CN109491097B - 一种基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法，该方法包括以下步骤：步骤1，选择旋光晶体，根据环境温度T、待转换的线偏振激光波长λ以及旋光晶体的旋光率α，设计螺旋结构晶体元件；步骤2，配做与螺旋结构晶体元件折射率相同的反向螺旋元件；步骤3，将螺旋结构晶体元件上表面与反向螺旋元件的下表面进行胶合；步骤4，将线偏振激光沿偏振旋转元件的z轴方向入射，并使偏振激光光斑的中心点与偏振旋转元件底面中心同轴，通过调节偏振激光的偏振方向与偏振旋转元件x方向的夹角，获得所需的轴对称矢量光束。本发明元件少，可利用单个元件实现径向、角向以及任意轴对称矢量光束，调节简单。

Description

一种基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法

技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及一种基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法。

背景技术

偏振呈轴对称分布的矢量光束因其特殊的空间偏振分布广受关注，紧聚焦的轴对称矢量光束具有超越衍射极限的聚焦半径以及可调节的焦斑形态，在激光加工、信息存储、显微成像、表面等离激元调控、光学捕获与操控、粒子加速等领域有着重要的应用。

产生轴对称矢量光束的方法主要分为有源法和无源法：有源法是在激光腔内通过添加偏振选择元件产生的矢量光束的方法，具有较好的光束质量及较高的效率，但是激光腔内元件调节困难，灵活性较低；无源法是在激光器腔外实现偏振转换，通过光束干涉、空间分区相位延迟器、空间可变亚波长光栅、液晶器件、空间光调制器等方法产生轴对称矢量光束。这些方法通常需要多个转换元件，转换效率较低，且元件的损伤阈值较低，无法应用于高功率激光系统，产生高强度的轴对称矢量光束。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法，本发明利用螺旋型旋光晶体元件，将激光器输出的线性偏振光在空间不同角度进行旋转，从而生成具有高转换效率、高功率的轴对称矢量偏振光束。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，选择旋光晶体，根据环境温度T、待转换的线偏振激光波长λ以及旋光晶体的旋光率α，设计螺旋结构晶体元件：建立笛卡尔坐标系，以旋光晶体的光轴为z轴，在垂直于z轴平面内，x轴与y轴相互垂直，在此基础上，定义矢量在x-y平面的投影与x轴正向沿逆时针的夹角为θ₁，加工旋光晶体为螺旋结构晶体元件，所述螺旋结构晶体元件的底面为圆形，半径为r₁，侧面上任一点坐标满足x₁ ²+y₁ ²＝r₁ ²；上表面上的点坐标方位角为θ₁时，螺旋结构晶体元件的厚度为d＝kθ₁+d₀，其中k＝1/α，d₀为θ₁＝0时螺旋结构晶体元件的厚度，满足d₀＞0，对应的方位角为θ₁的入射光通过该位置后偏振旋转的角度φ₀＝α·z₀；

步骤2，配做与螺旋结构晶体元件折射率相同的反向螺旋元件，所述反向螺旋元件的上表面为圆形，半径为r₂；侧面上任一点坐标满足x₂ ²+y₂ ²＝r₂ ²；下表面上的点坐标方位角为θ₂时，反向螺旋元件的厚度为d'＝-kθ₂+d₁，其中k＝1/α，d₁为θ₂＝0时反向螺旋元件的高度，满足d₁＞360/α，其中d1是theta_2＝0时反向螺旋元件的高度，

步骤3，将螺旋结构晶体元件上表面与反向螺旋元件的下表面进行胶合，保证螺旋结构晶体元件中θ₁与反向螺旋元件中θ₂相同的位置对齐，制得偏振旋转元件，所述偏振旋转元件为圆柱体结构，底面半径为r₃，所述r₁＝r₂＝r₃，圆柱体的高度h＝d₀+d₁；

步骤4，将线偏振激光沿偏振旋转元件的z轴方向入射，并使偏振激光光斑的中心点与偏振旋转元件底面中心同轴，通过调节偏振激光的偏振方向与偏振旋转元件x方向的夹角，获得所需的轴对称矢量光束。

所述螺旋结构晶体元件为中空柱体结构，即将螺旋结构晶体元件x²+y²＜δ²的部分去掉，所述中空柱体结构满足x²+y²＜δ²，x、y分别为该中空柱体结构外圆上任一点的坐标值，所述δ小于r₁*2％，δ为不影响轴对称矢量光束结构的值，需根据轴对称矢量光束强度分布确定，应小于轴对称矢量光束中空部分的半径，一般小于螺旋结果晶体元件底面半径r₁的2％。

在所述线偏振激光和偏振旋转元件之间设置偏振片，所述偏振片与偏振旋转元件同轴设置。

所述步骤1中旋光晶体为石英晶体。

所述步骤2中反向螺旋元件为石英玻璃。

所述步骤1中旋光晶体室温下沿旋光晶体光轴方向旋光率的塞米尔方程为：

其中λ的单位为μm，α的单位为°/mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.功率高，选择具有高损伤阈值的旋光晶体材料可以实现高功率的轴对称矢量光束的输出。例如石英晶体损伤阈值可达10J/cm²(@1053nm)

2.效率高，该方法无衍射及干涉过程，产生轴对称矢量光束效率较高。

3.元件少，可利用单个元件实现径向、角向以及任意轴对称矢量光束，调节简单。

4.易加工，旋光晶体材料加工螺旋形结构，晶体厚度在毫米量级，易于加工，例如λ＝1053nm时利用石英晶体制作偏振旋转元件，晶体厚度约为57～65mm。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中螺旋结构晶体元件的结构示意图。

图2为本发明中反向螺旋元件的结构示意图。

图3为本发明中偏振旋转元件的结构示意图。

图4为本发明中线偏振光转换为轴对称矢量光束的结构示意图。

图5为本发明中获得的轴对称矢量光束偏振分布示意图。

图6为本发明中实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

如图1-图5所示，本实施例基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，选择旋光晶体，根据环境温度T、待转换的线偏振激光波长λ以及旋光晶体的旋光率α，设计螺旋结构晶体元件1：建立笛卡尔坐标系，以旋光晶体的光轴为z轴，在垂直于z轴平面内，x轴与y轴相互垂直，在此基础上，定义矢量在x-y平面的投影与x轴正向沿逆时针的夹角为θ₁，加工旋光晶体为螺旋结构晶体元件1，所述螺旋结构晶体元件1的底面为圆形，半径为r₁，侧面上任一点坐标满足x₁ ²+y₁ ²＝r₁ ²；上表面上的点坐标方位角为θ₁时，螺旋结构晶体元件1的厚度为d＝kθ₁+d₀，其中k＝1/α，d₀为θ₁＝0时螺旋结构晶体元件1的厚度，满足d₀＞0，对应的方位角为θ₁的入射光通过该位置后偏振旋转的角度φ₀＝α·z₀；

步骤2，配做与螺旋结构晶体元件1折射率相同的反向螺旋元件2，所述反向螺旋元件2的上表面为圆形，半径为r₂；侧面上任一点坐标满足x₂ ²+y₂ ²＝r₂ ²；下表面上的点坐标方位角为θ₂时，反向螺旋元件2的厚度为d'＝-kθ₂+d₁，其中k＝1/α，d₁为θ₂＝0时反向螺旋元件2的高度，满足d₁＞360/α；

步骤3，将螺旋结构晶体元件1上表面与反向螺旋元件2的下表面进行胶合，保证螺旋结构晶体元件1中θ₁与反向螺旋元件2中θ₂相同的位置对齐，制得偏振旋转元件3，所述偏振旋转元件3为圆柱体结构，底面半径为r₃，所述r₁＝r₂＝r₃，圆柱体的高度h＝d₀+d₁；

步骤4，将线偏振激光4沿偏振旋转元件3的z轴方向入射，并使偏振激光4光斑的中心点与偏振旋转元件3底面中心同轴，通过调节偏振激光4的偏振方向与偏振旋转元件3x方向的夹角，获得所需的轴对称矢量光束5。

作为优选，本实施例所述螺旋结构晶体元件1为中空柱体结构，所述中空柱体结构满足x²+y²＜δ²，x、y分别为该中空柱体结构外圆上任一点的坐标值，所述δ小于r₁*2％。

作为进一步优选，本实施例在所述线偏振激光4和偏振旋转元件3之间设置偏振片6，所述偏振片6与偏振旋转元件3同轴设置。

作为进一步优选，本实施例所述步骤1中旋光晶体为石英晶体。

作为进一步优选，本实施例所述步骤2中反向螺旋元件为石英玻璃。

作为更进一步优选，本实施例所述步骤1中旋光晶体室温下沿旋光晶体光轴方向旋光率的塞米尔方程为：

其中λ的单位为μm，α的单位为°/mm。

如图5所示，所需的轴对称矢量光束在截面上任意一点偏振方向与径向的夹角为

调整线偏振方向与x方向的夹角

在这一参数条件下，线偏振光经过偏振旋转元件后，光束截面方位角为θ处的光电场偏振转动为

产生的轴对称矢量光束在截面上任意一点偏振方向与径向的夹角为

例如

时，偏正旋转元件将线偏振光转换为径向偏振光

γ＝90°-φ₀时，偏正旋转元件将线偏振光转换为角向偏振光

本实施例中θ、θ₁、θ₂，都是定义矢量在x-y平面的投影与x轴正向沿逆时针的夹角

实施例2

本实施例在所述线偏振激光4和偏振旋转元件3之间设置偏振片6，所述偏振片6与偏振旋转元件3同轴设置。其余技术方案均同实施例1。

尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (3)

1.一种基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，选择旋光晶体，根据环境温度T、待转换的线偏振激光波长λ以及旋光晶体的旋光率α，设计螺旋结构晶体元件(1)：建立笛卡尔坐标系，以旋光晶体的光轴为z轴，在垂直于z轴平面内，x轴与y轴相互垂直，在此基础上，定义矢量在x-y平面的投影与x轴正向沿逆时针的夹角为θ₁，加工旋光晶体为螺旋结构晶体元件(1)，所述螺旋结构晶体元件(1)的底面为圆形，半径为r₁，侧面上任一点坐标满足

上表面上的点坐标方位角为θ₁时，螺旋结构晶体元件(1)的厚度为d＝kθ₁+d₀，其中k＝1/α，d₀为θ₁＝0时螺旋结构晶体元件(1)的厚度，满足d₀＞0，对应的方位角为θ₁的入射光通过该位置后偏振旋转的角度φ₀＝α·z₀，所述步骤1中旋光晶体为石英晶体；

步骤2，配做与螺旋结构晶体元件(1)折射率相同的反向螺旋元件(2)，所述反向螺旋元件(2)的上表面为圆形，半径为r₂；侧面上任一点坐标满足

下表面上的点坐标方位角为θ₂时，反向螺旋元件(2)的厚度为d′＝-kθ₂+d₁，其中k＝1/α，d₁为θ₂＝0时反向螺旋元件(2)的高度，满足d₁＞360/α，所述步骤2中反向螺旋元件为石英玻璃；

步骤3，将螺旋结构晶体元件(1)上表面与反向螺旋元件(2)的下表面进行胶合，保证螺旋结构晶体元件(1)中θ₁与反向螺旋元件(2)中θ₂相同的位置对齐，制得偏振旋转元件(3)，所述偏振旋转元件(3)为圆柱体结构，底面半径为r₃，所述r₁＝r₂＝r₃，圆柱体的高度h＝d₀+d₁；

步骤4，将线偏振激光(4)沿偏振旋转元件(3)的z轴方向入射，并使线 偏振激光(4)光斑的中心点与偏振旋转元件(3)底面中心同轴，通过调节线 偏振激光(4)的偏振方向与偏振旋转元件(3)x方向的夹角，获得所需的轴对称矢量光束(5)，在所述线偏振激光(4)和偏振旋转元件(3)之间设置偏振片(6)，所述偏振片(6)与偏振旋转元件(3)同轴设置。

2.根据权利要求1所述的基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法，其特征在于，所述螺旋结构晶体元件(1)为中空柱体结构，所述中空柱体结构满足x²+y²＜δ²，x、y分别为该中空柱体结构外圆上任一点的坐标值，所述δ小于r₁*2％。

3.根据权利要求1所述的基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法，其特征在于，所述步骤1中旋光晶体室温下沿旋光晶体光轴方向旋光率的塞米尔方程为：

其中λ的单位为μm，α的单位为°/mm。

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