一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置及方法，包括沿光线传播方向依次设置且轴线均共线的共轭螺旋相位偏振化起偏器、偏振选择性手性反转器和非偏振螺旋相位片，三者间隙或贴合设置；偏振选择性手性反转器包括沿光线传播方向依次连接的第一液晶延迟片、各向异性晶体和第二液晶延迟片；第一液晶延迟片和第二液晶延迟片的快轴为均匀排布，且分别与x轴呈夹角和夹角，X轴与光线传播方向垂直且位于水平面上，各向异性晶体沿光线传播方向的长度d为h为各向异性晶体垂直于光线传播方向的高度。实现了频率微偏功能的微小频率偏移装置。了频率微偏功能的微小频率偏移装置。了频率微偏功能的微小频率偏移装置。

【技术实现步骤摘要】
一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置及方法


[0001]本专利技术属于光学领域，涉及一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置及 方法。

技术介绍

[0002]激光具有优良的单色性和相干性，是光学检测、光学加工等领域的常用光源。 频率是激光抽象为物理模型时的基本参数，在激光相关的理论计算中不可或缺。 精确的频率往往可以大大提高各种应用场景和理论下的计算精确度，因此频率的 精确调节和测量一直是光学领域的亟待完善的关键问题。
[0003]激光频率的调节方式大体分为腔内和腔外两大类。腔内调节即通过各种方式 调整谐振腔的参数，使得不需要的波长损耗增加从而限制其输出，改变中心波长。 常见的方法比如在腔内加入棱镜或者石英标准具、为腔镜引入闪耀角都可以达到 调谐目的。但是一些激光器在出厂时并不便于向用户开放这类调节，因此在大多 数应用领域中腔内调节方式不便展开。而且调节共振腔的长度不可避免的会连带 改变激光的其它参数，甚至将激光频谱展宽，也不利于实际应用。另外一些调节 方式，如石英晶振频率调节技术，通过复杂的反馈步骤才能精准气化表面电极膜 层，将输出频率调整到预定数值。
[0004]相比之下，腔外调节技术具有更广泛的应用场景。常用的腔外调节方式有声 光调制和电光调制两种。声光调制器的工作原理是通过超声波在介质中引入周期 变化的折射率，当超声波通过介质时，介质中各点会出现周期性的弹性应变，此 时介质中各点的折射率也会产生相应的疏密周期性变化，从而形成相位型光栅。 工作模式下，将激光由合适的方向入射，可以得到最大衍射效率的频率随超声波 变化的一级衍射光。声光调制过程会引入衍射角，继而改变光束的传播方向，衍 射角随超声波频率变化，在应用中引入了传播方向的不稳定性。单台声光调制器 的调节范围在10kHz以上，工作模式的系统损耗在20％左右，主要取决于光栅的 衍射效率。电光调制器根据实现方法的不同分为M
‑
Z干涉型、定向耦合型、F
‑
P 型等。其原理均为运用周期性电压改变介质折射率，进而以光程的周期性变化为 光束附加周期震荡成分，实现频率调制。此类器件转化效率最高为85％，提供0.1
‑ꢀ
100MHz的共振频率。完整的电光调制器需配备专用的电压控制器来引入高频的 电驱周期。
[0005]随着激光技术的发展，尤其是窄线宽激光器的技术突破，实际应用中需要一 种频率调节范围小，频率稳定性高的调节方式，即频率微偏器。在高精度应用场 合中，声光调制和电光调制的可调谐频率和出射功率很难满足需求，调节方式附 带的展宽副作用也逐渐成为评估调谐方式的主要参数之一。频谱展宽作用明显、 可调谐量过大、出射功率太小的调谐方式，在诸多微调场景下表现不佳。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于柱矢量光场的激 光微小频率偏移装置及方法，实现了频率微偏功能的微小频率偏移装置。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0008]一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，包括沿光线传播方向依次设 置且轴线均共线的共轭螺旋相位偏振化起偏器、偏振选择性手性反转器和非偏振 螺旋相位片，三者间隙或贴合设置；
[0009]偏振选择性手性反转器包括沿光线传播方向依次连接的第一液晶延迟片、各 向异性晶体和第二液晶延迟片；第一液晶延迟片和第二液晶延迟片的快轴为均匀 排布，且分别与x轴呈夹角和夹角，X轴与光线传播方向垂直且位于水平面 上，各向异性晶体沿光线传播方向的长度d为h为各向异性晶体垂直 于光线传播方向的高度。
[0010]优选的，共轭螺旋相位偏振化起偏器采用各向异性晶体材料、液晶聚合物或 超材料制成。
[0011]优选的，共轭螺旋相位偏振化起偏器的快轴排布为θ为晶轴相对于横 向平面x轴的夹角，为横向平面极坐标表示中的角向坐标，l为光的轨道角动量 拓扑荷，快轴与慢轴之间满足半波延迟关系。
[0012]优选的，非偏振螺旋相位片为角向厚度呈梯度变化的波片。
[0013]进一步，非偏振螺旋相位片的厚度为其中n为介质折射率，n0为空气折射率，L0为常数，λ为设定波长，为横向平面 极坐标表示中的角向坐标，l为光的轨道角动量拓扑荷。
[0014]一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，包括沿光线传播方向依次设 置且轴线均共线的共轭螺旋相位偏振化起偏器、偏振选择性手性反转器和非偏振 螺旋相位片，三者间隙或贴合设置；
[0015]偏振选择性手性反转器包括沿光线传播方向依次连接的第一液晶延迟片、各 向同性晶体和第二液晶延迟片；第一液晶延迟片和第二液晶延迟片外侧均设置有 各向同性介质材料，第一液晶延迟片和第二液晶延迟片的为二分之一延迟量分布。
[0016]优选的，各向同性晶体沿光线传播方向的长度d为d＝2f
y
，其中 f
y
为偏振选择透镜在介质中的焦距，ρ为曲率半径，n为介质折射率，n0为空气折 射率；在偏振选择透镜中，各向同性介质材料的厚度为 L0为常数；液晶聚合物层的快轴排布θ为晶轴相对于横 向平面x轴的夹角，λ为设定波长。
[0017]一种上述所述装置的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移方法，包括以下步 骤；
[0018]步骤一，向共轭螺旋相位偏振化起偏器入射水平偏振态基模高斯光，入射模 式表示为|H,0>，其中|R>代表右旋圆偏振，|L>代表左旋圆偏 振；
[0019]步骤二，水平偏振态基模高斯光在共轭螺旋相位偏振化起偏器中的过程为 |R,0>
→
|L,
‑
l〉,|L,0>
→
|R,l〉，l为光的轨道角动量拓扑荷；
[0020]步骤三，通过偏振选择性手性反转器为矢量光场加入偏振选择性旋转，即作 用于圆偏振成分|R,l〉或者|L,
‑
l〉,并且将该圆偏振成分的角向拓扑荷反转(l
→ꢀ‑
l或
‑
l
→
l)，反转后的两个成分变为|R,l〉|L,l>，或者为|R,
‑
l〉，|L,
‑
l〉。以前 者为例，同时对|L,l>进行频率移动，移动量为|L,
‑
l>
→
exp(2ilΩ)|L,l>，其中Ω 表示偏振选择性手性反转器旋转的角速度；
[0021]步骤四，非偏振螺旋相位片无视偏振选择，为光场附加逆向螺旋相位，将反 转后的圆偏振成分的螺旋波前转变为平面波前，即|R,l>
→
|R,0>或|L,l>
→
|L,0>。
[0022]优选的，将反转后的圆偏振成分的螺旋波前转变为平面波前后，检测偏移装 置出射光的水平偏振成分，获取本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，包括沿光线传播方向依次设置且轴线均共线的共轭螺旋相位偏振化起偏器(1)、偏振选择性手性反转器(2)和非偏振螺旋相位片(3)，三者间隙或贴合设置；偏振选择性手性反转器(2)包括沿光线传播方向依次连接的第一液晶延迟片(4)、各向异性晶体(5)和第二液晶延迟片(6)；第一液晶延迟片(4)和第二液晶延迟片(6)的快轴为均匀排布，且分别与x轴呈夹角和夹角，X轴与光线传播方向垂直且位于水平面上，各向异性晶体(5)沿光线传播方向的长度d为h为各向异性晶体(5)垂直于光线传播方向的高度。2.根据权利要求1所述的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，共轭螺旋相位偏振化起偏器(1)采用各向异性晶体材料、液晶聚合物或超材料制成。3.根据权利要求1所述的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，共轭螺旋相位偏振化起偏器(1)的快轴排布为θ为晶轴相对于横向平面x轴的夹角，为横向平面极坐标表示中的角向坐标，l为光的轨道角动量拓扑荷，快轴与慢轴之间满足半波延迟关系。4.根据权利要求1所述的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，非偏振螺旋相位片(3)为角向厚度呈梯度变化的波片。5.根据权利要求4所述的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，非偏振螺旋相位片(3)的厚度为其中n为介质折射率，n0为空气折射率，L0为常数，λ为设定波长，为横向平面极坐标表示中的角向坐标，l为光的轨道角动量拓扑荷。6.一种基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，包括沿光线传播方向依次设置且轴线均共线的共轭螺旋相位偏振化起偏器(1)、偏振选择性手性反转器(2)和非偏振螺旋相位片(3)，三者间隙或贴合设置；偏振选择性手性反转器(2)包括沿光线传播方向依次连接的第一液晶延迟片(4)、各向同性晶体(8)和第二液晶延迟片(6)；第一液晶延迟片(4)和第二液晶延迟片(6)外侧均设置有各向同性介质材料(7)，第一液晶延迟片(4)和第二液晶延迟片(6)的为二分之一延迟量分布。7.根据权利要求6所述的基于柱矢量光场的激光微小频率偏移装置，其特征在于，各向同性晶体(8)沿光线传播方向的长度d为d＝2f
y
，其中f
y
为偏振选择透镜在介质中的焦距，ρ为曲率半...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾俊亮，张沛，赵子丹，王晨辉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：