[发明专利]矢量光场转换器件及偏振光转换的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种矢量光场转换器件，属于激光技术与器件领域。

背景技术

随着科技的发展，激光由于其方向性、相干性以及高能量性，在科研、国防以及国民经济等领域都展示了巨大的力量。在此领域中，线偏振激光较容易实现，也是研究和应用最为广泛的一类激光。

当激光与物质相互作用时，由于物质对于不同偏振具有不同的响应，这也决定了对于激光传播方向圆对称偏振激光的重要需求。除此之外，该类偏振的激光由于其偏振方向特殊的对称性，使其在光通讯、动态光存储、量子计算、粒子操作等领域具有不可替代的优势。圆对称的偏振激光属于矢量光场的一类，目前应用和研究最多的是径向和角向偏振激光，其偏振方向分别平行和垂直于光斑分布的半径方向。

目前的实现手段，包括在激光器内直接实现以及外部调节两类。由于激光器产生的激光本征态为线偏振或者圆偏振，所以其产生矢量光场时，效率较低且需要复杂的调节。外部调节目前研究较多的是基于液晶材料对光的偏振进行转换，但是该类器件加工比较复杂并且液晶的光损伤阈值一般较低，也就决定了该类器件不适合在高功率密度的激光中进行应用。

旋光是一类双折射，通过旋光材料的线偏振光，其方向会发生与作用长度成正比的转动。旋光晶体其光损伤阈值一般远高于液晶材料，并且在偏振方向转变的过程中没有能量的损失，在偏振转动的时候理论上可实现100%的转换。因此，为了满足高功率密度激光的需求，采用旋光晶体材料制作高效偏振转换器件是一个重要的研发方向。

发明内容

本发明针对目前径向偏振和角向偏振光的技术问题和重要需求，提出一种基于旋光晶体材料的高效偏振转换器件，本发明提供一种结构简单、紧凑的矢量光场转换器件。

波片的引入可以用于角向偏振和径向偏振的转换。该器件具有结构简单、操作简易、光损伤阈值高、转化效率高、理论上可应用于所有波长的激光以及易产业化等优势。

本发明还提供所述矢量光场转换器件的应用，也即偏振光转换的方法。

术语说明：

通光长度，是指在旋光晶体光轴方向上测量的厚度。

本发明的技术方案如下：

一种矢量光场转换器件，包括沿光轴方向切割的旋光晶体，所述旋光晶体的通光长度为螺旋变化，变化函数为：

或者其中，z₀为非旋转部分的长度，为柱坐标角度坐标，z_s为螺旋部分的长度；

通过所述旋光晶体的线偏振光的偏振方向随着作用长度的发生旋转，其旋转角度为或者其中ρ为旋光率，也即通过旋光晶体的线偏振光转化为偏振方向与柱坐标角度坐标有关的径向偏振光；当旋转实现一个周期即螺旋部分的长度与转动角度之间的关系需满足此时线偏振光转化为径向偏振光；直接输出径向偏振光。

根据本发明的矢量光场转换器件，进一步的，还有一个沿光路方向在旋光晶体后面放置的波片，所述波片是全波片或半波片；所述波片是半波片时用于将径向偏振光转换为角向偏振光。

沿光路方向在旋光晶体后面设置一个半波片时，所述的径向偏振光通过半波片转换为角向偏振光输出；移走该半波片时直接输出径向偏振光。

由此方案可以实现本发明基于旋光晶体材料的高效偏振转换器件，所述半波片为可移动设置，用于径向偏振向角向偏振的转换。根据对转换器件输出径向偏振光还是角向偏振光的需求，选择放置半波片或者不放置半波片。

进一步的，本发明的矢量光场转换器件，所述波片非必要地可选一全波片，放置全波片时直接输出径向偏振光。

根据本发明，优选的：

所述旋光晶体为具有旋光特性的晶体，优选为石英或硅酸铋晶体，但不限于此两种晶体。

所述旋光晶体至少一个表面是平面；所述旋光晶体旋转部分的长度z_s为实现n个整数周期转换时的长度，优选的，n=1~10个整数周期。所述旋光晶体未螺旋部分可取任意长度，优选为1mm~20mm。

所述旋光晶体的半径为0.1mm~25mm，优选的旋光晶体的半径为1mm~10mm。，调制光学元件应具有不小于元件直径的千分之二的最小厚度，因此设置非螺旋部分也能保证器件一定的机械稳定性。

所述半波片是对所需转换光场的波长可进行π相位延迟的波片，半波片半径与旋光晶体半径相同（0.1mm~25mm），半波片厚度为0.1mm~5mm。

所述全波片是对所需转换光场的波长可进行2π相位延迟的波片，全波片半径与旋光晶体的半径相同（0.1mm~25mm），全波片厚度为0.1mm~5mm。