[发明专利]偏振棱镜产生柱矢量偏振光束的装置

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种柱矢量偏振光束产生装置，特别是一种偏振棱镜产生柱矢量偏振光束的装置。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、光刻等领域。

背景技术

柱矢量光束（cylindrical vector beam）由于具有特殊的高数值孔径物镜聚焦性质及传播特性已经被应用到光信息存储、光学显微成像、平版印刷术、激光加工、微粒控制、光刻等等领域中。例如，通过波前相位及振幅调制后，柱矢量光束经高数值孔径物镜聚焦后，在焦点区域产生可用于微粒传输的沿光轴多焦点，即为光链。在实现超分辨率方面，柱矢量旋涡光聚焦后产生可突破光学衍射极限光斑，这可大大的提高光学显微成像的分辨率。然而，如何产生高质量的柱矢量光束是一切研究及应用的基础。在先前的技术中，通过在激光谐振腔内加入模式提取元件以此产生柱矢量光束，这不仅需要特殊的技术水平，而且对于现实商用激光器而言，对其进行本质上的改造，并不利于大规模的使用。在opticsletter上，研究人员利用偏振膜将圆偏振光转换成柱矢量光束【参见文献“Production of radially and azimuthally polarized polychromatic beams,”Opt.Lett.31(23),3405-3407(2006).】，但该方法存在几个不足之处：（1）利用偏振膜将径向传播的圆偏振光转变成径向传播的线偏振光，这样光束的质量依赖于偏振膜的好坏，而想要得到高纯度的柱矢量光束比较困难；（2）由于偏振膜很难固定，这并不利于将整个装置加工成一个整体，而且偏振膜机械稳定性不好，这进一步限制了该方法的实际应用。国外也有柱矢量光束产生方法公布，参见美国专利US7599069B2，专利名称：Vector beam generator using a passively phase stable optical interferometer，此方法具有结构复杂、利用光学相干原理导致系统定位要求高、所需要的衍射光学元件不易获得、矢量光束偏振度低等不足。

发明内容

本发明提供一种偏振棱镜产生高偏振度柱矢量偏振光束的装置，所设计的旋转对称偏振棱镜具有结构简单、稳定、高消光比、易于加工、光学元件容易获得和矢量光束偏振度高的特点。

本发明为了达到上述目的，可以提出以下方案：

本发明提供一种基于偏振棱镜产生高偏振度柱矢量偏振光束的装置，其特征在于，包括：可调扩束镜；共底双圆锥透射镜，共底双圆锥透射镜的左、右两端为圆锥面，分别为第一共底双圆锥透射镜圆锥面和第二共底双圆锥透射镜圆锥面；凹圆锥透射镜，凹圆锥透射镜的左、右两端分别为光学平板和凹圆锥面；双折射晶体共底双圆锥体，双折射晶体共底双圆锥体的左、右两端为圆锥面，分别为第一双折射晶体共底双圆锥体圆锥面和第二双折射晶体共底双圆锥体圆锥面；以及旋涡型相位板；其中，可调扩束镜将入射光束转化为平行光束，入射光束为圆偏振光，平行光束入射到共底双圆锥透射镜，由共底双圆锥透射镜出射，产生中空环形光束，凹圆锥透射镜的凹圆锥面与双折射晶体共底双圆锥体的第一共底双圆锥透射镜圆锥面紧密嵌合在一起，凹圆锥透射镜的凹圆锥顶点的指向光束传播入射方向，中空环形光束传播方向为凹圆锥透射镜的光学平板的法线方向入射到光学平板，中空环形光束从空气入射到凹圆锥透射镜后，光束的传播方向不发生改变，然后中空环形光束经过凹圆锥透射镜在凹圆锥面上发生折射后入射到双折射晶体共底双圆锥体内，发生折射，折射光束分为寻常光与非寻常光，寻常光与非寻常光中的一种光束从双折射晶体共底双圆锥体的第二双折射晶体共底双圆锥体圆锥曲面出射，形成带涡旋相位的圆环形柱矢量光束，带涡旋相位的圆环形柱矢量光束经过旋涡型相位板后，转化产生柱矢量光束，可调扩束镜、共底双圆锥透射镜、凹圆锥透射镜、双折射晶体共底双圆锥体、漩涡型相位板共有中心轴，为装置的系统对称轴。

本发明涉及的偏振棱镜产生柱矢量偏振光束的装置，共底双圆锥透射镜的两个顶点的连线为其对称轴，并与系统对称轴重合。

进一步，第一双折射晶体共底双圆锥体圆锥面和第二双折射晶体共底双圆锥体圆锥面为凸圆锥面，双折射晶体共底双圆锥体的材料为双折射各向异性光学材料，并且第一双折射晶体共底双圆锥体圆锥面和第二双折射晶体共底双圆锥体圆锥面的顶点连线与光轴平行，并与系统对称轴重合。