專利名稱：一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，特別是關(guān)于一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
線偏振光束、圓偏振光束和橢圓偏振光束是光學(xué)界所熟知的偏振光形式，并 廣泛地應(yīng)用于光學(xué)眾多領(lǐng)域。這些不同偏振光束的共同特點(diǎn)是波面內(nèi)各點(diǎn)的偏振 態(tài)相同， 一般情況下波面為平面或球面，且波面內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)分布是以波面中心為峰 值的高斯分布。但隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，上述傳統(tǒng)偏振光束的性能已經(jīng)不足以滿 足前沿研究的需求。近年來(lái)，多種特殊光束被人們所認(rèn)識(shí)并逐步開(kāi)展了應(yīng)用。比
如TEM。,、 TEM。2、 TEM 、 TEM12等高階模式的Hermite-Gaussian (HG)光束和 Laguerre-Gaussian (LG)光束在場(chǎng)強(qiáng)分布上不再是高斯分布；徑向偏振光束和切 向偏振光束(又稱方位角偏振光束)在波面內(nèi)各點(diǎn)的線偏振方向都不同，且場(chǎng)強(qiáng) 分布均為中空?qǐng)A環(huán)，徑向偏振光束各點(diǎn)線偏振方向沿半徑方向(指向中心)，切向 偏振光束各點(diǎn)線偏振方向垂直半徑方向(與圓相切)；渦旋光束的波面不再是平面 或球面，而是成螺旋狀分布。對(duì)于徑向偏振光束和切向偏振光束等，由于在波面 內(nèi)各點(diǎn)的偏振態(tài)不同，無(wú)法用標(biāo)量描述，只能使用矢量描述，因此稱為矢量光束。 此外，還有更為復(fù)雜的矢量光束，比如在波面內(nèi)繞中心旋轉(zhuǎn)一周(即方位角變化 2ti)線偏振方向變化47t (或6tt、 8ti等)。矢量光束在光學(xué)操縱、光學(xué)成像、信息 傳輸、量子光學(xué)、激光加工等研究領(lǐng)域中表現(xiàn)出許多特有的性能。而目前產(chǎn)生矢 量光束的方法主要都依賴于特殊器件，如螺旋相位器件、特殊腔鏡、特制晶體、 特制液晶等，這些特殊器件的制作限制了這些方法的廣泛應(yīng)用；采用空間光調(diào)制 器的方法則造成系統(tǒng)成本過(guò)高；而采用光纖產(chǎn)生矢量光束的方法，其損耗大、轉(zhuǎn) 換效率不高。上述產(chǎn)生矢量光束的方法存在的諸多不足影響了其在光學(xué)各領(lǐng)域中 應(yīng)用的效果和推廣。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)需特殊器件、成本低、轉(zhuǎn)換效率 高、易于實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)， 其特征在于，它包括一用于輸出多種橫模的貓眼腔激光器和一激光干涉部分；所 述貓眼腔激光器包括一作為腔鏡的貓眼逆向器；所述激光干涉部分至少包括一分束器、兩反射鏡、 一光束旋轉(zhuǎn)組件、 一相位調(diào)節(jié)組件和一光束合成器件；所述分 束器將所述貓眼腔激光器輸出的橫模分成兩路光束；所述兩反射鏡分別位于所述 分束器分出的兩束光路上，將兩束光的傳播方向改變后匯聚于一點(diǎn)；所述光束旋 轉(zhuǎn)組件位于所述兩束光路之一，將該光路上光束的偏振方向和光強(qiáng)分布同時(shí)旋轉(zhuǎn) 90°;所述相位調(diào)節(jié)組件位于所述兩束光路之一，調(diào)節(jié)兩束光的相位差；所述光束 合成器件位于兩束光的交匯處，將兩束光相干疊加產(chǎn)生矢量光束并輸出。
所述貓眼逆向器包括共軸的一凹面反射鏡和一凸透鏡或透鏡組，凹面反射鏡 的曲率半徑與凸透鏡或透鏡組的焦距相等，凹面反射鏡位于凸透鏡或透鏡組的焦
平面附近，且兩鏡間距可微調(diào)以便產(chǎn)生多種激光橫模。
所述激光干涉部分還包括擴(kuò)束器和光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件中的至少一個(gè)，所述擴(kuò)束器 位于所述貓眼腔激光器與分束器之間，所述光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件由兩偏振片，或由一偏 振片和一半波片構(gòu)成，所述光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件位于經(jīng)所述分束器分出的兩光路之一上。
系統(tǒng)還包括一分束器和一橫模監(jiān)測(cè)部分，所述分束器設(shè)置在貓眼腔激光器與 激光干涉部分之間，將貓眼腔激光器出射的光束分為兩束； 一束進(jìn)入激光干涉部 分，另一束進(jìn)入所述橫模監(jiān)測(cè)部分。
所述橫模監(jiān)測(cè)部分包括一分束器，所述分束器將入射光分為兩束光，其中一 束光通過(guò)一凹透鏡或凸透鏡，成像在一白屏上；另一束光通過(guò)一掃描干涉儀上的 光電探測(cè)器，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出給一示波器，所述示波器顯示光束的頻譜圖。
所述光束旋轉(zhuǎn)組件是一道威棱鏡，該道威棱鏡中全反射面的法線與道威棱鏡 的入射光束垂直，并且與道威棱鏡入射光束的線偏振方向成45。角。
所述光束旋轉(zhuǎn)組件與其所在光路的反射鏡被同時(shí)具有這兩個(gè)功能的一個(gè)組件 代替。
所述同時(shí)具有光束旋轉(zhuǎn)組件和反射鏡兩個(gè)功能的一個(gè)組件是一由兩個(gè)45°入 射角的反射鏡構(gòu)成的90。扭轉(zhuǎn)潛望鏡；作為補(bǔ)償，另一光路中同時(shí)加入一個(gè)非扭轉(zhuǎn) 的潛望鏡。
所述相位調(diào)節(jié)組件由兩個(gè)相同光學(xué)平片或平板組成，兩平片或平板構(gòu)成一個(gè)V 字，光束先后以相同入射角穿過(guò)兩平片或平板，兩平片或平板夾角可調(diào)以實(shí)現(xiàn)相 位連續(xù)調(diào)節(jié)，兩個(gè)平片或平板相互補(bǔ)償以避免光束偏移。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、由于本發(fā)明可以通過(guò)調(diào)
節(jié)貓眼腔激光器輸出各種不同橫模，因此經(jīng)過(guò)激光干涉部分后本發(fā)明可以僅利用
一個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生多種不同的矢量光束。2、由于本發(fā)明在激光干涉部分設(shè)置了相位調(diào)
節(jié)組件，特別是又增設(shè)了一光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件，因此可以更加多樣化地改變相干疊加的效果，進(jìn)而在不改變貓眼腔激光器輸出橫模的情況下也可產(chǎn)生多種不同的矢量
光束。3、由于本發(fā)明采用的元器件均為通用光學(xué)元件，而不是像現(xiàn)有技術(shù)那樣需 要使用一些特殊器件，因此成本低、易于實(shí)現(xiàn)和推廣。4、本發(fā)明增加橫模監(jiān)測(cè)部 分后，可以對(duì)貓眼腔激光器輸出的橫模進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此可以在不改變系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)的情況下，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)貓眼腔鏡獲得高質(zhì)量的橫模，并利用此橫模進(jìn)一步 干涉產(chǎn)生高質(zhì)量的矢量光束。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于光學(xué) 操縱、光學(xué)成像、信息傳輸、量子光學(xué)、激光加工等領(lǐng)域。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為本發(fā)明中光束旋轉(zhuǎn)組件采用道威棱鏡時(shí)旋轉(zhuǎn)橫模的示意圖
圖3為扭轉(zhuǎn)90。的潛望鏡對(duì)橫模的旋轉(zhuǎn)作用示意圖
圖4為非扭轉(zhuǎn)的潛望鏡對(duì)橫模的作用示意圖
圖5為本發(fā)明具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橫模功能時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖
圖6為本發(fā)明中貓眼腔鏡的機(jī)械裝配圖實(shí)例
圖7為本發(fā)明中基于貓眼腔激光器輸出的TEMw?；騎EM。,模經(jīng)干涉產(chǎn)生矢量光 束的原理圖
圖8為本發(fā)明中基于貓眼腔激光器輸出的TEMn模經(jīng)干涉產(chǎn)生矢量光束的原理
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)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
如圖1所示，本發(fā)明包括貓眼腔激光器1和激光干涉部分2。貓眼腔激光器1 用于可調(diào)節(jié)地輸出多種不同橫模，比如TEM。。、 TEMch、 TEMW、 TEM 、 TEM。2等模式。 激光干涉部分2可將貓眼腔激光器1輸出的橫模進(jìn)行分束、干涉，并產(chǎn)生多種不 同矢量光束。
本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例中，貓眼腔激光器1基于一 He-Ne激光器，也可以基于其 它氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、染料激光器等。貓眼腔激光器1包 括一貓眼逆向器13、 一增透窗片14、 一 He-Ne激光管15和一腔鏡16。貓眼逆向 器13作為貓眼腔激光器1的一腔鏡(以下稱為貓眼腔鏡13)，由共軸的凹面反射 鏡11和凸透鏡12組成。凹面反射鏡11的曲率半徑和凸透鏡12的焦距相等，且 凹面反射鏡11位于凸透鏡12的焦平面附近，凹面反射鏡11上鍍有全反膜。凹面 反射鏡11和凸透鏡12的間距可以通過(guò)微調(diào)，以產(chǎn)生不同的橫模。上述凸透鏡12 可以由一具有凸透鏡功能的透鏡組替代。He-Ne激光管15靠近貓眼腔鏡13的一端 設(shè)置增透窗片14，另一端設(shè)置鍍高反膜的腔鏡16。腔鏡16和貓眼腔鏡13構(gòu)成激光諧振腔，并通過(guò)腔鏡16輸出激光。腔鏡16可以是一平面腔鏡，也可以是一凹 面腔鏡。
本發(fā)明中的激光干涉部分2至少包括一分束器21，兩反射鏡22、 23， 一光束 旋轉(zhuǎn)組件24， 一相位調(diào)節(jié)組件26和一光束合成器件27。兩反射鏡22和23分別 位于分束器21分出的兩束光路上，用以改變兩路光束的傳播方向，使兩路光束能 夠相交。光束旋轉(zhuǎn)組件24位于其中一光路上，以將所在光路的光束偏振方向和光 強(qiáng)分布同時(shí)旋轉(zhuǎn)90。。相位調(diào)節(jié)組件26位于其中一光路上，可以使進(jìn)入光束合成 器件27的兩束光相位相同或相反或差7t/2。光束合成器件27位于兩路光束的交點(diǎn) 處，使兩路光束相干疊加、產(chǎn)生矢量光束，并進(jìn)行輸出。
上述實(shí)施例中，為便于調(diào)節(jié)并產(chǎn)生更多的矢量光束，激光干涉部分2還包括 一光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件28和一擴(kuò)束器25。光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件28位于經(jīng)分束器21分出的兩束 光中的任一光路上，用于調(diào)節(jié)進(jìn)入光束合成器件27的兩束光的光強(qiáng)比，以得到更 多的高質(zhì)量的矢量光束。擴(kuò)束器25位于貓眼腔激光器1與分束器21之間，用于 擴(kuò)大貓眼腔激光器l輸出光束的尺寸，以方便干涉。
上述實(shí)施例中，擴(kuò)束器25的最簡(jiǎn)單形式是由共焦點(diǎn)的兩凸透鏡組成。分束器 21最好選用分光比為1:1的消偏振分光棱鏡，以保證兩束光具有相同的偏振態(tài)且 兩束光的光強(qiáng)相等。兩反射鏡22、 23可以采用平面反射鏡或全反射棱鏡。光束旋 轉(zhuǎn)組件可采用道威棱鏡，如圖2所示；其中全反射面的法線方向"與道威棱鏡的 入射光束241垂直，并且與道威棱鏡入射光束的線偏振方向成45。角；在本例中入 射光束241的線偏振方向沿x軸，全反射面的法線方向/ 與x軸的夾角6為45°; 可見(jiàn)出射光束243的線偏振方向和光強(qiáng)分布均旋轉(zhuǎn)了 90°。圖1中，光束旋轉(zhuǎn)組件 24與其所在光路的反射鏡22可以是功能獨(dú)立的兩個(gè)器件(如上所述)，也可以是 同時(shí)具有這兩個(gè)功能的一個(gè)組件。例如，反射鏡22和光束旋轉(zhuǎn)組件24可以一起 由一個(gè)90。扭轉(zhuǎn)的潛望鏡組成(如圖3所示)，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)反射和光束旋轉(zhuǎn)；作為 補(bǔ)償，另一束光中同時(shí)也要加入一個(gè)非扭轉(zhuǎn)的潛望鏡(如圖4所示)；兩種潛望鏡 本身均由入射角為45。的兩個(gè)平面反射鏡構(gòu)成，非扭轉(zhuǎn)潛望鏡的出射光束和入射光 束平行且不改變光束的偏振和光強(qiáng)分布，90。扭轉(zhuǎn)潛望鏡的出射光束和入射光束在 空間上垂直且將光束的偏振方向和光強(qiáng)分布均旋轉(zhuǎn)90°。相位調(diào)節(jié)組件26可由兩 個(gè)等厚光學(xué)平片或平板組成，并構(gòu)成V字形，光束以相同入射角先后穿過(guò)兩平片 或平板，調(diào)整兩平片或平板的夾角，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光程及相位的連續(xù)調(diào)節(jié)，便于產(chǎn) 生所需的矢量光束，同時(shí)兩個(gè)平片相互補(bǔ)償可以避免光束偏移。光束合成器件27 最好使用偏振分光棱鏡，以保證合成的兩光束的偏振方向垂直并減少光束損耗-， 同時(shí)也可以用普通分光棱鏡或分光平片代替，但無(wú)偏振濾波的功能且損耗較大。光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件28可由一偏振片和一半波片組成，也可由兩個(gè)偏振片組成。上述對(duì) 于光束旋轉(zhuǎn)組件24、相位調(diào)節(jié)組件26、光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件28等的組成僅為舉例說(shuō)明， 并不限于上述組成形式，任何可滿足上述組件要求的光學(xué)結(jié)構(gòu)均可用于系統(tǒng)中， 實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的作用。
如圖5所示，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光器輸出模式并便于在不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)情況下調(diào) 節(jié)貓眼腔激光器1輸出的橫模，本發(fā)明還可以包括一分束器3和一橫模監(jiān)測(cè)部分4。 分束器3設(shè)置在貓眼腔激光器1與激光干涉部分2之間，可以將貓眼腔激光器1 出射的光束分為兩束， 一束進(jìn)入后續(xù)激光干涉部分2，以產(chǎn)生矢量光束；另一束進(jìn) 入橫模監(jiān)測(cè)部分4，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)貓眼腔激光器1輸出橫模的光強(qiáng)分布和頻率。分束 器3最好選用消偏振分光棱鏡，以保證進(jìn)入橫模監(jiān)測(cè)部分4的光束的偏振態(tài)與進(jìn) 入激光干涉部分2的光束的偏振態(tài)兩者相同。在橫模監(jiān)測(cè)部分4中，經(jīng)過(guò)分束器3 分出的一束光經(jīng)由一分束器41再次分為兩束， 一束用于監(jiān)測(cè)橫模光強(qiáng)分布，另一 束用于監(jiān)測(cè)橫模的頻率。分束器41最好也選用消偏振分光棱鏡，以保證分束后的 兩光束的偏振態(tài)不變。其中，監(jiān)測(cè)橫模光強(qiáng)分布的一種簡(jiǎn)易裝置是光束經(jīng)一凹 透鏡42或凸透鏡放大后，成像在遠(yuǎn)處的一白屏43上，可以直接進(jìn)行觀察；另一
種相對(duì)復(fù)雜的監(jiān)測(cè)橫模光強(qiáng)分布的裝置是直接或經(jīng)衰減片衰減后入射到成像器
件CCD或CMOS上，并通過(guò)計(jì)算機(jī)或監(jiān)視器觀察(圖中未示出)。監(jiān)測(cè)橫模頻率的 一種裝置是用掃描干涉儀44將光束中各頻率的光按時(shí)間順序分開(kāi)，并通過(guò)其自 帶的光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出給示波器45，由示波器45顯示光束的 頻譜圖。
如圖6所示，為實(shí)現(xiàn)貓眼腔調(diào)節(jié)以產(chǎn)生多種不同的橫模，貓眼腔鏡13可采用 如下機(jī)械結(jié)構(gòu)(僅以此為例，但不限于此)將凹面反射鏡11和凸透鏡12置于同 一個(gè)機(jī)械套筒53中，且將凸透鏡12固定在套筒53上，凹面反射鏡ll可相對(duì)套 筒53軸向滑動(dòng)，凸透鏡12和凹面反射鏡11之間壓緊一彈簧51，凹面反射鏡ll 的背部由固定于套筒53的一精密螺紋副52定位，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)精密螺紋副52實(shí)現(xiàn) 對(duì)凹面反射鏡11和凸透鏡12之間間距的調(diào)節(jié)。套筒53經(jīng)一轉(zhuǎn)接環(huán)54與一壓電 陶瓷管55的一端固定，實(shí)現(xiàn)腔掃描和穩(wěn)頻調(diào)節(jié)。壓電陶瓷管55的另一端通過(guò)另 一個(gè)轉(zhuǎn)接環(huán)56固定于一四維(二維平移加二維角度)調(diào)節(jié)架(圖中未畫出)上， 實(shí)現(xiàn)貓眼腔鏡的位姿(位置和姿態(tài))調(diào)節(jié)。
貓眼腔鏡13內(nèi)凹面反射鏡11與凸透鏡12的間距調(diào)節(jié)及貓眼腔鏡13的位姿 的調(diào)節(jié)與貓眼腔激光器1輸出橫模的關(guān)系如下當(dāng)凹面反射鏡11位于凸透鏡12 的焦平面處時(shí)，貓眼腔鏡13等效為一個(gè)平面腔鏡，與另一腔鏡16構(gòu)成一平平腔 (腔鏡16為平面腔鏡)或平凹腔(腔鏡16為凹面腔鏡)，此時(shí)，貓眼腔激光器l輸出的橫模為TEM。。。然后，緩慢增大凹面反射鏡11與凸透鏡12的間距，該增大 過(guò)程中的貓眼腔鏡13等效為曲率半徑逐漸變小的凹面反射鏡，與另一腔鏡16構(gòu) 成一平凹腔(腔鏡16為平面腔鏡)或一凹凹腔(腔鏡16為凹面腔鏡)，且貓眼腔 激光器1輸出橫模的階次逐漸升高，依次會(huì)出現(xiàn)TEMm模(或TEM,。模)、TEM。2模(或 TEM2。模、TEMu模)、TEM。3模(或TEM加模、TEMj莫、TEM^模)等，但當(dāng)達(dá)到某一階 次后，若再增大凹面反射鏡11與凸透鏡12的間距時(shí)，貓眼腔激光器1輸出橫模 的階次則會(huì)反向逐漸減小，再次出現(xiàn)TEM。。模，直至不出光。具體轉(zhuǎn)折的階次取決 于貓眼腔激光器1的結(jié)構(gòu)參數(shù)等。除調(diào)節(jié)貓眼腔鏡13內(nèi)兩鏡間距可輸出不同橫模 外，調(diào)節(jié)貓眼腔鏡13的橫向位置也會(huì)輸出不同橫模。例如當(dāng)貓眼腔激光器l輸 出高階橫模TEM。3時(shí)，橫向移動(dòng)貓眼腔鏡13,使貓眼腔鏡13的光軸偏離本發(fā)明系 統(tǒng)的光軸，則可通過(guò)橫模監(jiān)測(cè)部分4看到貓眼腔激光器1輸出的橫模階次依次減 小到TEM。。模，直至不出光。而且當(dāng)貓眼腔鏡13的光軸與系統(tǒng)的光軸有夾角時(shí)， 此夾角也會(huì)改變貓眼腔激光器1輸出的橫模。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)貓眼腔鏡13的位姿， 可以改變貓眼腔激光器1輸出的橫模。
為進(jìn)一步解釋不同矢量光束的產(chǎn)生原理，下面舉例說(shuō)明。
圖7為基于TEM,。模或TEMw模產(chǎn)生多種矢量光束的原理示意圖。圖7a c表示 的物理過(guò)程為調(diào)節(jié)貓眼腔鏡13內(nèi)凹面反射鏡11和凸透鏡12的間距及貓眼腔鏡 13的位姿，使貓眼腔激光器輸出x偏振TEM^模(如圖7a所示)。將x偏振TEM10 模分束后， 一束進(jìn)行90?？臻g旋轉(zhuǎn)，得到y(tǒng)偏振TEM。,模(如圖7b所示)。將兩束 光進(jìn)行等光強(qiáng)調(diào)節(jié)和同相位調(diào)節(jié)后，再相干疊加即可形成徑向偏振光束(如圖7c 所示)。圖7a c也表示以下物理過(guò)程調(diào)整貓眼腔激光器輸出y偏振TEMw模(如 圖7b所示)。將其分束后， 一束進(jìn)行90?？臻g旋轉(zhuǎn)，得到x偏振TEMm模(如圖7a 所示)。將兩束光進(jìn)行等光強(qiáng)調(diào)節(jié)和同相位調(diào)節(jié)后，再相干疊加即可形成徑向偏振 光束(如圖7c所示)。因此，以下每一組圖(三個(gè)子圖)都表示類似的兩個(gè)物理 過(guò)程。
同理，如圖7d f所示，調(diào)整貓眼腔激光器輸出y偏振TEMw模，如圖7d所 示。將其分束后， 一束進(jìn)行90?？臻g旋轉(zhuǎn)，得到x偏振TEMcn模(如圖7e所示)。 將兩束光進(jìn)行等光強(qiáng)調(diào)節(jié)和同相位調(diào)節(jié)后，再相干疊加即可形成切向偏振光束(如 圖7f所示)。這一組圖也表示調(diào)整貓眼腔激光器輸出x偏振TEMw模(如圖7e 所示)，再經(jīng)分束、90?？臻g旋轉(zhuǎn)、等光強(qiáng)調(diào)節(jié)、同相位調(diào)節(jié)、相干疊加形成切向 偏振光束(如圖7f所示)。
在如圖7a c所示的物理過(guò)程中，若將同相位調(diào)節(jié)改為反相位調(diào)節(jié)(如圖7g i所示)，則產(chǎn)生另一種矢量光束(如圖7i所示)。在如圖7d f所示的物理過(guò)程中，若將同相位調(diào)節(jié)改為反相位調(diào)節(jié)(如圖7j l所示)，則產(chǎn)生另一種矢量光束(如圖71所示)。
圖8為基于TEMu模產(chǎn)生多種矢量光束的原理示意圖。圖8a c表示的物理過(guò) 程為調(diào)節(jié)貓眼腔鏡13內(nèi)凹面反射鏡11和凸透鏡12的間距及貓眼腔鏡13的位 姿，使貓眼腔激光器輸出x偏振TEMu模(如圖8a所示)。將x偏振TEMu模分束后， 其中一束光進(jìn)行90?？臻g旋轉(zhuǎn)，得到y(tǒng)偏振TEMu模。將兩束光進(jìn)行等光強(qiáng)調(diào)節(jié)和 同相位調(diào)節(jié)后(如圖8b所示)，再相干疊加，產(chǎn)生一線偏振矢量光束(如圖8c所 示)。圖8a c也可以表示以下物理過(guò)程調(diào)節(jié)貓眼腔鏡13內(nèi)凹面反射鏡11和凸 透鏡12的間距及貓眼腔鏡13的位姿，使貓眼腔激光器1輸出y偏振TEMu模(如 圖8b所示)。將y偏振TEMn模分束后，其中一束光進(jìn)行90?？臻g旋轉(zhuǎn)，得到x偏 振TEMu模。將兩束光進(jìn)行等光強(qiáng)調(diào)節(jié)和同相位調(diào)節(jié)后(如圖8a所示)，再相干疊 加，產(chǎn)生一特殊線偏振矢量光束(如圖8c所示)。
如果在如圖8a c所示的物理過(guò)程中，將同相位調(diào)節(jié)改為反相位調(diào)節(jié)(如圖 8d f所示)，則產(chǎn)生另一種特殊線偏振矢量光束(如圖8f所示)。
如果在如圖8a c所示的物理過(guò)程中，將同相位調(diào)節(jié)改為調(diào)節(jié)y偏振光束的 相位滯后x偏振光束兀/2 (如圖8g i所示)，則產(chǎn)生特殊左旋圓偏振矢量光束(如 圖8i所示)。
如果在如圖8a c所示的物理過(guò)程中，將同相位調(diào)節(jié)改為調(diào)節(jié)y偏振光束的 相位超前x偏振光束:i/2 (如圖8j 1所示)，則產(chǎn)生特殊右旋圓偏振矢量光束(如 圖81所示)。
在圖7和圖8的舉例中，兩束光的相干疊加都是等光強(qiáng)疊加。如果兩束光非 等光強(qiáng)，則會(huì)產(chǎn)生更為復(fù)雜和豐富的矢量光束。例如，如果圖8a c所示過(guò)程中 相干疊加的兩光束(如圖8a和圖8b)的光強(qiáng)不等，則其合成矢量光束圖8c中偏 振方向?qū)⒉辉偈莾A斜45。，而是其他角度。又如，如果圖8g i所示過(guò)程中相干疊 加的兩光束(如圖8g和圖8h)的光強(qiáng)不等，則其合成矢量光束圖8i中各點(diǎn)偏振 態(tài)將不再是圓偏振光，而是橢圓偏振光。
雖然已經(jīng)詳細(xì)示出了本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例，但是應(yīng)當(dāng)明白，本領(lǐng)域的技術(shù)人員 可以想到對(duì)這些實(shí)施例的修改和調(diào)整，這些修改和調(diào)整均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1、一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于，它包括一用于輸出多種橫模的貓眼腔激光器和一激光干涉部分；所述貓眼腔激光器包括一作為腔鏡的貓眼逆向器；所述激光干涉部分至少包括一分束器、兩反射鏡、一光束旋轉(zhuǎn)組件、一相位調(diào)節(jié)組件和一光束合成器件；所述分束器將所述貓眼腔激光器輸出的橫模分成兩路光束；所述兩反射鏡分別位于所述分束器分出的兩束光路上，將兩束光的傳播方向改變后匯聚于一點(diǎn)；所述光束旋轉(zhuǎn)組件位于所述兩束光路之一，將該光路上光束的偏振方向和光強(qiáng)分布同時(shí)旋轉(zhuǎn)90°；所述相位調(diào)節(jié)組件位于所述兩束光路之一，調(diào)節(jié)兩束光的相位差；所述光束合成器件位于兩束光的交匯處，將兩束光相干疊加產(chǎn)生矢量光束并輸出。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于所述貓 眼逆向器包括共軸的一凹面反射鏡和一凸透鏡或透鏡組，凹面反射鏡的曲率半徑 與凸透鏡或透鏡組的焦距相等，凹面反射鏡位于凸透鏡或透鏡組的焦平面附近， 且兩鏡間距可微調(diào)以便產(chǎn)生多種激光橫模。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于所述激 光干涉部分還包括擴(kuò)束器和光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件中的至少一個(gè)，所述擴(kuò)束器位于所述貓 眼腔激光器與分束器之間，所述光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件由兩偏振片，或由一偏振片和一半 波片構(gòu)成，所述光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件位于經(jīng)所述分束器分出的兩光路之一上。
4、 如權(quán)利要求2所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于所述激 光干涉部分還包括擴(kuò)束器和光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件中的至少一個(gè)，所述擴(kuò)束器位于所述貓 眼腔激光器與分束器之間，所述光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件由兩偏振片，或由一偏振片和一半 波片構(gòu)成，所述光強(qiáng)調(diào)節(jié)組件位于經(jīng)所述分束器分出的兩光路之一上。
5、 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征 在于系統(tǒng)還包括一分束器和一橫模監(jiān)測(cè)部分，所述分束器設(shè)置在貓眼腔激光器 與激光干涉部分之間，將貓眼腔激光器出射的光束分為兩束； 一束進(jìn)入激光干涉 部分，另一束進(jìn)入所述橫模監(jiān)測(cè)部分。
6、 如權(quán)利要求5所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于所述橫 模監(jiān)測(cè)部分包括一分束器，所述分束器將入射光分為兩束光，其中一束光通過(guò)一 凹透鏡或凸透鏡，成像在一白屏上；另一束光通過(guò)一掃描干涉儀上的光電探測(cè)器， 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出給一示波器，所述示波器顯示光束的頻譜圖。
7、 如權(quán)利要求1或2或3或4或6所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于所述光束旋轉(zhuǎn)組件是一道威棱鏡，該道威棱鏡中全反射面的法幾與道 威棱鏡的入射光束垂直，并且與道威棱鏡入射光束的線偏振方向成45。角。
8、 如權(quán)利要求5所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于所述光 束旋轉(zhuǎn)組件是一道威棱鏡，該道威棱鏡中全反射面的法線與道威棱鏡的入射光束垂直，并且與道威棱鏡入射光束的線偏振方向成45。角。
9、 如權(quán)利要求1或2或3或4或6所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其 特征在于所述光束旋轉(zhuǎn)組件與其所在光路的反射鏡被同時(shí)具有這兩個(gè)功能的一個(gè)組件代替。
10、 如權(quán)利要求5所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于所述光束旋轉(zhuǎn)組件與其所在光路的反射鏡被同時(shí)具有這兩個(gè)功能的一個(gè)組件代替。
11、 如權(quán)利要求9所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于所述 同時(shí)具有光束旋轉(zhuǎn)組件和反射鏡兩個(gè)功能的一個(gè)組件是一由兩個(gè)45。入射角的反射鏡構(gòu)成的90。扭轉(zhuǎn)潛望鏡；作為補(bǔ)償，另一光路中同時(shí)加入一個(gè)非扭轉(zhuǎn)的潛望鏡。
12、 如權(quán)利要求10所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于所述 同時(shí)具有光束旋轉(zhuǎn)組件和反射鏡兩個(gè)功能的一個(gè)組件是一由兩個(gè)45。入射角的反射鏡構(gòu)成的90。扭轉(zhuǎn)潛望鏡；作為補(bǔ)償，另一光路中同時(shí)加入一個(gè)非扭轉(zhuǎn)的潛望鏡。
13、 如權(quán)利要求1或2或3或4或6或8或10或11或12所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于所述相位調(diào)節(jié)組件由兩個(gè)相同光學(xué)平片或平板組成，兩平片或平板構(gòu)成一個(gè)v字，光束先后以相同入射角穿過(guò)兩平片或平板，兩平片或平板夾角可調(diào)以實(shí)現(xiàn)相位連續(xù)調(diào)節(jié)，兩個(gè)平片或平板相互補(bǔ)償以避免光束偏移o
14、 如權(quán)利要求5所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于所述相位調(diào)節(jié)組件由兩個(gè)相同光學(xué)平片或平板組成，兩平片或平板構(gòu)成一個(gè)v字，光束先后以相同入射角穿過(guò)兩平片或平板，兩平片或平板夾角可調(diào)以實(shí)現(xiàn)相位連續(xù) 調(diào)節(jié)，兩個(gè)平片或平板相互補(bǔ)償以避免光束偏移。
15、 如權(quán)利要求7所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于所述相位調(diào)節(jié)組件由兩個(gè)相同光學(xué)平片或平板組成，兩平片或平板構(gòu)成一個(gè)v字，光束先后以相同入射角穿過(guò)兩平片或平板，兩平片或平板夾角可調(diào)以實(shí)現(xiàn)相位連續(xù) 調(diào)節(jié)，兩個(gè)平片或平板相互補(bǔ)償以避免光束偏移。
16、 如權(quán)利要求9所述的一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，其特征在于所述相位調(diào)節(jié)組件由兩個(gè)相同光學(xué)平片或平板組成，兩平片或平板構(gòu)成一個(gè)v字，光束先后以相同入射角穿過(guò)兩平片或平板，兩平片或平板夾角可調(diào)以實(shí)現(xiàn)相位連續(xù) 調(diào)節(jié)，兩個(gè)平片或平板相互補(bǔ)償以避免光束偏移。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)，特別是提出了一種無(wú)需特殊器件、成本低、轉(zhuǎn)換效率高、易于實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)生多種矢量光束的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括一貓眼腔激光器和一激光干涉部分。貓眼腔激光器用于輸出多種橫模，其結(jié)構(gòu)包括一個(gè)由一凹面反射鏡和一凸透鏡或透鏡組構(gòu)成的貓眼逆向器作為腔鏡；激光干涉部分用于將貓眼腔激光器輸出的光束經(jīng)分束、反射、光束旋轉(zhuǎn)與合成相干等產(chǎn)生多種矢量光束。通過(guò)貓眼逆向器內(nèi)凹面反射鏡和凸透鏡或透鏡組的間距調(diào)節(jié)，以及分束后兩光束的相位調(diào)節(jié)和強(qiáng)度調(diào)節(jié)，可產(chǎn)生多種矢量光束。本發(fā)明僅利用一個(gè)系統(tǒng)即可產(chǎn)生多種不同的矢量光束，可廣泛應(yīng)用于光學(xué)操縱、光學(xué)成像、信息傳輸、量子光學(xué)、激光加工等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B27/28GK101614878SQ20091009026
公開(kāi)日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
發(fā)明者張書練, 胡朝暉, 賈惠波 申請(qǐng)人:清華大學(xué)