系统的琼斯矩阵可表述为：

琼斯矩阵J₁₁可以使输入光先关于y＝x轴做对称旋转，然后再逆时针旋转θ的角度，但伴随着一个波前整体相位延迟量θ+π/2，可通过螺旋相位板对其进行空间相位补偿；

当旋转第一λ/4波片90°，第二λ/4波片保持不变，则该系统的琼斯矩阵可表述为：

琼斯矩阵J₂₂可以使输入光先关于y＝x轴做对称旋转，然后再顺时针旋转θ的角度，但伴随着一个波前整体相位延迟量θ-π/2，可通过螺旋相位板对其进行空间相位补偿；

当旋转两块λ/4波片其他不同角度后，该系统可产生其他柱矢量偏振光，当旋转两块λ/4波片使快轴在水平或竖直方向，或直接去掉两块λ/4波片，该系统还可产生涡旋光束；

通过更换波片、螺旋波片板和螺旋相位板，可实现对多波段光束的控制，并且从新设计螺旋波片板和螺旋相位板，也可产生高阶柱矢量偏振光，如当螺旋波片板厚度满足且螺旋相位板满足时，可以产生二阶柱矢量偏振光，此外，螺旋波片板厚度变化的起点不同，产生的柱矢量偏振光的偏振方向也不同，如当螺旋波片板厚度满足时，柱矢量偏振光的偏振方向会整体旋转θ₀角度。