一種飛秒柱矢量光束的產(chǎn)生系統(tǒng)技術(shù)方案

本實用新型專利技術(shù)涉及一種飛秒柱矢量光束的產(chǎn)生系統(tǒng)，包括激發(fā)光源單元、偏振調(diào)制單元、奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元和偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元，奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元包括第一波片組調(diào)制單元和若干個第二波片組調(diào)制單元，偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元包括若干個第二波片組調(diào)制單元；第一波片組調(diào)制單元沿光路方向依次包括第一渦旋波片及第一半波片，第一渦旋波片的m值為1；第二波片組調(diào)制單元沿光路方向依次包括第二渦旋波片及第二半波片，第二渦旋波片的m值為2。本實用新型專利技術(shù)通過渦旋波片組合可將線偏振飛秒激光束調(diào)制為任意偏振階數(shù)的飛秒柱矢量光束，在飛秒加工、光通信、光鑷操控、表面增強拉曼散射研究等前沿領(lǐng)域具有重大意義。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)屬于光束調(diào)控
，特別涉及一種飛秒柱矢量光束的產(chǎn)生系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
近年來，柱矢量光束(Cylindrical Vector Beams，CVB)在顯微術(shù)、光刻及材料處理、表面等離激元光學、生物光子學、納米顆粒的操控和表征等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛在應用價值，CVB光束作為一種新型光束逐漸成為國內(nèi)外的研究熱點。飛秒激光具有獨特的超強與超快特性，其超強特性使我們能以較低的脈沖能量獲得極高的峰值光強，誘發(fā)燒蝕、雙光子吸收等現(xiàn)象，在醫(yī)學、超精細微加工、高密度信息儲存和記錄方面都有著很好的發(fā)展前景。在此基礎(chǔ)上將二者結(jié)合，利用飛秒激光器來實現(xiàn)飛秒CVB光源可以進一步觀測樣品的非線性效應，在雙光子熒光、二次諧波產(chǎn)生等方面都有重要的應用潛力。因此，高質(zhì)量飛秒CVB光束的產(chǎn)生，對進一步開展相關(guān)的研究具有重要的科學價值。已報道的CVB的產(chǎn)生方法有很多種，如組合半波片法，波列壓縮法，向列液晶法，雙折射晶體法，亞波長衍射光柵法，干涉疊加法，在激光腔內(nèi)插入特殊的光學孔徑，錐形的布魯斯特棱鏡或者錐透鏡，基于不連續(xù)位相元件的雙折射光束移位器件等。這些現(xiàn)有技術(shù)實用性強，但對于飛秒激光還是有一定的局限性。比如，組合半波片法受到各分塊邊緣的結(jié)合部分衍射效應的影響，從而產(chǎn)生偽偏振模式；亞波長衍射光柵法對加工精度有很高的要求，在可見光波段要求更加苛刻；向列液晶法只適用于低功率激光；干涉疊加法通過兩個正交線偏振光束TEM10和TEM01模式的疊加產(chǎn)生，因而需要嚴格地校準光路，并且對任何機械擾動非常敏感，穩(wěn)定性不好。另外，我們在前期工作中已采用過波列壓縮法產(chǎn)生高純度的CVB光束，利用螺旋位相片(Spiral Phase Plate)和一個徑向或者角向偏振選擇器來將線偏振光轉(zhuǎn)化為CVB光束，外加兩個半波片做偏振旋轉(zhuǎn)器可以實現(xiàn)任意偏振角度的CVB光束。然而，上述方法面臨的兩個共同問題：一是轉(zhuǎn)換效率低，產(chǎn)生CVB的能量利用率不超過50％；二是由于飛秒激光的一個重要特性是脈沖的高時間分辨，其脈沖長度在fs量級，用以上方法調(diào)制飛秒激光的過程中，由于產(chǎn)生過程中要反復經(jīng)過多重光學器件，因而造成光束頻譜展寬等色散問題，從而嚴重影響飛秒激光脈沖的峰值及時間分辨特性。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是，提供一種飛秒柱矢量光束的產(chǎn)生系統(tǒng)，實現(xiàn)利用飛秒激光產(chǎn)生高質(zhì)量的飛秒柱矢量光束。本技術(shù)是這樣實現(xiàn)的：一種飛秒柱矢量光束的產(chǎn)生系統(tǒng)，包括：激發(fā)光源單元，用于產(chǎn)生飛秒激光束；偏振調(diào)制單元，用于將所述飛秒激光束調(diào)制為線偏振飛秒激光束；所述系統(tǒng)還包括奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元和偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元；所述奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元包括第一波片組調(diào)制單元和若干個第二波片組調(diào)制單元；所述線偏振飛秒激光束經(jīng)過所述第一波片組調(diào)制單元，從而調(diào)制為1階飛秒柱矢量光束；所述第一波片組調(diào)制單元沿光路方向依次包括第一渦旋波片及第一半波片，所述第一渦旋波片的m值為1；所述1階飛秒柱矢量光束依次經(jīng)過所述奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元的各第二波片組調(diào)制單元，從而調(diào)制為奇數(shù)階飛秒柱矢量光束；所述第二波片組調(diào)制單元沿光路方向依次包括第二渦旋波片及第二半波片，所述第二渦旋波片的m值為2；所述第一渦旋波片和第二渦旋波片的快軸方向沿波片圓周連續(xù)旋轉(zhuǎn)；所述偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元包括若干個所述第二波片組調(diào)制單元；所述線偏振飛秒激光束依次經(jīng)過所述偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元的各第二波片組調(diào)制單元，從而調(diào)制為偶數(shù)階飛秒柱矢量光束。進一步地，當需要產(chǎn)生偏振方向沿逆時針變化的飛秒柱矢量光束時，沿光路最后一個第二波片組調(diào)制單元中的第二半波片保留；當需要產(chǎn)生偏振方向沿順時針變化的飛秒柱矢量光束時，沿光路最后一個第二波片組調(diào)制單元中的第二半波片去除。進一步地，所述第一渦旋波片和第二渦旋波片均為液晶半波片。進一步地，所述第一渦旋波片的快軸沿波片圓周旋轉(zhuǎn)一周時，快軸方向的角度改變π；所述第二渦旋波片的快軸沿波片圓周旋轉(zhuǎn)一周時，快軸方向的角度改變2π。進一步地，所述第一渦旋波片和各第二渦旋波片的快軸的起始方向一致。進一步地，第一渦旋波片的光軸與進入所述第一渦旋波片的光束的光軸重合；各第二渦旋波片的光軸與進入所述第二渦旋波片的光束的光軸重合。進一步地，所述激發(fā)光源單元為飛秒激光器，所述偏振調(diào)制單元為偏振片。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)通過快軸方向沿波片圓周連續(xù)變化的渦旋波片組合可調(diào)制產(chǎn)生任意偏振階數(shù)的高效率、高純度、高穩(wěn)定性的飛秒柱矢量光束，通過對渦旋波片的旋轉(zhuǎn)，還可進一步對光場進行新的調(diào)制，在飛秒加工、光通信、光鑷操控、表面增強拉曼散射研究等前沿領(lǐng)域具有重大意義。附圖說明圖1：本技術(shù)飛秒柱矢量光束的產(chǎn)生系統(tǒng)組成示意圖；圖2a：第一渦旋波片快軸方向示意圖；圖2b：第二渦旋波片快軸方向示意圖；圖2c：半波片快軸方向示意圖；圖3a：一階柱矢量光束偏振示意圖；圖3b：二階柱矢量光束偏振示意圖。具體實施方式為了使本技術(shù)的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本技術(shù)進行進一步詳細說明。本技術(shù)所涉及的原理如下：線偏振光的瓊斯矩陣可表示為：Ei＝[cosθ sinθ]T (1a)對于m階CVB的瓊斯矩陣可表示為：其中，θ表示入射線偏光的偏振方向與x軸的夾角，表示方位角，m表示產(chǎn)生CVB光束的階數(shù)，表示CVB內(nèi)部偏轉(zhuǎn)角度。這里渦旋波片的階數(shù)m與波片快軸沿圓周旋轉(zhuǎn)的圓周數(shù)p有關(guān)，其中m＝2p。假設(shè)m階渦旋波片的瓊斯矩陣表示為： M = A B C D - - - ( 2 ) ]]>為了產(chǎn)生m階的CVB光束，需要滿足：其中“±”表示m階CVB的偏振方向是沿順時針還是逆時針變化。一般來說，正交的入射光經(jīng)過渦旋波片后產(chǎn)生的CVB也還是正交的。因此，通過公式3可進一步將順時針變化的m階渦旋波片的瓊斯矩陣M表示為：逆時針方向變化的m階渦旋波片的瓊斯矩陣表示為：Mmc和Mma之間存在如下關(guān)系：Mma＝Mmc H0,其中H0表示快軸沿水平方向的半波片。為簡單起見，我們僅針對逆時針的情況展開詳細介紹，而對于順時針的情況只需在對應的位置添加半波片即可。理論上來說，利用具有公式4所示瓊斯矩陣的渦旋波片，我們就可以將線偏光轉(zhuǎn)換為對應階數(shù)的CVB。但是對于高階的渦旋波片存在設(shè)計和加工成本高等問題，幸運的是不同階數(shù)的渦旋波片瓊斯矩陣之間存在如下的關(guān)系：Mm＝Mm-nHMn(5a)M-m＝HMmH(5b)由以上公式可以發(fā)現(xiàn)：對于任一高階的渦旋偏振調(diào)制器件可以通過兩個低階的渦旋偏振調(diào)制器件聯(lián)合調(diào)制產(chǎn)生；另一方面，對于負數(shù)階渦旋偏振調(diào)制器可通過兩個半波片調(diào)制對應正數(shù)階渦旋偏振調(diào)制器產(chǎn)生。基于此，我們可以通過低階的渦旋偏振調(diào)制波片和半波片的組合來產(chǎn)生任本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種飛秒柱矢量光束的產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，包括：激發(fā)光源單元，用于產(chǎn)生飛秒激光束；偏振調(diào)制單元，用于將所述飛秒激光束調(diào)制為線偏振飛秒激光束；所述系統(tǒng)還包括奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元和偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元；所述奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元包括第一波片組調(diào)制單元和若干個第二波片組調(diào)制單元；所述線偏振飛秒激光束經(jīng)過所述第一波片組調(diào)制單元，從而調(diào)制為1階飛秒柱矢量光束；所述第一波片組調(diào)制單元沿光路方向依次包括第一渦旋波片及第一半波片，所述第一渦旋波片的m值為1；所述1階飛秒柱矢量光束依次經(jīng)過所述奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元的各第二波片組調(diào)制單元，從而調(diào)制為奇數(shù)階飛秒柱矢量光束；所述第二波片組調(diào)制單元沿光路方向依次包括第二渦旋波片及第二半波片，所述第二渦旋波片的m值為2；所述第一渦旋波片和第二渦旋波片的快軸方向沿波片圓周連續(xù)旋轉(zhuǎn)；所述偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元包括若干個所述第二波片組調(diào)制單元；所述線偏振飛秒激光束依次經(jīng)過所述偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元的各第二波片組調(diào)制單元，從而調(diào)制為偶數(shù)階飛秒柱矢量光束。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種飛秒柱矢量光束的產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于，包括：激發(fā)光源單元，用于產(chǎn)生飛秒激光束；偏振調(diào)制單元，用于將所述飛秒激光束調(diào)制為線偏振飛秒激光束；所述系統(tǒng)還包括奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元和偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元；所述奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元包括第一波片組調(diào)制單元和若干個第二波片組調(diào)制單元；所述線偏振飛秒激光束經(jīng)過所述第一波片組調(diào)制單元，從而調(diào)制為1階飛秒柱矢量光束；所述第一波片組調(diào)制單元沿光路方向依次包括第一渦旋波片及第一半波片，所述第一渦旋波片的m值為1；所述1階飛秒柱矢量光束依次經(jīng)過所述奇數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元的各第二波片組調(diào)制單元，從而調(diào)制為奇數(shù)階飛秒柱矢量光束；所述第二波片組調(diào)制單元沿光路方向依次包括第二渦旋波片及第二半波片，所述第二渦旋波片的m值為2；所述第一渦旋波片和第二渦旋波片的快軸方向沿波片圓周連續(xù)旋轉(zhuǎn)；所述偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元包括若干個所述第二波片組調(diào)制單元；所述線偏振飛秒激光束依次經(jīng)過所述偶數(shù)階飛秒柱矢量光束調(diào)制單元的各第二波片組調(diào)制...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：袁小聰，豆秀婕，閔長俊，翁曉羽，杜路平，張聿全，
申請(專利權(quán))人：深圳大學，
類型：新型
國別省市：廣東;44