[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

说明书

本发明公开了一种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，任意偏振方向的高功率线偏振光入射，通过旋转λ/2波片可调节线偏振光的偏振方向，再经过水平检偏器，可使其成为水平线偏振光，再经透镜组后实现光束放大，水平线偏振光束依次通过非常第一λ/4波片、螺旋波片板和第二λ/4波片，产生柱矢量偏振光束，经螺旋相位板后实现空间相位补偿，产生同步的柱矢量偏振光。最后通过光束放缩器根据实际需要实现光束的放大或缩小。本发明利用波片和螺旋波片板组合实现偏振态控制，具有高损伤阈值，可实现高功率柱矢量偏振光，通过简单旋转波片便可产生多种类光束，且结构简单，易操作控制，稳定性高。

技术领域

本发明涉及空间偏振光束整形技术领域，具体涉及一种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，该方法将高功率线偏振光束转化为高功率柱矢量偏振光束，如：径向偏振光、角向偏振光，相位可变的柱矢量偏振光束、高阶柱矢量偏振光束和涡旋光束等。

背景技术

柱矢量偏振光是一种特殊的矢量偏振光，其空间偏振态分布不均匀，但关于光轴具有一定的对称或相似性。轴对称光束属于柱矢量偏振光的一种，包括径向偏振光、角向向偏振光等，由于其偏振和相位在光束横截面上呈轴对称分布而具有独特的光学特性和应用。此外，相位可调的柱对称光束如径向偏振涡旋光束，具有柱对称或相似的高阶径向偏振光等，因其特殊的空间偏振和相位分布，也有许多特殊的光学特性和应用。涡旋光束是具有螺线形相位分布的光束，其表达式中带有相位因子exp(ilθ)，光束中的每个光子携带的轨道角动量，其中l称为拓扑荷，具有中空的特点，由于其特殊的空间相位分布，已在光学微操纵、生物医学、信息传输等领域发挥重要作用。以径向偏振光为例。径向偏振光具有完美的轴对称分布，与线偏振光和圆偏振光相比有着显著不同的特性。例如径向偏振光具有沿光轴对称的电场分布以及中空的圆环型光束结构；径向偏振光和角向偏振光都是偏振本征态，在C切向晶体中传播时，不会发生串扰；高数值孔径透镜聚焦时径向偏振光可以产生超越衍射极限的极小焦点，比线偏振光和圆偏振光的聚焦点小得多，而且焦点区域的纵向电场变得非常强。使得其在牵引、捕获和加速金属粒子，切割金属，提高光学存储密度和提高纵向分辨率等方面具有优势。

柱矢量偏振光和涡旋光束具有独特的光学特性，应用潜力巨大。因产生柱矢量偏振光和涡旋光束较难，目前国内大多采用理论分析方法研究，开展实验研究还不多，导致光学特性研究不足，应用受限。

国外，径向偏振光的产生方法研究相对较多，主要分为两类：即腔内法(主动式)和外部转化法(腔外法，被动式)。腔内法是指在激光器内直接产生径向偏振光，需要对激光器的结构做相应调整，涉及到增益介质，核心思想是控制振荡器中径向偏振光和其它偏振光的损耗，使得其它偏振态损耗较大，无法实现振荡，从而只有径向偏振光输出。目前腔内法产生径向偏振光大体有为以下几种：利用晶体轴双折射产生径向偏振光、利用晶体二向色性产生径向偏振光、利用晶体布鲁斯特角特性产生径向偏振光和利用干涉法产生径向偏振光。但在腔内放置特殊的器件并不都是可行的，因为对现有的激光器进行改造设计是一项十分复杂的技术，且其空间受限。

外部转化法是指在激光器外，通过一定的位相器件或者利用分解再合成的方法，将空间均匀的偏振光转化为径向偏振光，由于无需要对激光器进行改造，因而具有很大的设计灵活性，但利用效率相对低些。常用的外部转化法有：用相干偏振操纵法产生径向偏振光、用分块波片或旋光晶体产生近似的径向偏振光、利用空间光调制器产生径向偏振光与利用光纤产生径向偏振光等。

相干偏振操纵法尽管可以产生纯度较高的径向偏振光，但其对实验光路的稳定性和精度控制要求较高，操作控制复杂；以往分块波片或旋光晶体产生的柱矢量偏振光种类单一，纯度相对较低，应用效果受限；利用空间光调制器或光纤产生的径向偏振光能量较小，应用有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种利用一螺旋波片板产生高功率柱矢量偏振光束，并且一螺旋相位板可用以空间相位补偿，通过简单的旋转两块λ/4波片便可产生多种柱矢量偏振光束，具有结构简单、易操作控制、实用性好，可获得多种高纯度光束等特点。