一种飞秒柱矢量光束的产生系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种飞秒柱矢量光束的产生系统，包括激发光源单元、偏振调制单元、奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元和偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元，奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括第一波片组调制单元和若干个第二波片组调制单元，偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括若干个第二波片组调制单元；第一波片组调制单元沿光路方向依次包括第一涡旋波片及第一半波片，第一涡旋波片的m值为1；第二波片组调制单元沿光路方向依次包括第二涡旋波片及第二半波片，第二涡旋波片的m值为2。本发明通过涡旋波片组合可将线偏振飞秒激光束调制为任意偏振阶数的飞秒柱矢量光束，在飞秒加工、光通信、光镊操控、表面增强拉曼散射研究等前沿领域具有重大意义。
【专利说明】
-种飞秒柱矢量光束的产生系统
技术领域
[0001] 本发明属于光束调控技术领域，特别设及一种飞秒柱矢量光束的产生系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，柱矢量光束(切Iimlrical Vector Beams,CVB)在显微术、光刻及材料处 理、表面等离激元光学、生物光子学、纳米颗粒的操控和表征等领域展现出巨大的潜在应用 价值，CVB光束作为一种新型光束逐渐成为国内外的研究热点。飞秒激光具有独特的超强与 超快特性，其超强特性使我们能W较低的脉冲能量获得极高的峰值光强，诱发烧蚀、双光子 吸收等现象，在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。 在此基础上将二者结合，利用飞秒激光器来实现飞秒CVB光源可W进一步观测样品的非线 性效应，在双光子巧光、二次谐波产生等方面都有重要的应用潜力。因此，高质量飞秒CVB光 束的产生，对进一步开展相关的研究具有重要的科学价值。
[0003] 已报道的CVB的产生方法有很多种，如组合半波片法，波列压缩法，向列液晶法，双 折射晶体法，亚波长衍射光栅法，干设叠加法，在激光腔内插入特殊的光学孔径，锥形的布 鲁斯特棱镜或者锥透镜，基于不连续位相元件的双折射光束移位器件等。运些现有技术实 用性强，但对于飞秒激光还是有一定的局限性。比如，组合半波片法受到各分块边缘的结合 部分衍射效应的影响，从而产生伪偏振模式;亚波长衍射光栅法对加工精度有很高的要求， 在可见光波段要求更加苛刻；向列液晶法只适用于低功率激光;干设叠加法通过两个正交 线偏振光束TEMlO和TEMOl模式的叠加产生，因而需要严格地校准光路，并且对任何机械扰 动非常敏感，稳定性不好。另外，我们在前期工作中已采用过波列压缩法产生高纯度的CVB 光束，利用螺旋位相片（Spiral Phase Plate)和一个径向或者角向偏振选择器来将线偏振 光转化为CVB光束，外加两个半波片做偏振旋转器可W实现任意偏振角度的CVB光束。然而， 上述方法面临的两个共同问题:一是转换效率低，产生CVB的能量利用率不超过50%;二是 由于飞秒激光的一个重要特性是脉冲的高时间分辨，其脉冲长度在fs量级，用W上方法调 制飞秒激光的过程中，由于产生过程中要反复经过多重光学器件，因而造成光束频谱展宽 等色散问题，从而严重影响飞秒激光脉冲的峰值及时间分辨特性。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种飞秒柱矢量光束的产生系统，实现利用 飞秒激光产生高质量的飞秒柱矢量光束。本发明是运样实现的：
[0005] -种飞秒柱矢量光束的产生系统，包括：
[0006] 激发光源单元，用于产生飞秒激光束；
[0007] 偏振调制单元，用于将所述飞秒激光束调制为线偏振飞秒激光束；
[000引所述系统还包括奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元和偶数阶飞秒柱矢量光束调制 单元；
[0009]所述奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括第一波片组调制单元和若干个第二波 片组调制单元；
[0010] 所述线偏振飞秒激光束经过所述第一波片组调制单元，从而调制为1阶飞秒柱矢 量光束;所述第一波片组调制单元沿光路方向依次包括第一满旋波片及第一半波片，所述 第一满旋波片的m值为1;
[0011] 所述1阶飞秒柱矢量光束依次经过所述奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元的各第二 波片组调制单元，从而调制为奇数阶飞秒柱矢量光束;所述第二波片组调制单元沿光路方 向依次包括第二满旋波片及第二半波片，所述第二满旋波片的m值为2;
[0012] 所述第一满旋波片和第二满旋波片的快轴方向沿波片圆周连续旋转；
[0013] 所述偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括若干个所述第二波片组调制单元；
[0014] 所述线偏振飞秒激光束依次经过所述偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元的各第二 波片组调制单元，从而调制为偶数阶飞秒柱矢量光束。
[0015] 进一步地，当需要产生偏振方向沿逆时针变化的飞秒柱矢量光束时，沿光路最后 一个第二波片组调制单元中的第二半波片保留；当需要产生偏振方向沿顺时针变化的飞秒 柱矢量光束时，沿光路最后一个第二波片组调制单元中的第二半波片去除。
[0016] 进一步地，所述第一满旋波片和第二满旋波片均为液晶半波片。
[0017] 进一步地，所述第一满旋波片的快轴沿波片圆周旋转一周时，快轴方向的角度改 变n;所述第二满旋波片的快轴沿波片圆周旋转一周时，快轴方向的角度改变化。
[0018] 进一步地，所述第一满旋波片和各第二满旋波片的快轴的起始方向一致。
[0019] 进一步地，第一满旋波片的光轴与进入所述第一满旋波片的光束的光轴重合;各 第二满旋波片的光轴与进入所述第二满旋波片的光束的光轴重合。
[0020] 进一步地，所述激发光源单元为飞秒激光器，所述偏振调制单元为偏振片。
[0021] 与现有技术相比，本发明通过快轴方向沿波片圆周连续变化的满旋波片组合可调 制产生任意偏振阶数的高效率、高纯度、高稳定性的飞秒柱矢量光束，通过对满旋波片的旋 转，还可进一步对光场进行新的调制，在飞秒加工、光通信、光綴操控、表面增强拉曼散射研 究等前沿领域具有重大意义。
【附图说明】
[0022] 图1:本发明飞秒柱矢量光束的产生系统组成示意图；
[0023] 图2a:第一满旋波片快轴方向示意图；
[0024] 图化:第二满旋波片快轴方向示意图；
[0025] 图2c:半波片快轴方向示意图；
[00%]图3a: -阶柱矢量光束偏振示意图；
[0027] 图3b:二阶柱矢量光束偏振示意图。
【具体实施方式】
[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。
[0029] 本发明所设及的原理如下：
[0030] 线偏振光的琼斯矩阵可表示为：
[0031] Ei=[cos0 sin目]T (la)
[0032] 对于m阶CVB的谅斯矩阵可表示为：
[0033]
(化)
[0034] 其中，9表不入射线偏光的偏振方向与X轴的夹角，疗表不方位角，m表不产生CVB光 束的阶数，辦表示CVB内部偏转角度。运里满旋波片的阶数m与波片快轴沿圆周旋转的圆周 数贿关，其中m = 2p。
[0035] 假设m阶满旋波片的琼斯矩阵表示为：
[0036] (2)
[0037] 为了产生m阶的CVB光束，需要满足：
[00；3 引 (3)
[0039] 其中"±"表示m阶CVB的偏振方向是沿顺时针还是逆时针变化。一般来说，正交的 入射光经过满旋波片后产生的CVB也还是正交的。因此，通过公式3可进一步将顺时针变化 的m阶稱施奶片的谅斯巧陈M亲元九，
[0040] (4a)
[0041 ] 巨阵表示为：
[0042] 化）
[00创 和Mm3之间存在如下关系:= 曲，其中Ho表示快轴沿水平方向的半波片。
[0044] 为简单起见，我们仅针对逆时针的情况展开详细介绍，而对于顺时针的情况只需 在对应的位置添加半波片即可。理论上来说，利用具有公式4所示琼斯矩阵的满旋波片，我 们就可W将线偏光转换为对应阶数的CVB。但是对于高阶的满旋波片存在设计和加工成本 高等问题，幸运的是不同阶数的满旋波片琼斯矩阵之间存在如下的关系：
[0045] Mm = Mm-nHMn 巧a)
[0046] M-m=HMmH(5b)
[0047] 由W上公式可W发现:对于任一高阶的满旋偏振调制器件可W通过两个低阶的满 旋偏振调制器件联合调制产生；另一方面，对于负数阶满旋偏振调制器可通过两个半波片 调制对应正数阶满旋偏振调制器产生。
[004引基于此，我们可W通过低阶的满旋偏振调制波片和半波片的组合来产生任意高阶 的CVB光束。基于公式5(a)，任意高阶的CVB光束可W通过一阶和二阶满旋波片来产生，基于 公式5(b)，对于负数阶CVB可W通过在对应正数阶CVB后加半波片产生。本专利中所用到的 一阶和二阶满旋波片的快轴方向如附图2曰、图化所示。
[0049]本发明的基本原理是，先通过偏振调制单元将产生的飞秒激光束调制为线偏振飞 秒激光束，然后再通过满旋波片组合将线偏振飞秒激光束调制为所需偏振阶数(简称阶数） 的飞秒柱矢量光束。本发明所采用的满旋波片(包括第一满旋波片和第二满旋波片)是一种 快轴方向沿波片圆周连续旋转液晶半波片，其激光透过率高达95% W上。通过该满旋波片 的组合调制入射的线偏振飞秒激光束的径向偏振和方位角偏振，可产生高效率、高纯度的 飞秒柱矢量光束。
[0050] 本发明提供的飞秒柱矢量光束的产生系统用于产生任意阶的飞秒柱矢量光束，结 合图1所示，对该系统的主要部件说明如下：
[0051] 系统首先包括激发光源单元1和偏振调制单元2。激发光源单元1用于产生飞秒激 光束，偏振调制单元2用于将飞秒激光束调制为线偏振飞秒激光束。激发光源单元1采用飞 秒激光器，偏振调制单元2采用偏振片。
[0052] 系统还包括奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元和偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元。 线偏振飞秒激光束经分束器3分束后，一路进入奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元，另一路进 入偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元。
[0053] 奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括第一波片组调制单元5和若干个第二波片组 调制单元4。
[0054] 线偏振飞秒激光束经过第一波片组调制单元5,经第一波片组调制单元5调制为1 阶飞秒柱矢量光束。具体地，第一波片组调制单元5沿光路方向依次包括第一满旋波片501 及第一半波片502。第一满旋波片501的m值(m代表阶数)为1，其快轴沿波片圆周旋转一周 时，快轴方向的角度改变n，可用于调制入射柱矢量光束的阶数，使其阶数加1或减1。线偏振 飞秒激光束通过第一满旋波片501调制后，形成1阶飞秒柱矢量光束。第一半波片502改变1 阶飞秒柱矢量光束的偏振方向的变化方向，使之成为偏振方向沿逆时针变化的飞秒柱矢量 光束。经第一半波片502调制后的1阶飞秒柱矢量光束经一反射镜6反射后，依次经过奇数阶 飞秒柱矢量光束调制单元的各第二波片组调制单元4,每经过一个第二波片组调制单元4， 飞秒柱矢量光束的阶数增加2,经若干个第二波片组调制单元4依次调制后，得到奇数阶飞 秒柱矢量光束。具体地，m阶(m = 2x+l)飞秒柱矢量光束可由1个第一波片组调制单元5和X个 第二波片组调制单元4调制产生。
[0055] 第二波片组调制单元4沿光路方向依次包括第二满旋波片401及第二半波片402， 第二满旋波片401的m值(m代表阶数)为2,其快轴沿波片圆周旋转一周时，快轴方向的角度 改变化，可用于调制入射柱矢量光束的阶数，使其阶数加2或减2,由此，1阶飞秒柱矢量光束 经过若干个第二波片组调制单元4调制后得到奇数阶飞秒柱矢量光束。
[0056] 偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括若干个前述的第二波片组调制单元4。线偏 振飞秒激光束依次经过偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元的各第二波片组调制单元4,每经 过一个第二波片组调制单元4,飞秒柱矢量光束的阶数增加2,经若干个第二波片组调制单 元4依次调制后，得到偶数阶飞秒柱矢量光束。具体地，n阶(n = 2x)飞秒柱矢量光束可由X个 第二波片组调制单元4调制产生。
[0057] 由上述可知，根据需要产生的飞秒柱矢量光束的阶数可确定出本系统的基本光束 调制结构，即需要多少个第一波片组调制单元5和第二波片组调制单元4。
[0058] 利用本发明，只要通过旋转调节偏振片或满旋波片的方向，就可W实现在不改变 其阶数的前提下获得飞秒柱矢量光束偏振方向的连续变化。图2a、2b及2c分别是第一满旋 波片501、第二满旋波片401和半波片快轴方向分布示意图。当线偏振光束经过波片后，偏振 方向将发生20的改变，其中0为入射线偏光偏振方向与波片快轴间的夹角。图3a及3b分别是 线偏振光束经一阶满旋波片产生一阶柱矢量光束、及线偏振光束经第二满旋波片401产生 二阶柱矢量光束示意图。需要注意的是，在调制过程中，各满旋波片(包括第一满旋波片501 和第二满旋波片401)需要同轴调制，其中满旋波片快轴的起始方向保持一致，即第一满旋 波片501和各第二满旋波片401的快轴的起始方向一致，第一满旋波片501的光轴与进入第 一满旋波片501的光束的光轴重合，各第二满旋波片401的光轴与进入第二满旋波片401的 光束的光轴重合。
[0059] 还需注意的是，由于每个第二波片组调制单元4中的第二半波片402是用于调制经 该第二波片组调制单元4的第二满旋波片401输出的飞秒柱矢量光束的偏振方向的变化方 向（由沿顺时针方向变化调制为沿逆时针方向变化，或由沿逆时针方向变化调制为沿顺时 针方向变化）的，因此，当需要产生偏振方向沿顺时针变化的飞秒柱矢量光束(本文中定义 为正数阶飞秒柱矢量光束)时，沿光路最后一个第二波片组调制单元4中的第二半波片402 应当去除，因为从最后一个第二波片组调制单元4的第二满旋波片401输出的飞秒柱矢量光 束的偏振方向就是沿顺时针变化的，不需要再进行调制。当需要产生偏振方向沿逆时针变 化的飞秒柱矢量光束(本文中定义为负数阶飞秒柱矢量光束)时，沿光路最后一个第二波片 组调制单元4中的第二半波片402才需保留，W将从最后一个第二波片组调制单元4的第二 满旋波片401输出的飞秒柱矢量光束的偏振方向的变化方向由沿顺时针变化调整为沿逆时 针变化。
[0060] 本发明还可对飞秒柱矢量光束进行降阶调制。例如：l(l=m-n)阶飞秒柱矢量光束 可由m阶柱矢量光束依次经n个第一满旋波片501调制产生。
[0061] W上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种飞秒柱矢量光束的产生系统，其特征在于，包括： 激发光源单元，用于产生飞秒激光束； 偏振调制单元，用于将所述飞秒激光束调制为线偏振飞秒激光束； 所述系统还包括奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元和偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元； 所述奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括第一波片组调制单元和若干个第二波片组 调制单元； 所述线偏振飞秒激光束经过所述第一波片组调制单元，从而调制为1阶飞秒柱矢量光 束;所述第一波片组调制单元沿光路方向依次包括第一涡旋波片及第一半波片，所述第一 涡旋波片的m值为1; 所述1阶飞秒柱矢量光束依次经过所述奇数阶飞秒柱矢量光束调制单元的各第二波片 组调制单元，从而调制为奇数阶飞秒柱矢量光束;所述第二波片组调制单元沿光路方向依 次包括第二涡旋波片及第二半波片，所述第二涡旋波片的m值为2; 所述第一涡旋波片和第二涡旋波片的快轴方向沿波片圆周连续旋转； 所述偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元包括若干个所述第二波片组调制单元； 所述线偏振飞秒激光束依次经过所述偶数阶飞秒柱矢量光束调制单元的各第二波片 组调制单元，从而调制为偶数阶飞秒柱矢量光束。2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，当需要产生偏振方向沿逆时针变化的飞秒柱 矢量光束时，沿光路最后一个第二波片组调制单元中的第二半波片保留；当需要产生偏振 方向沿顺时针变化的飞秒柱矢量光束时，沿光路最后一个第二波片组调制单元中的第二半 波片去除。3. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一涡旋波片和第二涡旋波片均为液晶 半波片。4. 如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一涡旋波片的快轴沿波片圆周旋转一 周时，快轴方向的角度改变^所述第二涡旋波片的快轴沿波片圆周旋转一周时，快轴方向 的角度改变231。5. 如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一涡旋波片和各第二涡旋波片的快轴 的起始方向一致。6. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，第一涡旋波片的光轴与进入所述第一涡旋波 片的光束的光轴重合;各第二涡旋波片的光轴与进入所述第二涡旋波片的光束的光轴重 合。7. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激发光源单元为飞秒激光器，所述偏振 调制单元为偏振片。
【文档编号】G02B27/09GK105954880SQ201610420550
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】袁小聪, 豆秀婕, 闵长俊, 翁晓羽, 杜路平, 张聿全
【申请人】深圳大学