CN107976821B - 一种线偏振光到径向偏振光的光学转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种线偏振光到径向偏振光的光学转换器，包括：依次设置的线偏振光激光源，半波片，偏振转换***，对称半螺旋式相位补偿器，π相位跃迁片；所述偏振转换***用于对光的偏振方向进行零到180度旋转,包括：两片快轴方向正交的四分之一波片和放置在两者之间的对称半螺旋式相位调制器，且对称半螺旋式相位调制器的快轴方向与两个四分之一波片的快轴方向夹角为45度；半波片，用于调节从线偏振光激光源出射的线偏振激光的偏振方向，使其与对称半螺旋式相位调制器的对称轴平行；对称半螺旋式相位补偿器，用于补偿偏振转换***引起的整体空间相移；π相位跃迁片用于对特定光束部分的偏振方向反转180度。
Description
技术领域
本发明涉及激光电子加速以及光束匀滑技术，尤其涉及一种线偏振光到径向偏振光的光学转换器。
背景技术
径向偏振光的产生方法很多，但基本上可以分成腔内法和腔外法。腔内法主要是指在激光器的谐振腔内加入某些特殊光学元器件，产生径向偏振光。利用腔外法获取径向偏振光的方法，主要有组合波片型，液晶型、光栅型器件，或利用旋光效应、模式相干等方法产生。但是受材料损伤阈值，晶体尺寸，或加工成本及效率等因素的影响，目前的径向偏振转换器主要适用在低功率情况，且存在结构不紧凑，通光孔径小(～10mm)等问题，这些均不利于径向偏振光在激光核聚变等方面的应用。
螺旋曲面相位调制器也被提出用于产生径向偏振光，并有望很好地解决上述问题，但是受下列因素限制，目前尚无法有效地通过螺旋曲面相位调制器获取径向偏振光，一种是利用晶体双折射效应设计的螺旋曲面相位调制器，这种不连续、不闭合面型很难通过光学精密机械加工获得，多采用高精度刻蚀方法进行，但是刻蚀方法的加工效率极低，造成加工时间成本太高，对于批量化生产及大尺寸器件的加工非常不利，特别是对于双折射率很小的晶体材料，需要加工的深度更大，则情况更为严重；另一种是采用各向同性的光刻胶进行光程延迟，而光刻胶类材料的光学性能一般不如晶体材料的优越，无法应用于高功率、高透过率的情况。
发明内容
本发明的目的在于针对螺旋曲面型相位调制器的上述问题，提出通过采用对称半螺旋式相位调制器将线偏振光转换为径向偏振光。该径向偏振转换器克服了原螺旋曲面相位调制器面型不连续、不闭和的问题，使可以通过切、削等光学精密机械加工的办法获得此径向偏振转换器，从而大大节约了加工成本，使可以获得大尺寸，高损伤阈值，结构简单，稳定可靠的径向偏振转换器件。
一种线偏振光到径向偏振光的光学转换器，包括从线偏振激光光源输出的线偏振激光经过同轴的偏振转换***、对称半螺旋式相位补偿器、π相位跃迁片；所述偏振转换***、π相位跃迁片依次设置；
所述偏振转换***用于对光的偏振方向进行零到180度旋转；其包括两片四分之一波片和夹在两四分之一波片之间的对称半螺旋式相位调制器，所述两片四分之一波片快轴方向呈正交，对称半螺旋式相位调制器的快轴方向与两个四分之一波片的快轴方向夹角为45度；
所述对称半螺旋式相位补偿器用于补偿偏振转换***引起的整体空间相移；
所述π相位跃迁片用于对特定部分光束的偏振方向进行180度反转；
所述对称半螺旋式相位调制器的厚度在其一半区域内先螺旋减小，在其另一半区域内厚度再螺旋增加，厚度减小和增加的趋势相同，构成对称的闭合曲面；所述对称半螺旋式相位补偿器的厚度在其一半区域内先螺旋增加，在其另一半区域内厚度再螺旋减小，厚度增加和减小的趋势相同，从而构成对称闭合曲面。
进一步地，如上所述的线偏振光到径向偏振光的光学转换器，在线偏振激光光源与偏振转换***之间设置有半波片，所述半波片用于调节线偏振激光的偏振方向，使其与对称半螺旋式相位调制器的对称轴平行。
进一步地，如上所述的线偏振光到径向偏振光的光学转换器，所述π相位跃迁片其表面积的一半对应的材料厚度比另一半厚度大λ(1/2+N)/(n0-1)，并且较薄部分的厚度为Nλ，其中，λ为激光波长，N为正整数，n0为材料折射率。
进一步地，如上所述的线偏振光到径向偏振光的光学转换器，所述π相位跃迁片为采用具有高透过率的各向同性介质。
进一步地，如上所述的线偏振光到径向偏振光的光学转换器，所述对称半螺旋式相位调制器对应某一线偏振光的波长，能够在快轴和慢轴之间产生的相位延迟量δ与空间方位角θ的关系满足：δ＝2θ，θ∈[0,π]；δ＝4π-2θ，θ∈[π,2π]。
进一步地，如上所述的线偏振光到径向偏振光的光学转换器，对称半螺旋式相位补偿器可以和π相位跃迁片合二为一。
进一步地，如上所述的线偏振光到径向偏振光的光学转换器，对称半螺旋式相位调制器采用单轴、双折射晶体材料。
进一步地，如上所述的线偏振光到径向偏振光的光学转换器，对称半螺旋式相位补偿器采用各向同性介质，不改变入射线偏振激光的偏振方向。
有益效果：
如上所述的线偏振光到径向偏振光的光学转换器，所述对称半螺旋式相位调制器的面型为对称的闭合螺旋曲面；所述对称半螺旋式相位补偿器的面型也为对称的闭合螺旋曲面，该对称闭合螺旋曲面面型易于利用机械加工方法获得，从而使具有大口径、高损伤阈值、高透过率的径向偏振转换器可以真正走向生产，以此获得高性价比的径向偏振转换器。以此面型结构的创新为契机，该径向偏振转换器将在激光加工、激光点火、激光电子加速、粒子操控、高分辨率光学显微技术及高密度存储等领域获得广泛应用。
附图说明
图1为本发明线偏振光到径向偏振光的光学转换器结构示意图；
图2为本发明对称半螺旋相位调制器的面型示意图，其中，(a)为俯视图；(b)为侧视图；
图3为本发明对称半螺旋相位补偿器、对称半螺旋相位调制器的整体相位补偿示意图，其中，(a)为仰视图，(b)为俯视图，(c)为侧视图；
图4为本发明提供的光学转换器偏振方向转换示意图。
图5为本发明对称半螺旋相位补偿片与π相位跃迁片合二为一的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
如图1所示，本发明提供一种线偏振光到径向偏振光的光学转换器，包括从线偏振激光光源1输出的线偏振激光经过同轴的偏振转换***3、对称半螺旋式相位补偿器4、π相位跃迁片5；所述偏振转换***3、π相位跃迁片5依次设置；
所述线偏振激光光源1用于输出线偏振激光；所述偏振转换***3用于对光的偏振方向进行零到180度旋转，其包括两片四分之一波片和放置在两四分之一波片之间的对称半螺旋式相位调制器，所述两片四分之一波片快轴方向呈正交，对称半螺旋式相位调制器的快轴方向与两个四分之一波片的快轴方向夹角为45度。如图1所示，设对称半螺旋式相位调制器的快轴沿负x方向，第一四分之一波片的快轴与x轴成135度，第二四分之一波片与x轴成负135度；π相位跃迁片5用于对一半光束的偏振方向进行180度反转；所述对称半螺旋式相位补偿器4用于补偿偏振转换***3引起的整体空间相移。
如图2、图3所示，所述对称半螺旋式相位调制器的厚度在其一半区域内先螺旋减小，在其另一半区域内厚度再螺旋增加，厚度减小和增加的趋势相同，构成对称的闭合曲面；所述对称半螺旋式相位补偿器4的厚度在其一半区域内先螺旋增加，在其另一半区域内厚度再螺旋减小，厚度增加和减小的趋势相同，从而构成对称闭合曲面。
具体地，所述对称半螺旋式相位补偿器4的位置可在线偏振激光光源1、半波片2、偏振转换***3、π相位跃迁片5之间任一调换，不过为了操作方便，一般放置在偏振转换***3与π相位跃迁片5之间。
所述半波片用于调节入射线偏振光的偏振方向，使其与对称半螺旋式相位调制器的对称轴平行，如图1所示的负x轴方向；通常情况下，可以事先调整对称半螺旋式相位调制器的角度，使其对称轴与入射线偏振光的偏振方向一致，省去半波片。而为了调节方便快捷高效，本申请在线偏振激光光源1与偏振转换***3之间设置半波片2，当光学转换器有半波片这个结构时，通常通过旋转半波片来实现线偏振激光光源1输出的线偏振激光方向与偏振转换***3中对称半螺旋式相位调制器的对称轴方向一致。
该线偏振光到径向偏振光的光学转换器的光转换示意图如图4所示(以图1中所述结构为例)，从线偏振激光光源1输出的线偏振激光的方向为图4中的1所示；经过半波片2后，激光的偏振方向旋转至2所示；再经过偏振转换***3后，光束各点的偏振方向发生旋转，如图4中的3所示；经过对称半螺旋相位补偿器，光束各点的偏振方向不发生改变；再经过π相位跃迁片5，将位于第一、二象限的光束的偏振方向反转，如图4中5所示。该光束可等效为径向偏振光。
本发明中使用的对称半螺旋式相位调制器与对称半螺旋式相位补偿器，克服了原螺旋曲面相位调制器面型不连续、不闭和的问题，使可以通过切、削等光学精密机械加工的办法获得此径向偏振转换器，从而使具有大口径、高损伤阈值、高透过率的径向偏振转换器可以真正走向生产，以此获得高性价比的径向偏振转换器。
另外，对本发明的线偏振光到径向偏振光的光学转换器的结构还可以进行如图5所示的简化，即通过精确控制器件厚度，以及两个面的面型相对位置，可将对称半螺旋式相位补偿器与π相位跃迁片合二为一。类似地，通过精确调节光轴方向、器件厚度，偏振转换***也可作结构简化处理。
所述π相位跃迁片5其表面积的一半对应的材料厚度比另一半厚度大λ(1/2+N)/(n0-1)，并且较薄部分的厚度为Nλ，其中，λ为激光波长，N为正整数，n0为材料折射率。
具体地，通过精确设计所述π相位跃迁片5的厚度分布，使经过它的光束的特定部分相对其他部分发生π相位延迟，从而实现π相位跃迁；其结构为：特定部分厚度比其余部分厚度大λ(1/2+N)/(n0-1)，并且较薄部分的厚度为Nλ，其中，λ为激光波长，N为正整数，n0为材料折射率；本申请中采用的π相位跃迁片，薄厚部分各占一半；另外，所述π相位跃迁片5的厚度设计还应根据材料的机械性能，实际要求合理取值；其材质为：具备高透过率的各向同性介质。
优选地，为了实现相位的调制功能，使光的偏振方向能够进行零到180度旋转，所述对称半螺旋式相位调制器对应某一线偏振光的波长，能够在快轴和慢轴之间产生的相位延迟量与空间方位角成比例，最大可达2π或2π的整数倍。具体为：能够在快轴和慢轴之间产生的相位延迟量δ与空间方位角θ的关系满足：δ＝2θ，θ∈[0,π]；δ＝4π-2θ，θ∈[π,2π]。
优选地，对称半螺旋式相位调制器采用单轴、双折射晶体材料，针对选用的激光波长，还应具备高透过率。
优选地，为了不改变入射线偏振激光的偏振方向，所述对称半螺旋式相位补偿器采用针对所用激光波长的具有高透过率的各向同性介质材料制备，它不改变入射光的偏振方向，用于补偿偏振转换***引起的整体空间相移。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种线偏振光到径向偏振光的光学转换器，其特征在于，包括从线偏振激光光源（1）输出的线偏振激光经过同轴的偏振转换***（3）、对称半螺旋式相位补偿器（4）、π相位跃迁片（5）；所述偏振转换***（3）、π相位跃迁片（5）依次设置；
所述偏振转换***（3）用于对光的偏振方向进行零到180度旋转；其包括两片四分之一波片和夹在两四分之一波片之间的对称半螺旋式相位调制器，所述两片四分之一波片快轴方向呈正交，对称半螺旋式相位调制器的快轴方向与两个四分之一波片的快轴方向夹角为45度；
所述对称半螺旋式相位补偿器（4）用于补偿偏振转换***（3）引起的整体空间相移；
所述π相位跃迁片（5）用于对特定部分光束的偏振方向进行180度反转；
所述对称半螺旋式相位调制器的厚度在其一半区域内先螺旋减小，在其另一半区域内厚度再螺旋增加，厚度减小和增加的趋势相同，构成对称的闭合曲面；所述对称半螺旋式相位补偿器（4）的厚度在其一半区域内先螺旋增加，在其另一半区域内厚度再螺旋减小，厚度增加和减小的趋势相同，从而构成对称闭合曲面；
所述π相位跃迁片（5）其表面积的一半对应的材料厚度比另一半厚度大λ(1/2+N)/(n0-1)，并且较薄部分的厚度为Nλ，其中，λ为激光波长，N为正整数，n0为材料折射率；
所述对称半螺旋式相位调制器对应某一线偏振光的波长，能够在快轴和慢轴之间产生的相位延迟量δ与空间方位角θ的关系满足：δ=2θ，θ∈[0,π]; δ=4π-2θ，θ∈[π,2π]。
2.根据权利要求1所述的线偏振光到径向偏振光的光学转换器，其特征在于，在线偏振激光光源（1）与偏振转换***（3）之间设置有半波片(2)，所述半波片(2)用于调节线偏振激光的偏振方向，使其与对称半螺旋式相位调制器的对称轴平行。
3.根据权利要求1所述的线偏振光到径向偏振光的光学转换器，其特征在于，所述π相位跃迁片（5）为采用具有高透过率的各向同性介质。
4.根据权利要求1所述的线偏振光到径向偏振光的光学转换器，其特征在于，对称半螺旋式相位补偿器（4）可以和π相位跃迁片（5）合二为一。
5.根据权利要求1所述的线偏振光到径向偏振光的光学转换器，其特征在于，对称半螺旋式相位调制器采用单轴、双折射晶体材料。
6.根据权利要求1所述的线偏振光到径向偏振光的光学转换器，其特征在于，对称半螺旋式相位补偿器采用各向同性介质，不改变入射线偏振激光的偏振方向。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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