偏振转换器、矢量光束生成系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种偏振转换器、矢量光束生成系统及方法，该偏振转换器包括：多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅；其中，所述多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅的光栅周期相同，光栅刻槽的取向相同；通过按预设条件设定所述所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将入射至所述偏振转换器的偏振空间均匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不均匀的矢量光束。本发明专利技术实施例能够简化偏振转换器的设计和制作，使得偏振转换器具有更高的能量转换效率，并且生成的矢量光束的偏振纯度更高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学
，特别涉及一种。技术背景近年来，随着研究与应用的不断深入，调控光束的偏振态以产生具有空间不均匀 偏振分布的偏振光束引起了学术界的极大关注，成为光学领域的一个研究热点。这种具有 空间不均勻偏振分布的偏振光束被称为矢量光束(Vector beams)。通过有目的地调控光场 空间的偏振态将产生一些新的光学现象或效应，并因此扩展和增强传统光学仪器与系统的 性能，如实现光学超分辨、进行微小粒子捕获、提高材料加工效率和质量等。现有技术中的生成矢量光束的方法根据生成方法是否涉及增益媒质分为有源方 法和无源方法两大类。其中，有源方法通常是直接在激光腔内加入特定偏振模式选择器件 直接输出不同类型的矢量光束；无源方法则是在激光腔外利用特定设计的光学器件和系统 或利用干涉结构通过不同模式叠加，将偏振空间均匀的光束转换为偏振空间不均匀的矢量 光束。专利技术人发现，现有技术中的方法多数只能生成单一波长或较短波段范围的矢量光束， 无法灵活地应用在宽波段的光学系统中。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，实现在较宽 波段内灵活地将线偏振光转换为不同偏振分布的矢量光束。本专利技术实施例提供一种偏振转换器，包括多个等面积且呈扇形状的分块亚波长 介质光栅；其中，所述多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅的光栅周期相同，光栅刻槽的 取向相同；通过按预设条件设定所述所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向， 将入射至所述偏振转换器的偏振空间均匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不 均匀的矢量光束。本专利技术实施例还提供一种矢量光束生成系统，包括激光器，用于发出激光束；滤波系统，用于将所述激光束进行滤波，准直透镜，用于将所述滤波后的激光束准直为平行光束；扩束系统，用于将所述平行光束调整成适当大小的光斑；偏振片,用于将所述光斑转换为偏振空间均勻的线偏振光,所述线偏振光的方向 由所述偏振片的通光方向确定；偏振转换器，用于将入射的所述线偏振光转换为偏振空间不均匀的矢量光束；其中，通过调整所述激光器发出的所述激光束并按预设条件设定所述偏振转换器 上的所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将入射至所述偏振转换器的偏振 空间均匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不均匀的矢量光束。本专利技术实施例还提供一种矢量光束生成方法，包括通过激光器发出激光束；通过滤波系统将所述激光束进行滤波，通过准直透镜将所述滤波后的激光束准直为平行光束；通过扩束系统将所述平行光束调整成适当大小的光斑；通过偏振片将所述光斑转换为偏振空间均勻的线偏振光,所述线偏振光的方向由所述偏振片的通光方向确定；通过偏振转换器将入射的所述线偏振光转换为偏振空间不均匀的矢量光束；其中，通过调整所述激光器发出的所述激光束并按预设条件设定所述偏振转换器上的所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将入射至所述偏振转换器的偏振空间均匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不均匀的矢量光束。本专利技术提供的，通过由多个分块的亚波长介质光栅组成并且每一块光栅刻槽的周期和方向都相同，通过灵活改变不同分块光栅在空间的分布形式，可以在较宽波段内灵活地将线偏振光转换为不同偏振分布的矢量光束，从而简化了偏振转换器的设计和制作，使得偏振转换器具有更高的能量转换效率，并且生成的矢量光束的偏振纯度更高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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为本专利技术实施例中所述的亚波长介质光栅的结构示意图2为本专利技术偏振转换器一个实施例的结构示意图3为根据图2所示实施例设计的共振区亚波长介质光栅的相位延迟随入射激光波长的变化曲线示意图4为根据图2所示实施例偏振转换器的空间角度的示意图5为根据图2所示实施例生成光束的偏振纯度随着器件相对分块数的变化曲线.-^4 ，图6为本专利技术矢量光束生成系统一个实施例的结构不意图7为本专利技术矢量光束生成方法一个实施例的流程示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术`实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术实施例中所述的亚波长介质光栅的结构示意图，其中光栅基底材料的折射率为n3，光栅材料折射率为Ii1，填充材料的折射率为n2，覆盖层材料的折射率为％，该覆盖层通常为空气，即n0=1.0 ;光栅周期为d，介质光栅的刻槽宽度为d1，则d1/d称为介质光栅的占空比在为光栅刻槽方向矢量，k为入射光束的波矢，且将入射光束分解为振动方向与入射面垂直的TE分量和振动方向与入射面平行的TM分量。对于一介质光栅，若光栅周期d小于入射光的波长λ，则此情况下称该光栅为亚波长介质光栅。基于等效介质膜理论(effective medium theory,简称为EMT),该亚波长介质光栅可看做是具有形式双折射特性的介质薄膜，光束在其中传播时分解为振动方向垂直的两束线偏振光，在图1所示的情况下，这两束线偏振光的方向分别沿着TE分量和TM分量的振动方向，其对应的等效折射率不同，并分别定义为nTE和nTM。通过控制光栅周期及占空比可调控该亚波长介质光栅形式双折射的特性，即调控该介质薄膜的等效折射率nTE和nTM。在共振区内，即dλ=1~1.0 的情况下，该等效介质薄膜的等效双折射率差为Δn=nTM-nTE，且该等效双折射率差Δ n与入射光的波长λ有密切关系，特别是当光栅周期d与入射光的波长λ接近时。基于这一特性，本专利技术实施例提出了一种偏振转换器，该偏振转换器基于亚波长介质光栅的π相位延迟器(即半波片)，并且该偏振转换器在一个较宽波段内都基本上具有相同的相位延迟。此时，本专利技术实施例中的偏振转换器在该波段内满足如下等式(1-1)关系2π/λ*Δn(λ)h=π (1-1)其中，h为介质光栅的刻槽深度；Δn( λ)是某一波长对应的等效折射率差，并且 Δn(λ)与介质光栅的结构以及所用的介质材料有密切关系，例如，光栅周期d，光栅的刻槽占空比屯/d,介质折射率nQ、Iipn2和n3。图2为本专利技术宽波段消色偏差偏振转换器一个实施例的结构示意图；如图2所示， 本专利技术实施例包括多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅(如图2中的介质光栅1、介质光栅2、…、介质光栅m、…、介质光栅η),本领域技术人员可以理解的是,本专利技术实施例以多个分块亚波长介质光栅具体为η个为例进行示例性说明。其中，多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅的光栅周期相同，光栅刻槽的取向相同；通过按设定条件设定所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将入射至偏振转换器的偏振空间均匀的入射线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不均匀的矢量光束。其中，图2中的X轴表示入射线偏振光的振动方向。本专利技术实施例提供的偏振转换器，通过由多个分块的亚波长介质光栅组成并且每一块光栅刻槽的周期和方向都相同，通过灵活改变不同分块光栅在空间的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种偏振转换器，其特征在于，所述偏振转换器包括：多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅；其中，所述多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅的光栅周期相同，光栅刻槽的取向相同；通过按预设条件设定所述所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将入射至所述偏振转换器的偏振空间均匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不均匀的矢量光束。

【技术特征摘要】
1.一种偏振转换器，其特征在于，所述偏振转换器包括多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅；其中， 所述多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅的光栅周期相同，光栅刻槽的取向相同；通过按预设条件设定所述所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将入射至所述偏振转换器的偏振空间均匀的线偏振光转换为多种不同形式的偏振空间不均匀的矢量光束。2.根据权利要求1所述的偏振转换器，在所述多个等面积且呈扇形状的分块亚波长介质光栅中的每一个扇形区域中，所述扇形区域的角平分线与所述入射线偏振光的第一振动方向所成的夹角为Θ，所述光栅刻槽的法线与所述第一振动方向所成的夹角为Φ，则所述入射线偏光透过所述扇形区域的光栅的第二振动方向满足等式Φ =2ΧΦ=ΡΧ Θ，其中，P为生成的矢量光束的偏振级次。3.根据权利要求1或2所述的偏振转换器，其特征在于，所述多个等面积呈扇形状的分块亚波长介质光栅为熔融石英，所述介质光栅在600纳米处的折射率为1. 458。4.根据权利要求3所述的偏振转换器，其特征在于，所述光栅周期为O.52微米，所述偏振转换器的占空比为O. 65，所述光栅刻槽的深度为5. 75微米。5.一种矢量光束生成系统，其特征在于，所述矢量光束生成系统包括 激光器，用于发出激光束； 滤波系统，用于将所述激光束进行滤波； 准直透镜，用于将所述滤波后的激光束准直为平行光束； 扩束系统，用于将所述平行光束调整成适当大小的光斑； 偏振片，用于将所述光斑转换为偏振空间均匀的线偏振光，所述线偏振光的方向由所述偏振片的通光方向确定； 偏振转换器，用于将入射的所述线偏振光转换为偏振空间不均匀的矢量光束； 其中，通过调整所述激光器发出的所述激光束并按预设条件设定所述偏振转换器上的所有分块亚波长介质光栅的光栅刻槽在空间的取向，将入射至所述偏振转换器的偏振空间均匀的线偏振光转换为多种不...

【专利技术属性】
技术研发人员：周哲海，谭峭峰，顾华荣，祝连庆，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，清华大学，
类型：发明
国别省市：