基于徑向偏振分光棱鏡的徑向偏振光束生成裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光電技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于徑向偏振分光棱鏡的生成徑向偏振 光束的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 因?yàn)閺较蚱窆馐哂休S對(duì)稱(chēng)的偏振結(jié)構(gòu)和中空的強(qiáng)度分布，所W使它在一些科 學(xué)研究和工程技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。特別是徑向偏振光束，由于其在高數(shù)值孔徑透 鏡聚焦下，聚焦光斑可突破衍射極限，并且在焦點(diǎn)附近具有很強(qiáng)的縱向電場(chǎng)分量。2003年德 國(guó)的R.Dorn等在化ysics Review Letters上報(bào)道了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于徑向偏振光可W 得到小于〇.16λ2的聚焦光斑（小于線(xiàn)偏振光束的極限聚焦光斑0.26λ2)。目前，徑向偏振光 束在帶電微粒加速、粒子捕獲、生物醫(yī)學(xué)、高分辨率成像技術(shù)和激光加工等領(lǐng)域的應(yīng)用已被 大量報(bào)道。
[0003] 目前，徑向偏振光束的生成方法仍然是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。產(chǎn)生徑向偏振光束的 方法可W分為兩類(lèi):腔內(nèi)法和腔外轉(zhuǎn)化法，前者類(lèi)似于制作一個(gè)生成徑向偏振光束的激光 器;后者則是將激光器出射的光束進(jìn)行變換產(chǎn)生徑向偏振光束。目前主要采用的腔外轉(zhuǎn)化 方法有相干合成技術(shù)、空間偏振轉(zhuǎn)化器件等方法。常見(jiàn)的空間偏振轉(zhuǎn)化器件有組合半波片、 亞波長(zhǎng)光柵和液晶偏振轉(zhuǎn)化器件。上述空間偏振轉(zhuǎn)化器件為不連續(xù)器件，優(yōu)點(diǎn)是加工方便 靈活可生成高階徑向偏振光束，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)化效率不高和生成徑向偏振光束的純度不高。
[0004] 因此，需要一種能夠提高純度和轉(zhuǎn)化效率的徑向偏振光束生成裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于徑向偏振分光棱鏡的生成徑向偏振光束的裝置， 包括:激光光源、四分之一波片、激光擴(kuò)束鏡、螺旋相位片、徑向偏振分光棱鏡、偏振片、透鏡 和CCD相機(jī);從激光光源出射水平偏振光，經(jīng)過(guò)快軸水平放置的四分之一波片后轉(zhuǎn)化成圓偏 振光束，所述圓偏振光束經(jīng)過(guò)激光擴(kuò)束鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直后垂直入射到所述螺旋相位片的中屯、， 出射螺旋光束，垂直入射到所述徑向偏振分光棱鏡的中屯、，出射光束即為徑向偏振光束;所 述徑向偏振分光棱鏡和透鏡之間放置一個(gè)用于檢測(cè)徑向偏振光束的所述偏振片，通過(guò)所述 透鏡后用所述CCD相機(jī)進(jìn)行光強(qiáng)分布的檢測(cè)。
[0006] 優(yōu)選地，所述徑向偏振分光棱鏡包括一個(gè)平凸軸錐鏡和一個(gè)平凹軸錐鏡。
[0007] 優(yōu)選地，所述平凸軸錐鏡和平凹軸錐鏡為兩個(gè)頂角為90°的互補(bǔ)軸錐鏡。
[000引優(yōu)選地，所述平凸軸錐鏡的錐面鍛有偏振分光膜。
[0009]優(yōu)選地，所述平凸軸錐鏡和平凹軸錐鏡的材料為烙石英Κ9或ZF玻璃。
[0010 ]優(yōu)選地，所述徑向偏振光束可W表示為：
[0011]
[001^ 其中Φ是方位角。
[0013] 優(yōu)選地，所述徑向偏振分光棱鏡可表示為如下瓊斯矩陣形式：
[0014]
[0015] 應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋?zhuān)⒉粦?yīng)當(dāng) 用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下 描述得W闡明，其中：
[0017] 圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的基于徑向偏振分光棱鏡的生成徑向偏振光束的裝置 的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2(a)示意性示出了徑向偏振分光棱鏡的縱剖結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖2(b)示意性示出了徑向偏振分光棱鏡的Ξ維立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖3是生成一階徑向偏振光束的光強(qiáng)分布和經(jīng)過(guò)檢偏器后的光強(qiáng)分布示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 圖1示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的基于徑向偏振分光棱鏡的生成徑向偏振光束的裝 置100。由圖1所示，所述裝置100包括:激光光源101、四分之一波片102、激光擴(kuò)束鏡103、螺 旋相位片104、徑向偏振分光棱鏡105、偏振片106、透鏡107和CCD相機(jī)108。從激光光源101出 射的水平偏振光經(jīng)過(guò)快軸水平放置的四分之一波片102后轉(zhuǎn)化成圓偏振光束，圓偏振光經(jīng) 過(guò)激光擴(kuò)束鏡103擴(kuò)束準(zhǔn)直后垂直入射到一階螺旋相位片104的中屯、，出射的一階螺旋光束 垂直入射到徑向偏振分光棱鏡105的中屯、，出射光束即為一階徑向偏振光束，為了檢測(cè)徑向 偏振光束，徑向偏振分光棱鏡105和透鏡107之間放置一個(gè)偏振片106，通過(guò)透鏡107后用CCD 相機(jī)108進(jìn)行光強(qiáng)分布的檢測(cè)。
[0022] 圖2示意性示出了徑向偏振分光棱鏡105的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(a)示意性示出了徑向 偏振分光棱鏡的縱剖結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(b)示意性示出了徑向偏振分光棱鏡的Ξ維立體結(jié)構(gòu) 示意圖。
[0023] 如圖2(a)所示，徑向偏振分光棱鏡105由兩個(gè)頂角為90°的互補(bǔ)軸錐鏡(一個(gè)平凸 軸錐鏡1051和一個(gè)平凹軸錐鏡1052)作為基質(zhì)制作而成，材料為烙石英K9或ZF玻璃，其中平 凸軸錐鏡1051的錐面鍛有偏振分光膜。通過(guò)光學(xué)膠1053將兩個(gè)軸錐鏡的錐面膠合成一個(gè)器 件，兩個(gè)軸錐鏡的平面都鍛有增透膜。
[0024] 下面，采用瓊斯矢量和瓊斯矩陣對(duì)生成過(guò)程進(jìn)行描述。瓊斯矢量和瓊斯矩陣是分 析偏振光束和偏振光學(xué)元件時(shí)廣泛使用的一種數(shù)學(xué)工具，在瓊斯矢量中，沿Z軸傳播的光束 的電場(chǎng)分解為X分量和y分量，并用一個(gè)列向量來(lái)表示。此外，光學(xué)元件可W表示為一個(gè)2 X 2 矩陣軸對(duì)稱(chēng)偏振分布
[0025] 根據(jù)矢量光束的定義，其偏振分布可W表示為：
[0026]
(1)
[0027]其中Φ ο是初始偏振方向，而Φ是方位角，m是徑向偏振光束的階數(shù)，也被稱(chēng)作偏振 拓?fù)浜?。?dāng)m = 0時(shí)，上述瓊斯矢量不再表示矢量光束，而表示偏振方向與X軸的夾角為斬的 線(xiàn)偏振光，可表不為：
[0035] 因此，可W用一束拓?fù)浜?軌道角量子數(shù))為-1的螺旋光束來(lái)入射到徑向偏振分光 棱鏡后，其透射光束為徑向偏振光束。其生成過(guò)程可用下面的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述：
[0036]
(技）
[0037] 實(shí)施例：
[0038] 首先，根據(jù)激光光源的輸出激光的波長(zhǎng)和帶寬制作不同波長(zhǎng)的徑向偏振分光棱 鏡，具體實(shí)施方案為在軸錐鏡的錐面和平面上鍛上相應(yīng)波長(zhǎng)和帶寬的偏振分光膜和增透 膜。下面W線(xiàn)偏振輸出的Nd:YAG固體激光光源為例來(lái)描述用徑向偏振分光棱鏡生成徑向偏 振光束的過(guò)程：
[0039] 從Nd:YAG固體激光光源輸出的1064nm的水平方向線(xiàn)偏振激光光源經(jīng)過(guò)激光擴(kuò)束 鏡的擴(kuò)束準(zhǔn)之后再經(jīng)過(guò)快軸方向水平的四分之一波片和螺旋相位片后，出射光束為右旋偏 振的螺旋光束，然后將其垂直入射到徑向偏振分光棱鏡的中屯、，經(jīng)過(guò)徑向偏振分光棱鏡的 光束再經(jīng)過(guò)一個(gè)透鏡，出射光束就是徑向偏振光束，其光強(qiáng)分布成環(huán)狀。
[0040] 為了檢測(cè)出射光束為徑向偏振光束，可用CCD相機(jī)和旋轉(zhuǎn)的徑向偏振分光棱鏡觀 測(cè)光強(qiáng)分布的變化來(lái)確定，圖3是生成一階徑向偏振光束的光強(qiáng)分布和經(jīng)過(guò)檢偏器后的光 強(qiáng)分布示意圖。其規(guī)律為，經(jīng)過(guò)徑向偏振分光棱鏡的光強(qiáng)圖樣分裂成兩瓣，隨著徑向偏振分 光棱鏡的旋轉(zhuǎn)，光強(qiáng)圖像隨之旋轉(zhuǎn)，并且與徑向偏振分光棱鏡的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)速度保持一 致。
[0041] 通過(guò)本發(fā)明的基于徑向偏振分光棱鏡的生成徑向偏振光束的裝置，其中采用了一 對(duì)互補(bǔ)軸錐鏡制作徑向偏振分光棱鏡，設(shè)計(jì)成連續(xù)型空間偏振轉(zhuǎn)化器件，用其將圓偏振的 螺旋光束轉(zhuǎn)化成徑向偏振光束，基于器件的連續(xù)性，可在生成徑向偏振光束的純度和效率 上有很大的突破，特別是純度很高，理論上可W達(dá)到100%。用徑向偏振分光棱鏡可W將入 射的圓偏振螺旋光束轉(zhuǎn)化成高純度的一階徑向偏振光束，由于徑向偏振分光棱鏡可W使用 于很寬的激光波段，所W徑向偏振分光棱鏡是理想用于生成寬波段徑向偏振光束的消色差 空間偏振轉(zhuǎn)化器件。適用于將飛秒激光、超連續(xù)譜光源、超巧光光源轉(zhuǎn)化成徑向偏振光束。 另外，該徑向偏振分光棱鏡經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改造后可W生成雙環(huán)結(jié)構(gòu)的徑向偏振光束，此類(lèi)光 束在光捏和高分辨率成像領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
[0042] 結(jié)合運(yùn)里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員 都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均 由權(quán)利要求所限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于徑向偏振分光棱鏡的徑向偏振光束的裝置，包括： 激光光源、四分之一波片、激光擴(kuò)束鏡、螺旋相位片、徑向偏振分光棱鏡、偏振片、透鏡 和CCD相機(jī)； 從激光光源出射水平偏振光，經(jīng)過(guò)快軸水平放置的四分之一波片后轉(zhuǎn)化成圓偏振光 束，所述圓偏振光束經(jīng)過(guò)激光擴(kuò)束鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直后垂直入射到所述螺旋相位片的中心，出射 螺旋光束，垂直入射到所述徑向偏振分光棱鏡的中心，出射光束即為徑向偏振光束； 所述徑向偏振分光棱鏡和透鏡之間放置一個(gè)用于檢測(cè)徑向偏振光束的所述偏振片，通 過(guò)所述透鏡后用所述CCD相機(jī)進(jìn)行光強(qiáng)分布的檢測(cè)。2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，所述徑向偏振分光棱鏡包括一個(gè)平凸軸錐鏡和一個(gè)平凹 軸錐鏡。3. 如權(quán)利要求2所述的裝置，所述平凸軸錐鏡和平凹軸錐鏡為兩個(gè)頂角為90°的互補(bǔ)軸 錐鏡。4. 如權(quán)利要求2或3所述的裝置，所述平凸軸錐鏡的錐面鍍有偏振分光膜。5. 如權(quán)利要求2或3所述的裝置，所述平凸軸錐鏡和平凹軸錐鏡的材料為熔石英K9或ZF 玻璃。6. 如權(quán)利要求1所述的裝置，所述徑向偏振光束可以表示為：其中Φ是方位角。 7 ·如權(quán)利要求1所述的裝? ·斷試怒向偏垢令I(lǐng)結(jié)培可串采％加下瓊斯矩陣形式：
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種基于徑向偏振分光棱鏡的生成徑向偏振光束的裝置，包括：激光光源、四分之一波片、激光擴(kuò)束鏡、螺旋相位片、徑向偏振分光棱鏡、偏振片、透鏡和CCD相機(jī)；從激光光源出射水平偏振光，經(jīng)過(guò)快軸水平放置的四分之一波片后轉(zhuǎn)化成圓偏振光束，所述圓偏振光束經(jīng)過(guò)激光擴(kuò)束鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直后垂直入射到所述螺旋相位片的中心，出射螺旋光束，垂直入射到所述徑向偏振分光棱鏡的中心，出射光束即為徑向偏振光束；所述徑向偏振分光棱鏡和透鏡之間放置一個(gè)用于檢測(cè)徑向偏振光束的所述偏振片，通過(guò)所述透鏡后用所述CCD相機(jī)進(jìn)行光強(qiáng)分布的檢測(cè)。
【IPC分類(lèi)】G02B27/28
【公開(kāi)號(hào)】CN105629495
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610212716
【發(fā)明人】辛璟燾, 祝連慶, 孟闊, 婁小平, 董明利, 劉鋒, 莊煒
【申請(qǐng)人】北京信息科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2016年4月7日