專(zhuān)利名稱(chēng)：偏振態(tài)可調(diào)空心光束的產(chǎn)生裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光束，特別是一種偏振態(tài)可調(diào)空心光束的產(chǎn)生裝置和方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著微觀粒子光學(xué)捕獲與超高分辨率顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，偏振態(tài)空間不均勻的空心光束獲得越來(lái)越多的重視。獲取偏振態(tài)空間不均勻空心光束的方法主要分為有源方法和無(wú)源方法兩種。其中較為典型的是采用光子晶體光柵鏡作為激光器輸出耦合鏡， 利用稀土離子摻雜光纖作為增益介質(zhì)獲得這種光束的有源方案。通過(guò)這種有源方案可以獲得較高功率的偏振態(tài)空間不均勻空心光束的激光輸出，且光束的偏振純度也很高，但該系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，對(duì)操作人員專(zhuān)業(yè)技術(shù)性要求較高。元器件多采用光學(xué)精密儀器，使得整個(gè)系統(tǒng)價(jià)格昂貴，且有源系統(tǒng)自身容易引入干擾使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響。迄今為止，該方案獲得的光束質(zhì)量(圓對(duì)稱(chēng)性、功率穩(wěn)定性)依舊不高，使得利用該方法得到的空心光束用于微觀粒子光學(xué)捕獲與超高分辨率顯微鏡技術(shù)還需要一個(gè)發(fā)展過(guò)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述有源方法的種種弊端，提出一種偏振態(tài)可調(diào)空心光束的產(chǎn)生裝置和方法。該方法操作簡(jiǎn)單易行，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用價(jià)格低廉的光學(xué)器件，即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的偏振態(tài)空間不均勻的空心光束輸出。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種偏振態(tài)可調(diào)空心光束的產(chǎn)生裝置，特點(diǎn)于該裝置包括激光光源，沿該激光光源的激光輸出方向，依次是起偏器、四分之一波片、顯微物鏡、光纖、準(zhǔn)直透鏡和多維調(diào)整架，所述的顯微物鏡固定在所述的多維調(diào)整架的夾具，所述的光纖的輸入端頭固定在所述的多維調(diào)整架的光纖支架上且該輸入端的端面位于所述的顯微物鏡的后焦點(diǎn)上，所述的光纖的輸出端的端面位于所述的準(zhǔn)直透鏡的前焦點(diǎn)，所述的光纖是芯徑較細(xì)，僅能支持入射激光波長(zhǎng)的低階模式的少模光纖，所述的多維調(diào)整架還有第一旋鈕、第二旋鈕和第三旋鈕分別通過(guò)夾具對(duì)所述的顯微物鏡的水平和俯仰角度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)聚焦后的光束對(duì)光纖的離軸入射。所述的光纖是僅能支持入射激光波長(zhǎng)的兩個(gè)低階模式LPOl模與LP02模的少模光纖。在所述的準(zhǔn)直透鏡的輸出光路上還設(shè)置有偏振分析器和CXD探測(cè)器，所述的CXD 探測(cè)器的成像面位于所述的準(zhǔn)直透鏡的焦平面上。利用上述偏振態(tài)可調(diào)空心光束的產(chǎn)生裝置產(chǎn)生空心光束的方法，其特點(diǎn)在于該方法包括下列步驟①在所述的準(zhǔn)直透鏡的輸出光路上依次設(shè)置偏振分析器和CXD探測(cè)器，使所述的 CCD探測(cè)器的成像面位于所述的準(zhǔn)直透鏡的焦平面上；②調(diào)整所述的多維調(diào)整架的第一旋鈕、第二旋鈕和第三旋鈕，通過(guò)夾具對(duì)所述的顯微物鏡的水平和俯仰角度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)聚焦后的光束對(duì)光纖的離軸入射，從而抑制所述的光纖中LPOl模的激發(fā)，實(shí)現(xiàn)空心光束的輸出；③旋轉(zhuǎn)所述的四分之一波片的旋轉(zhuǎn)角度以實(shí)現(xiàn)選擇性的激發(fā)徑向偏振、方位偏振和中間態(tài)偏振的空心光束旋轉(zhuǎn)所述的四分之一波片使該波片的光軸與所述的起偏器的偏振方向平行，調(diào)節(jié)所述的多維調(diào)整架上的第三旋鈕，使所述的CCD探測(cè)器能觀察到清晰的空心光束，此時(shí)微調(diào)第二旋鈕并旋轉(zhuǎn)所述的偏振分析器，通過(guò)所述的CCD探測(cè)器觀察檢偏后的光斑樣式，當(dāng)輸出光束中的暗線(xiàn)一直與所述的偏振分析器的偏振方向垂直，此時(shí)輸出的光束即為徑向偏振光；旋轉(zhuǎn)所述四分之一波片使該波片的光軸與所述的起偏器的偏振方向的夾角為方位偏振角θ ^時(shí)，調(diào)節(jié)所述的多維調(diào)整架上的第三旋鈕使所述的CCD探測(cè)器能觀察到清晰的空心光束，此時(shí)微調(diào)第二旋鈕并旋轉(zhuǎn)所述的偏振分析器，通過(guò)CCD探測(cè)器觀察檢偏后的光斑樣式，當(dāng)輸出光束中的暗線(xiàn)一直與所述的偏振分析器的偏振方向平行，此時(shí)輸出的光束即為方位偏振光；旋轉(zhuǎn)所述四分之一波片使該波片的光軸與所述的起偏器的偏振方向的夾角為 0° θ ^之間任一角度時(shí)，調(diào)節(jié)所述的多維調(diào)整架上的第三旋鈕使所述的CCD探測(cè)器能觀察到清晰的空心光束，此時(shí)微調(diào)第二旋鈕并旋轉(zhuǎn)所述的偏振分析器，通過(guò)CCD探測(cè)器觀察檢偏后的光斑樣式，當(dāng)輸出光束中的暗線(xiàn)一直與所述的偏振分析器的偏振方向呈某一夾角，此時(shí)輸出的光束即為中間態(tài)偏振光束。所述的方位偏振角θ ^因不同的光纖有所變化，θ ^ 5°本發(fā)明的技術(shù)效果1、由于本發(fā)明均采用無(wú)源器件，系統(tǒng)自身引入的干擾因素較少，使得輸出光斑質(zhì)量獲得了很大的提高；2、裝置的整個(gè)調(diào)整過(guò)程中需要調(diào)整的元件較少，調(diào)節(jié)非常簡(jiǎn)便，即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的偏振態(tài)空間不均勻的空心光束輸出。對(duì)專(zhuān)業(yè)技能要求不高。3、同時(shí)該方法所采用的器件均為商用器件、價(jià)格低廉，費(fèi)用可有效控制。


圖1為本發(fā)明裝置一個(gè)最佳實(shí)施例的光路結(jié)構(gòu)原理圖。圖2為多維調(diào)整架12及裝配的顯微鏡物鏡4和光纖5入射端頭8的連接結(jié)構(gòu)示意3示出了本發(fā)明實(shí)驗(yàn)所獲得的徑向偏振、方位偏振和中間態(tài)偏振的光強(qiáng)及偏振態(tài)分布示意圖。圖3(a)為利用本發(fā)明方法獲得的徑向偏振輸出的光束光強(qiáng)與偏振態(tài)分布示意圖。圖3(b)是利用本發(fā)明方法獲得的方位偏振輸出的光束光強(qiáng)與偏振態(tài)分布示意圖。圖3(c)是利用本發(fā)明方法獲得的中間態(tài)偏振輸出的光強(qiáng)與偏振態(tài)分布示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例好附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請(qǐng)參閱圖1，圖1為本發(fā)明裝置一個(gè)最佳實(shí)施例的光路結(jié)構(gòu)原理圖。由圖可見(jiàn)， 本發(fā)明偏振態(tài)可調(diào)空心光束的產(chǎn)生裝置，該裝置包括激光光源1，沿該激光光源1的激光輸出方向，依次是起偏器2、四分之一波片3、顯微物鏡4、光纖5、準(zhǔn)直透鏡6和多維調(diào)整架12， 所述的顯微物鏡4固定在所述的多維調(diào)整架12的夾具10上，所述的光纖5的輸入端頭8固定在所述的多維調(diào)整架12的光纖支架11上且該輸入端8的端面位于所述的顯微物鏡4的后焦點(diǎn)上，所述的光纖5的輸出端9的端面位于所述的準(zhǔn)直透鏡6的前焦點(diǎn)，所述的光纖5 是芯徑較細(xì)，僅能支持入射激光波長(zhǎng)的低階模式的少模光纖，所述的多維調(diào)整架12還有第一旋鈕13、第二旋鈕14和第三旋鈕15分別通過(guò)夾具10對(duì)所述的顯微物鏡4的水平和俯仰角度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)聚焦后的光束對(duì)光纖的離軸入射。在所述的準(zhǔn)直透鏡6的輸出光路上還設(shè)置有偏振分析器16和CXD探測(cè)器7，所述的CXD探測(cè)器7的成像面位于所述的準(zhǔn)直透鏡6的焦平面上。所述的光纖5是僅能支持入射激光波長(zhǎng)的兩個(gè)低階模式LPOl模與LP02模的少模光纖。本發(fā)明是用光纖作為模式選擇器來(lái)獲得高質(zhì)量的偏振態(tài)空間不均勻空心光束輸出的無(wú)源方法。該方案中光纖5作為模式選擇器，選擇的光纖芯徑較細(xì)，僅能支持入射激光波長(zhǎng)的兩個(gè)低階模式LPOl模與LP02模的少模光纖。選擇這種光纖雖然使得系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率下降，但是光纖的模式選擇能力增強(qiáng)，這是由于LP02模的三個(gè)等價(jià)簡(jiǎn)并模式(TE01模，TMOl 模，HEll模)中包含需要激發(fā)的偏振態(tài)空間不均勻的模式(TE01模，TMOl模)，只需要有效的抑制少數(shù)幾個(gè)模式，即可實(shí)現(xiàn)特定的偏振態(tài)空間不均勻空心光束的輸出。所述的多維調(diào)整架12上的調(diào)節(jié)第一旋鈕13、第二旋鈕14和第三旋鈕15用于調(diào)整顯微物鏡4的水平和俯仰角度，以實(shí)現(xiàn)聚焦后的光束對(duì)光纖的離軸入射，從而抑制光纖5中LPOl模的激發(fā)，實(shí)現(xiàn)空心光束的輸出?；谄胀ü饫w對(duì)于偏振敏感的特性，在顯微鏡物鏡4前加入四分之一波片3用于對(duì)入射的線(xiàn)偏振光的偏振態(tài)的調(diào)整，以有效激發(fā)所需的偏振態(tài)空間不均勻的空心光束。通過(guò)同時(shí)控制顯微物鏡4的水平和俯仰角度及四分之一波片3的旋轉(zhuǎn)角度即可實(shí)現(xiàn)選擇性的激發(fā)徑向偏振、方位偏振和中間態(tài)偏振的空心光束，此處的徑向偏振是指光的空間各點(diǎn)的偏振態(tài)均沿著圓的徑向方向(如圖3(a)所示)，方位偏振是指光的空間各點(diǎn)的偏振態(tài)均沿著圓的切向方向(如圖3(b)所示)，中間態(tài)偏振是指光的空間各點(diǎn)的偏振態(tài)介于徑向與方位偏振之間的方向(如圖3(c)所示)。通過(guò)控制顯微鏡物鏡4的傾角和四分之一波片3的旋轉(zhuǎn)角度即可實(shí)現(xiàn)徑向偏振、方位偏振和中間態(tài)偏振的空心光束間相互切換。首先利用坐標(biāo)靶屏對(duì)激光光源1進(jìn)行準(zhǔn)直，激光光源同時(shí)作為準(zhǔn)直光源及光纖的激發(fā)光源。利用準(zhǔn)直的激光光源1對(duì)光路中的起偏器2、四分之一波片3、顯微物鏡4進(jìn)行共軸調(diào)節(jié)。此后將光纖的入射端8固定于多維調(diào)整架12上的光纖固定支架11，并調(diào)節(jié)光纖的入射端8使其端面位于顯微物鏡4的焦點(diǎn)，此時(shí)達(dá)到最佳耦合，光纖出射光功率最高。 調(diào)節(jié)光纖輸出端9的位置使其端面位于所述的準(zhǔn)直透鏡6的焦平面，此時(shí)調(diào)節(jié)準(zhǔn)直透鏡6 的水平、俯仰角度使光纖輸出端9的出射光束準(zhǔn)直。在準(zhǔn)直透鏡6后放置偏振分析器16和CXD探測(cè)器7，所述的CXD探測(cè)器7的成像面位于所述的準(zhǔn)直透鏡6的焦平面上。利用CXD 成像器件7對(duì)出射光束進(jìn)行觀察。利用上述的偏振態(tài)可調(diào)空心光束的產(chǎn)生裝置產(chǎn)生空心光束的方法，包括下列步驟①在所述的準(zhǔn)直透鏡6的輸出光路上依次設(shè)置偏振分析器16和CXD探測(cè)器7，使所述的CCD探測(cè)器7的成像面位于所述的準(zhǔn)直透鏡6的焦平面上；②調(diào)整所述的多維調(diào)整架12的第一旋鈕13、第二旋鈕14和第三旋鈕15，通過(guò)夾具10對(duì)所述的顯微物鏡4的水平和俯仰角度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)聚焦后的光束對(duì)光纖的離軸入射，從而抑制所述的光纖5中LPOl模的激發(fā)，實(shí)現(xiàn)空心光束的輸出；③旋轉(zhuǎn)所述的四分之一波片3的旋轉(zhuǎn)角度以實(shí)現(xiàn)選擇性的激發(fā)徑向偏振、方位偏振和中間態(tài)偏振的空心光束旋轉(zhuǎn)所述的四分之一波片3使該波片的光軸與所述的起偏器2的偏振方向平行， 調(diào)節(jié)所述的多維調(diào)整架12上的第三旋鈕15使所述的CCD探測(cè)器7能觀察到清晰的空心光束，此時(shí)微調(diào)第二旋鈕14并旋轉(zhuǎn)所述的偏振分析器16，(設(shè)定為22. 5°步距，旋轉(zhuǎn)一周)， 通過(guò)所述的CCD探測(cè)器7觀察檢偏后的光斑樣式，當(dāng)輸出光束中的暗線(xiàn)一直與所述的偏振分析器16的偏振方向垂直，此時(shí)輸出的光束即為徑向偏振光，參見(jiàn)圖3(a)；旋轉(zhuǎn)所述四分之一波片( 使該波片的光軸與所述的起偏器2的偏振方向的夾角為方位偏振角θ ^時(shí)，調(diào)節(jié)所述的多維調(diào)整架12上的第三旋鈕15使所述的CXD探測(cè)器 7能觀察到清晰的空心光束，此時(shí)微調(diào)第二旋鈕14并旋轉(zhuǎn)所述的偏振分析器16，(設(shè)定為 22. 5°步距，旋轉(zhuǎn)一周)，通過(guò)CXD探測(cè)器7觀察檢偏后的光斑樣式，當(dāng)輸出光束中的暗線(xiàn)一直與所述的偏振分析器16的偏振方向平行，此時(shí)輸出的光束即為方位偏振光，參見(jiàn)圖 3(b)；旋轉(zhuǎn)所述四分之一波片3使該波片的光軸與所述的起偏器2的偏振方向的夾角為 0° θ ^之間任一角度時(shí)，調(diào)節(jié)所述的多維調(diào)整架12上的第三旋鈕15使所述的CXD探測(cè)器7能觀察到清晰的空心光束，此時(shí)微調(diào)第二旋鈕14并旋轉(zhuǎn)所述的偏振分析器16，(設(shè)定為22. 5°步距，旋轉(zhuǎn)一周)，通過(guò)CXD探測(cè)器7觀察檢偏后的光斑樣式，當(dāng)輸出光束中的暗線(xiàn)一直與所述的偏振分析器16的偏振方向呈某一夾角，此時(shí)輸出的光束即為中間態(tài)偏振光束，參見(jiàn)圖3(c)。所述的方位偏振角θ ^因不同的光纖有所變化，θ ^ 5°由此可見(jiàn)，本發(fā)明通過(guò)聯(lián)動(dòng)旋轉(zhuǎn)多維調(diào)整架12的第二旋鈕14和第三旋鈕15及四分之一波片3，即可實(shí)現(xiàn)徑向偏振、方位偏振與中間態(tài)偏振空心光束間的切換。使用十分方便。
權(quán)利要求
1.一種偏振態(tài)可調(diào)空心光束的產(chǎn)生裝置，特征在于該裝置包括激光光源(1)，沿該激光光源(1)的激光輸出方向，依次是起偏器O)、四分之一波片(3)、顯微物鏡、光纖 (5)、準(zhǔn)直透鏡(6)和多維調(diào)整架(12)，所述的顯微物鏡(4)固定在所述的多維調(diào)整架(12) 的夾具(10)，所述的光纖(5)的輸入端頭(8)固定在所述的多維調(diào)整架(1 的光纖支架 (11)上且該輸入端(8)的端面位于所述的顯微物鏡的后焦點(diǎn)上，所述的光纖(5)的輸出端頭(9)的端面位于所述的準(zhǔn)直透鏡(6)的前焦點(diǎn)，所述的光纖(5)是芯徑較細(xì)，僅能支持入射激光波長(zhǎng)的低階模式的少模光纖，所述的多維調(diào)整架(1 還有第一旋鈕(13)、第二旋鈕(14)和第三旋鈕(15)分別通過(guò)夾具(10)對(duì)所述的顯微物鏡(4)的水平和俯仰角度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)聚焦后的光束對(duì)光纖的離軸入射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振態(tài)可調(diào)空心光束的產(chǎn)生裝置，其特征在于所述的光纖 (5)是僅能支持入射激光波長(zhǎng)的兩個(gè)低階模式LPOl模與LP02模的少模光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振態(tài)可調(diào)空心光束的產(chǎn)生裝置，其特征在于，在所述的準(zhǔn)直透鏡(6)的輸出光路上還設(shè)置有偏振分析器(16)和CCD探測(cè)器(7)，所述的CCD探測(cè)器 (7)的成像面位于所述的準(zhǔn)直透鏡(6)的焦平面上。
4.利用權(quán)利要求1所述的偏振態(tài)可調(diào)空心光束的產(chǎn)生裝置產(chǎn)生空心光束的方法，其特征在于該方法包括下列步驟①在所述的準(zhǔn)直透鏡(6)的輸出光路上依次設(shè)置偏振分析器(16)和CCD探測(cè)器(7)， 使所述的CCD探測(cè)器(7)的成像面位于所述的準(zhǔn)直透鏡(6)的焦平面上；②調(diào)整所述的多維調(diào)整架(1 的第一旋鈕(13)、第二旋鈕(14)和第三旋鈕(15)，通過(guò)夾具(10)對(duì)所述的顯微物鏡(4)的水平和俯仰角度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)聚焦后的光束對(duì)光纖的離軸入射，從而抑制所述的光纖(5)中LPOl模的激發(fā)，實(shí)現(xiàn)空心光束的輸出；③旋轉(zhuǎn)所述的四分之一波片( 的旋轉(zhuǎn)角度以實(shí)現(xiàn)選擇性的激發(fā)徑向偏振、方位偏振和中間態(tài)偏振的空心光束旋轉(zhuǎn)所述的四分之一波片( 使該波片的光軸與所述的起偏器O)的偏振方向平行， 調(diào)節(jié)所述的多維調(diào)整架(1 上的第三旋鈕(1 使所述的CCD探測(cè)器(7)能觀察到清晰的空心光束，此時(shí)微調(diào)第二旋鈕(14)并旋轉(zhuǎn)所述的偏振分析器(16)，通過(guò)所述的CCD探測(cè)器 (7)觀察檢偏后的光斑樣式，當(dāng)輸出光束中的暗線(xiàn)一直與所述的偏振分析器(16)的偏振方向垂直，此時(shí)輸出的光束即為徑向偏振光；旋轉(zhuǎn)所述四分之一波片C3)使該波片的光軸與所述的起偏器( 的偏振方向的夾角為方位偏振角θ ^時(shí)，調(diào)節(jié)所述的多維調(diào)整架(1 上的第三旋鈕(1 使所述的CCD探測(cè)器 (7)能觀察到清晰的空心光束，此時(shí)微調(diào)第二旋鈕(14)并旋轉(zhuǎn)所述的偏振分析器(16)，通過(guò)CCD探測(cè)器(7)觀察檢偏后的光斑樣式，當(dāng)輸出光束中的暗線(xiàn)一直與所述的偏振分析器 (16)的偏振方向平行，此時(shí)輸出的光束即為方位偏振光；旋轉(zhuǎn)所述四分之一波片C3)使該波片的光軸與所述的起偏器( 的偏振方向的夾角為 0° θ ^之間任一角度時(shí)，調(diào)節(jié)所述的多維調(diào)整架(1 上的第三旋鈕(1 使所述的CCD 探測(cè)器(7)能觀察到清晰的空心光束，此時(shí)微調(diào)第二旋鈕(14)并旋轉(zhuǎn)所述的偏振分析器 (16)，通過(guò)CCD探測(cè)器(7)觀察檢偏后的光斑樣式，當(dāng)輸出光束中的暗線(xiàn)一直與所述的偏振分析器(16)的偏振方向呈某一夾角，此時(shí)輸出的光束即為中間態(tài)偏振光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述的方位偏振角θ^因不同的光纖有所變化，Θ。 5°。
全文摘要
一種偏振態(tài)可調(diào)空心光束的產(chǎn)生裝置和方法，該裝置包括激光光源，沿該激光光源的激光輸出方向，依次是起偏器、四分之一波片、顯微物鏡、光纖、準(zhǔn)直透鏡和多維調(diào)整架，所述的顯微物鏡固定在所述的多維調(diào)整架的夾具，所述的光纖的輸入端頭固定在所述的多維調(diào)整架的光纖支架上且該輸入端的端面位于所述的顯微物鏡的后焦點(diǎn)上，所述的光纖的輸出端的端面位于所述的準(zhǔn)直透鏡的前焦點(diǎn)，所述的光纖是少模光纖，所述的多維調(diào)整架還有第一旋鈕、第二旋鈕和第三旋鈕分別通過(guò)夾具對(duì)所述的顯微物鏡的水平和俯仰角度進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)聚焦后的光束對(duì)光纖的離軸入射。本發(fā)明具有裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的偏振態(tài)可調(diào)的空心光束輸出。
文檔編號(hào)G02B27/09GK102289075SQ20111021931
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月2日
發(fā)明者方志強(qiáng), 李建郎 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所