一种基于单个分光棱镜产生非均匀偏振光束的方法及装置与流程

本发明属于光电技术领域，涉及一种利用单个分光棱镜和相位图生成非均匀偏振光束的方法及装置。

背景技术：

偏振是光波的一种基本属性。常见的均匀偏振光束主要包括线偏振、圆偏振、椭圆偏振光束。近年来，作为均匀偏振光束的一个扩展和应用，非均匀偏振光束逐渐成为光学领域的一个研究热点。特殊的空间偏振态分布使其在紧聚焦时具有极强的纵向分量、超小的光斑尺寸等特点，这在基础科学和工程应用中，包括激光加工、光学微操纵、高密度数据存储、超分辨率成像等，具有巨大的应用价值。

迄今，非均匀偏振光场的生成方法既可以通过设计激光器的谐振腔，使其直接输出非均匀偏振光束；也可以在激光腔外生成，激光腔外的生成方法主要分为两大类，即直接法和间接法。直接法指通过设计偏振转换元件，利用偏振转换元件将均匀偏振光束直接变为非均匀偏振光束。常见的偏振转换元件包括扭曲向列液晶、亚波长光栅、组合的半波片、超表面等。间接法指使经过相位和偏振调制的两均匀偏振光束同轴叠加生成非均匀偏振光束，也称干涉法。

采用直接法产生非均匀偏振光束，需要借助特殊工艺加工的光学元件，光学元件加工定型之后只能产生特定偏振分布的非均匀偏振光束，降低了灵活性。采用干涉法生成非均匀偏振光束，具有很高的灵活性，可以方便地产生任意非均匀偏振光束。现有的间接法主要依靠空间光调制器实现非均匀偏振光束的实时可控。然而，空间光调制器上需要加载计算全息图，反(透)射光会产生多个衍射级次，严重降低了非均匀偏振光束的产生效率。针对间接法产生效率的问题，本发明提出一种具有更高效率的非均匀偏振光束产生方法及装置。

技术实现要素：

要解决的技术问题

针对现有技术的不足之处，本发明提出一种基于单个分光棱镜产生非均匀偏振光束的方法及装置，所用相位图可以制成相位板或替代计算全息图直接显示在空间光调制器上，消除计算全息图产生的无关衍射级次。该方法所用的光学元器件更少，光束叠加的同轴性调节更容易，具有更高的产生效率。

技术方案

本发明解决其技术问题所采用的技术方案，其特征在于包括光源1，半波片2，消偏振分光棱镜3，分光系统4，四分之一波片9。

所述光源1可以为氦氖激光器，氩离子激光器，半导体激光器及纳秒、皮秒、飞秒脉冲激光器等。

所述半波片2的作用是改变激光器输出光束的偏振方向。

所述消偏振分光棱镜3的作用是使分光系统4返回的光束与入射光束分离。

所述的分光系统4包括偏振分光棱镜5，反射镜6，半波片7和相位图8：偏振分光棱镜5的作用是将入射光束分成偏振方向正交的两束线偏振光束；反射镜6的作用是改变偏振分光棱镜5反射光束的方向使其与偏振分光棱镜5透射光束的方向平行；半波片7的作用是改变光束的偏振方向；相位图8的作用是给光束加载相位信息。

所述四分之一波片9的作用是使偏振方向正交的两束线偏振光转化为两束旋向相反的圆偏振光。

附图说明

附图1为本发明的光路结构示意图；图中，1-光源，2-半波片，3-消偏振分光棱镜，4-分光系统，5-偏振分光棱镜，6-反射镜，7-半波片，8-相位图，9-四分之一波片。

附图2为本发明附图1中分光系统4的一种变形示意图；图中，1-分光棱镜，2，3-偏振片，4-相位图。

附图3为相位分布沿角向变化的相位图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明，以下实施例是对本发明的解释，是本发明的一种应用形式，本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

本发明提出产生非均匀偏振光束的方法如图1所示，光源1发出的线偏振光束，经过半波片2，其偏振方向可以任意改变，进入分光系统4，再由偏振分光棱镜5分成两束偏振方向正交的线偏振光束：p分量和s分量。p分量直接经相位图8反射，s分量经反射镜6反射后，经过半波片7后变成偏振方向与水平方向夹角为45°的线偏振光束，经相位图8反射后再一次经过半波片7，变成竖直偏振光束，此时，p分量和s分量再经偏振分光棱镜5合并，通过消偏振分光棱镜3反射，经四分之一波片9后分别转化为左旋和右旋圆偏振光束，即为本发明产生的非均匀偏振光束。

实施例2：

分光系统4也可以由图2所示光路结构替代，光束进入消偏振分光棱镜1，由分光棱镜分为透射光束和反射光束，透射光束和反射光束相互平行，透射光束经偏振片2变成偏振方向与水平方向夹角为135°的线偏振光束，反射光束经过偏振片3变成偏振方向与水平方向夹角为45°的线偏振光束，两光束经相位图4反射后再经消偏振分光棱镜1合并。

实施例3：

图3所示为相位分布沿角向变化的相位图，入射光束通过分光系统4中的偏振分光棱镜5和反射镜6后分成偏振方向正交的两束平行光，经相位图反射后携带相应的相位信息。最后，消偏振分光棱镜3反射后的叠加光束通过四分之一波片9后即转换为局部偏振方向沿角向变化的非均匀偏振光束，其偏振分布可以写成琼斯矩阵：[cosδ,sinδ]^t，局部线偏振的偏振方向取决于相位图的相位分布δ。上面采用的琼斯矩阵也可以表示任意的非均匀偏振光束。例如相位分布沿径向变化的相位图产生的局部偏振方向沿着径向变化的非均匀偏振光束；相位分布沿径向和角向同时变化的相位图产生的局部偏振方向沿着径向和角向同时变化的非均匀偏振光束。

技术特征：

技术总结
本发明属于光电技术领域，涉及一种利用单个分光棱镜和相位图生成非均匀偏振光束的方法及装置，其特征在于：在光源的输出轴上引入一分光系统，消偏振分光棱镜使分光系统调制后的返回光后与入射光分离,通过四分之一波片后转化成任意非均匀偏振光束。在分光系统中，引入相位图替代传统的计算全息图以消除无关的衍射级次，提高非均匀偏振光束的产生效率。本发明所提出的装置，所用光学元件较少，光路结构的同轴性调节简单，可以方便高效的生成任意偏振分布的非均匀偏振光束。

技术研发人员：赵建林;章毅;李鹏;马超杰;刘圣;韩磊;程华超
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2017.03.30
技术公布日：2017.08.18