專利名稱：可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光束產(chǎn)生系統(tǒng)，特別是一種可 調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)。主要用于光學(xué)顯微技術(shù)、激光微加工、 光學(xué)微操縱、光信息存儲(chǔ)、光與物質(zhì)相互作用等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束是指光束橫向偏振態(tài)呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱分布的光 束，具有特殊的光束聚焦性質(zhì)和傳播特性，可應(yīng)用到光信息存儲(chǔ)、光學(xué) 顯微、平版印刷術(shù)，激光加工、光學(xué)微操縱、超分辨、光與物質(zhì)相互作 用等光學(xué)系統(tǒng)。例如，旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束可應(yīng)用于光學(xué)顯微系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) 超分辨效應(yīng)，因?yàn)橐欢ǖ男D(zhuǎn)矢量偏振光束經(jīng)過(guò)聚焦后焦點(diǎn)比同一聚焦 系統(tǒng)中線偏振光束聚焦的焦點(diǎn)的橫向光斑小。旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束的產(chǎn)生 系統(tǒng)是研究和利用旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束的必備前提條件，引起了廣泛關(guān)注。 在先技術(shù)中，有一種可調(diào)式矢量光束整形系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)矢量偏振光 束的產(chǎn)生(參見(jiàn)中國(guó)發(fā)明專利"可調(diào)式矢量光束整形系統(tǒng)"，專利號(hào)
ZL200410052913.4)，該可調(diào)式矢量光束整形系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)，但是， 仍然存在一些本質(zhì)不足，主要為1)如果利用在先技術(shù)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)矢量偏 振光束，所需要必備的條件是系統(tǒng)入射光束需要為旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束的 特殊形式，比如徑向偏振光束或方位角偏振光束，然而，徑向偏振光束 和方位角偏振光束的產(chǎn)生也屬于旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束產(chǎn)生范疇，所以，在 先技術(shù)系統(tǒng)本質(zhì)決定無(wú)法實(shí)現(xiàn)非旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)矢量偏振 光束，本質(zhì)上決定無(wú)法實(shí)現(xiàn)非相干入射光束向旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束的轉(zhuǎn)化 過(guò)程，對(duì)入射光束要求高；2)無(wú)法實(shí)現(xiàn)出射光束與入射光束相對(duì)的光束 橫向擴(kuò)束效應(yīng)，無(wú)法調(diào)節(jié)出射光束外形尺寸，限制了應(yīng)用范圍；3)無(wú)法 實(shí)現(xiàn)圓環(huán)光形矢量光束，對(duì)聚焦光學(xué)系統(tǒng)中聚焦物鏡的高數(shù)值孔徑區(qū)域 使用效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述在先技術(shù)的不足，提供一種可調(diào)式圓環(huán) 形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)，具有可實(shí)現(xiàn)非旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束向旋轉(zhuǎn)矢量偏振 光束的轉(zhuǎn)化、入射光束要求低、圓環(huán)形矢量光束輸出、光束偏振態(tài)可調(diào) 節(jié)、出射光束橫向尺寸調(diào)節(jié)便利等特點(diǎn)。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是將入射光束依次經(jīng)過(guò)同對(duì)稱光軸放置的擴(kuò)束 整形器、外反射式圓錐面反射鏡、圓柱筒形曲面偏振器、內(nèi)反射式錐面 反射鏡、兩平行放置的二分之一波片、軸向移動(dòng)部件和旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件構(gòu) 成；軸向移動(dòng)部件與外反射式圓錐面反射鏡連接，旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件與一個(gè) 二分之一波片連接；入射光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束整形器后，被外反射式圓錐面反 射鏡反射形成徑向傳播光束，經(jīng)過(guò)圓柱筒形曲面偏振器時(shí)光束偏振態(tài)被 調(diào)節(jié)，而后經(jīng)過(guò)內(nèi)反射式錐面反射鏡反射后，形成圓環(huán)形旋轉(zhuǎn)矢量偏振 光束；通過(guò)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件調(diào)節(jié)兩二分之一波片的波片光軸夾角可以調(diào)解 旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束偏振方向，通過(guò)軸向移動(dòng)部件調(diào)節(jié)外反射式圓錐面反 射鏡和內(nèi)反射式錐面反射鏡的間距可改變出射光束橫向尺寸，具有入射 光束要求低、圓環(huán)形矢量光束輸出、光束偏振態(tài)和橫向尺寸調(diào)節(jié)便利等 優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為由入射光束傳播方向上同對(duì)稱光軸依次 置有的擴(kuò)束整形器、外反射式圓錐面反射鏡、圓柱筒形曲面偏振器、內(nèi) 反射式錐面反射鏡、入射二分之一波片和出射二分之一波片構(gòu)成；外反 射式圓錐面反射鏡的反射錐面與內(nèi)反射式圓錐面反射鏡的反射錐面平 行，且外反射式圓錐面反射鏡的反射錐面和內(nèi)反射式圓錐面反射鏡的反 射錐面均與對(duì)稱光軸成45度夾角；入射光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束整形器后，被外反
射式圓錐面反射鏡反射，形成的徑向傳播光束，圓柱筒形曲面偏振器的
圓柱曲面與徑向傳播光束垂直；徑向傳播光束經(jīng)過(guò)圓柱筒形曲面偏振器 后被內(nèi)反射式圓錐面反射鏡反射形成圓環(huán)形矢量光束，入射二分之一波 片和出射二分之一波片與對(duì)稱光軸垂直，并且依次位于圓環(huán)形矢量光束 傳播光路上；軸向移動(dòng)部件與外反射式圓錐面反射鏡相連接，旋轉(zhuǎn)移動(dòng)
部件與出射二分之一波片相連接；旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件帶動(dòng)出射二分之一波片 轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)入射二分之一波片和出射二分之一波片的波片光軸夾角；軸 向移動(dòng)部件帶動(dòng)外反射式圓錐面反射鏡軸向移動(dòng)，改變外反射式圓錐面 反射鏡和內(nèi)反射式錐面反射鏡的間距。
所述的擴(kuò)束整形器為伽利略型擴(kuò)束鏡，或?yàn)殚_(kāi)普勒型擴(kuò)束鏡。
所述的外反射式圓錐面反射鏡為外圓錐曲面鍍反射膜的外反射式圓 錐面反射鏡，或?yàn)榉瓷淠?gòu)成的圓錐曲面外反射式反射鏡。
所述的內(nèi)反射式圓錐面反射鏡為內(nèi)圓錐曲面鍍反射膜的內(nèi)反射式圓 錐面反射鏡，或?yàn)榉瓷淠?gòu)成的圓錐曲面內(nèi)反射式反射鏡。
所述的圓柱筒形曲面偏振器為圓柱筒形偏振膜，或?yàn)閳A柱曲面殼式 偏振元件。
所述的軸向移動(dòng)部件為直線運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、壓電陶瓷移 動(dòng)部件的一種。
所述的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件為轉(zhuǎn)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)式直流電機(jī)、轉(zhuǎn) 動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的一種。
所述的軸向移動(dòng)部件可與外反射式圓錐面反射鏡連接，帶動(dòng)外反射 式圓錐面反射鏡進(jìn)行軸向移動(dòng)，也可以與內(nèi)反射式圓錐面反射鏡連接， 帶動(dòng)內(nèi)反射式圓錐面反射鏡進(jìn)行軸向移動(dòng)。
所述的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件可與出射二分之一波片連接，也可與入射二分 之一波片連接。
本發(fā)明可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)的工作過(guò)程為入射光束沿對(duì) 稱光軸傳播經(jīng)過(guò)擴(kuò)束整形器進(jìn)行擴(kuò)束整形后，射向外反射式圓錐面反射 鏡；被外反射式圓錐面反射鏡反射后，由于外反射式圓錐面反射鏡反射 錐面與對(duì)稱光軸成45度夾角，光束轉(zhuǎn)化為徑向傳播光束；徑向傳播光束 經(jīng)過(guò)圓柱筒形曲面偏振器后光束偏振態(tài)發(fā)生改變，而后經(jīng)過(guò)內(nèi)反射式錐 面反射鏡反射形成圓環(huán)形旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束，由于外反射式圓錐面反射 鏡的反射錐面和內(nèi)反射式圓錐面反射鏡的反射錐面平行，旋轉(zhuǎn)矢量偏振
光束與對(duì)稱光軸平行，沿對(duì)稱光軸傳播依次經(jīng)過(guò)入射二分之一波片和出 射二分之一波片形成裝置出射的圓環(huán)光形矢量光束；軸向移動(dòng)部件與外 反射式圓錐面反射鏡連接，軸向移動(dòng)部件帶動(dòng)外反射式圓錐面反射鏡軸 向移動(dòng)，改變外反射式圓錐面反射鏡和內(nèi)反射式錐面反射鏡的兩反射錐 面間距，進(jìn)而改變出射光束橫向尺寸；旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件與出射二分之一波 片連接，帶動(dòng)出射二分之一波片轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)入射二分之一波片和出射二 分之一波片的波片光軸夾角，進(jìn)而調(diào)節(jié)矢量偏振光束偏振態(tài)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1) 本質(zhì)上可以實(shí)現(xiàn)非旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束向旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束的轉(zhuǎn) 化，系統(tǒng)對(duì)入射光束的偏振態(tài)無(wú)限制，對(duì)于入射光束要求低，系統(tǒng)應(yīng)用 范圍廣；
2) 可以實(shí)現(xiàn)圓環(huán)光形矢量光束輸出，使用便利，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn) 定性和可靠性高；
3) 可以調(diào)節(jié)圓環(huán)光形矢量光束的偏振態(tài)分布和出射光束橫向尺寸， 調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)單便利。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的圓環(huán)形矢量光束偏振態(tài)分布示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)，由入射光束傳播方向上同對(duì)稱光 軸OA依次放置的擴(kuò)束整形器1、外反射式圓錐面反射鏡7、圓柱筒形曲 面偏振器2、內(nèi)反射式錐面反射鏡3、入射二分之一波片4和出射二分之 一波片5構(gòu)成；入射光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束整形器1擴(kuò)束整形后，被外反射式圓 錐面反射鏡7反射后形成的徑向傳播光束，圓柱筒形曲面偏振器2的圓 柱曲面與徑向傳播光束垂直；外反射式圓錐面反射鏡7反射錐面與內(nèi)反 射式圓錐面反射鏡3的反射錐面平行，且外反射式圓錐面反射鏡7的反 射錐面和內(nèi)反射式圓錐面反射鏡3的反射錐面均與對(duì)稱光軸0A成45度
夾角；徑向傳播光束經(jīng)過(guò)圓柱筒形曲面偏振器2后被內(nèi)反射式圓錐面反 射鏡3反射形成圓環(huán)形矢量光束；入射二分之一波片4和出射二分之一 波片5與對(duì)稱光軸0A垂直，依次位于圓環(huán)形矢量光束傳播光路上；軸向 移動(dòng)部件8與外反射式圓錐面反射鏡7連接，旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件6與出射二 分之一波片5連接；旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件6帶動(dòng)出射二分之一波片5轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào) 節(jié)入射二分之一波片4和出射二分之一波片5的波片光軸夾角；軸向移 動(dòng)部件8帶動(dòng)外反射式圓錐面反射鏡7軸向移動(dòng)，改變外反射式圓錐面 反射鏡7和內(nèi)反射式錐面反射鏡兩反射3的錐面間距。
入射光束為氦氖氣體激光器出射的圓偏振光束，波長(zhǎng)為632.8rnn，擴(kuò) 束整形器1為伽利略型擴(kuò)束鏡、外反射式圓錐面反射鏡7為圓錐體鍍反 射膜的外反射式圓錐面反射鏡、內(nèi)反射式圓錐面反射鏡3也為圓錐體鍍 反射膜的內(nèi)反射式圓錐面反射鏡、圓柱筒形曲面偏振器2為圓柱筒形偏 振膜、軸向移動(dòng)部件8為直線運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件6為轉(zhuǎn)動(dòng)式 步進(jìn)電機(jī)，入射二分之一波片4和出射二分之一波片5均為基底BK7玻 璃的圓形二分之一波片。
本發(fā)明可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)的工作過(guò)程為入射光束沿對(duì) 稱光軸OA傳播經(jīng)過(guò)擴(kuò)束整形器1進(jìn)行擴(kuò)束整形后，射向外反射式圓錐面 反射鏡7;被外反射式圓錐面反射鏡7反射后，由于外反射式圓錐面反射 鏡7反射錐面與對(duì)稱光軸OA成45度夾角，光束轉(zhuǎn)化為徑向傳播光束； 徑向傳播光束經(jīng)過(guò)圓柱筒形曲面偏振器2后光束偏振態(tài)發(fā)生改變，而后 經(jīng)過(guò)內(nèi)反射式錐面反射鏡3反射形成圓環(huán)形旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束，由于外 反射式圓錐面反射鏡7的反射錐面和內(nèi)反射式圓錐面反射鏡3的反射錐 面平行，旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束與對(duì)稱光軸OA平行，沿對(duì)稱光軸OA傳播依 次經(jīng)過(guò)入射二分之一波片4和出射二分之一波片5形成裝置出射的圓環(huán) 光形矢量光束；軸向移動(dòng)部件8與外反射式圓錐面反射鏡7連接，軸向 移動(dòng)部件8帶動(dòng)外反射式圓錐面反射鏡7軸向移動(dòng)，改變外反射式圓錐 面反射鏡7和內(nèi)反射式錐面反射鏡3兩反射錐面間距，進(jìn)而改變出射光 束橫向尺寸；旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件與出射二分之一波片5連接，帶動(dòng)出射二分
之一波片5轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)入射二分之一波片4和出射二分之一波片4的波 片光軸夾角，進(jìn)而調(diào)節(jié)矢量偏振光束偏振態(tài)。圖2為本發(fā)明的圓環(huán)光形 矢量光束偏振態(tài)分布示意圖，箭頭表示偏振態(tài)方向，本實(shí)施例具有入射 光束要求低、圓環(huán)形矢量光束輸出、光束偏振態(tài)和橫向尺寸調(diào)節(jié)便利等 優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1、可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)，包括擴(kuò)束整形器、外反射式圓錐面反射鏡、圓柱筒形曲面偏振器、內(nèi)反射式錐面反射鏡、入射二分之一波片、出射二分之一波片、軸向移動(dòng)部件、旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件，其特征在于擴(kuò)束整形器、外反射式圓錐面反射鏡、圓柱筒形曲面偏振器、內(nèi)反射式錐面反射鏡、入射二分之一波片和出射二分之一波片同對(duì)稱光軸地依次設(shè)置在入射光束傳播方向；外反射式圓錐面反射鏡的反射錐面與內(nèi)反射式圓錐面反射鏡的反射錐面平行，外反射式圓錐面反射鏡的反射錐面和內(nèi)反射式圓錐面反射鏡的反射錐面均與對(duì)稱光軸成45度夾角；入射光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束整形器后，被外反射式圓錐面反射鏡反射，形成的徑向傳播光束，圓柱筒形曲面偏振器的圓柱曲面與徑向傳播光束垂直；徑向傳播光束經(jīng)過(guò)圓柱筒形曲面偏振器后被內(nèi)反射式圓錐面反射鏡反射形成圓環(huán)形矢量光束，入射二分之一波片和出射二分之一波片與對(duì)稱光軸垂直，并且依次位于圓環(huán)形矢量光束傳播光路上；軸向移動(dòng)部件與外反射式圓錐面反射鏡相連接，旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件與出射二分之一波片相連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在 于所述的所述的擴(kuò)束整形器為伽利略型擴(kuò)束鏡，或?yàn)殚_(kāi)普勒型擴(kuò)束鏡。
3、 如權(quán)利要求1所述的可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于所述的外反射式圓錐面反射鏡為外圓錐曲面鍍反射膜的外反射式圓錐面反射鏡，或?yàn)榉瓷淠?gòu)成的圓錐曲面外反射式反射鏡。
4、 如權(quán)利要求1所述的可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于所述的內(nèi)反射式圓錐面反射鏡為內(nèi)圓錐曲面鍍反射膜的內(nèi)反射式圓 錐面反射鏡，或?yàn)榉瓷淠?gòu)成的圓錐曲面內(nèi)反射式反射鏡。
5、 如權(quán)利要求1所述的可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在 于所述的圓柱筒形曲面偏振器為圓柱筒形偏振膜，或?yàn)閳A柱曲面殼式 偏振元件。
6、 如權(quán)利要求1所述的可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于所述的軸向移動(dòng)部件為直線運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、壓電陶瓷移 動(dòng)部件的一種。
7、 如權(quán)利要求1所述的可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于所述的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件為轉(zhuǎn)動(dòng)式運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)式直流電機(jī)、轉(zhuǎn) 動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的一種。
8、 如權(quán)利要求1所述的可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于所述的軸向移動(dòng)部件與外反射式圓錐面反射鏡連接，或與內(nèi)反射式 圓錐面反射鏡連接。
9、 如權(quán)利要求1所述的可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于所述的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件可與出射二分之一波片連接，或與入射二分之 一波片連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可調(diào)式圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生系統(tǒng)?，F(xiàn)有技術(shù)對(duì)入射光束要求高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)圓環(huán)光形矢量光束和光束尺寸調(diào)節(jié)。本發(fā)明中入射光束依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)束整形器、外反射式圓錐面反射鏡、圓柱筒形曲面偏振器、內(nèi)反射式錐面反射鏡、兩平行放置的二分之一波片；光源出射光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束整形器和外反射式圓錐面反射鏡后形成徑向傳播光束，經(jīng)過(guò)圓柱筒形曲面偏振器后，被內(nèi)反射式錐面反射鏡反射形成圓環(huán)形旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束，通過(guò)旋轉(zhuǎn)移動(dòng)部件調(diào)節(jié)兩二分之一波片光軸夾角改變偏振態(tài)，通過(guò)軸向移動(dòng)部件調(diào)節(jié)外反射式圓錐面反射鏡和內(nèi)反射式錐面反射鏡間距改變光束橫向尺寸。本發(fā)明具有入射光束要求低、圓環(huán)形矢量光束輸出、光束偏振態(tài)和橫向尺寸調(diào)節(jié)便利等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B5/30GK101363964SQ20081012082
公開(kāi)日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2008年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
發(fā)明者高秀敏 申請(qǐng)人:高秀敏