[发明专利]一种基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法

说明书

本发明公开了一种基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法，该方法包括以下步骤：步骤1，选择旋光晶体，根据环境温度T、待转换的线偏振激光波长λ以及旋光晶体的旋光率α，设计螺旋结构晶体元件；步骤2，配做与螺旋结构晶体元件折射率相同的反向螺旋元件；步骤3，将螺旋结构晶体元件上表面与反向螺旋元件的下表面进行胶合；步骤4，将线偏振激光沿偏振旋转元件的z轴方向入射，并使偏振激光光斑的中心点与偏振旋转元件底面中心同轴，通过调节偏振激光的偏振方向与偏振旋转元件x方向的夹角，获得所需的轴对称矢量光束。本发明元件少，可利用单个元件实现径向、角向以及任意轴对称矢量光束，调节简单。

技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及一种基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法。

背景技术

偏振呈轴对称分布的矢量光束因其特殊的空间偏振分布广受关注，紧聚焦的轴对称矢量光束具有超越衍射极限的聚焦半径以及可调节的焦斑形态，在激光加工、信息存储、显微成像、表面等离激元调控、光学捕获与操控、粒子加速等领域有着重要的应用。

产生轴对称矢量光束的方法主要分为有源法和无源法：有源法是在激光腔内通过添加偏振选择元件产生的矢量光束的方法，具有较好的光束质量及较高的效率，但是激光腔内元件调节困难，灵活性较低；无源法是在激光器腔外实现偏振转换，通过光束干涉、空间分区相位延迟器、空间可变亚波长光栅、液晶器件、空间光调制器等方法产生轴对称矢量光束。这些方法通常需要多个转换元件，转换效率较低，且元件的损伤阈值较低，无法应用于高功率激光系统，产生高强度的轴对称矢量光束。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法，本发明利用螺旋型旋光晶体元件，将激光器输出的线性偏振光在空间不同角度进行旋转，从而生成具有高转换效率、高功率的轴对称矢量偏振光束。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于晶体旋光性产生轴对称矢量光束的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，选择旋光晶体，根据环境温度T、待转换的线偏振激光波长λ以及旋光晶体的旋光率α，设计螺旋结构晶体元件：建立笛卡尔坐标系，以旋光晶体的光轴为z轴，在垂直于z轴平面内，x轴与y轴相互垂直，在此基础上，定义矢量在x-y平面的投影与x轴正向沿逆时针的夹角为θ₁，加工旋光晶体为螺旋结构晶体元件，所述螺旋结构晶体元件的底面为圆形，半径为r₁，侧面上任一点坐标满足x₁²+y₁²＝r₁²；上表面上的点坐标方位角为θ₁时，螺旋结构晶体元件的厚度为d＝kθ₁+d₀，其中k＝1/α，d₀为θ₁＝0时螺旋结构晶体元件的厚度，满足d₀＞0，对应的方位角为θ₁的入射光通过该位置后偏振旋转的角度φ₀＝α·z₀；

步骤2，配做与螺旋结构晶体元件折射率相同的反向螺旋元件，所述反向螺旋元件的上表面为圆形，半径为r₂；侧面上任一点坐标满足x₂²+y₂²＝r₂²；下表面上的点坐标方位角为θ₂时，反向螺旋元件的厚度为d'＝-kθ₂+d₁，其中k＝1/α，d₁为θ₂＝0时反向螺旋元件的高度，满足d₁＞360/α，其中d1是theta_2＝0时反向螺旋元件的高度，