一种用于角向偏振选择的小锥角W形轴锥镜

摘要

本发明公开了一种用于角向偏振选择的小锥角W形轴锥镜。小锥角W形锥镜的反射面由位于中央区域的外锥面和外围区域的内锥面组成，内锥面和外锥面形成内部中空的反射结构，外锥面的半锥角α和内锥面的半锥角β满足几何关系式：3α+2β＝90°，且0°<α<30°。本发明结构简单，对称性好、抗失调能力强，热稳定性能和机械性能优良，制作简单，成本低，可广泛应用于气体、固体和半导体激光器产生高功率、高纯度的角向偏振光。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种用于角向偏振选择的小锥角W形轴锥镜。

背景技术

角向偏振光是一种常见的矢量偏振光束，光斑上任一点的偏振方向均垂直于径向，因其光束中心存在偏振“奇点”，所以表征为中心光强为零的环状光束。通过对激光器输出的激光束进行处理可以得到角向偏振光。由于角向偏振光特殊的矢量偏振结构，使其在很多领域得到了应用。在科学研究领域，角向偏振光可用于引导原子。在强聚焦下，角向偏振光也可以作为“光镊子”实现对粒子捕获。角向偏振光还可以用于双光子荧光成像，突破衍射极限，提高分辨率。在工业加工领域，角向偏振光可用于打孔和焊接，以提高打孔和焊接深度；角向偏振光也可通过外光学系统转换而变成径向偏振光，以提高切割速度和加工质量。

目前，角向偏振光的产生分为被动和主动两种方式。被动的方式主要采用组合波片、光栅等元件对激光器产生的线偏振光的偏振分布做空间重排，或使用一对正交偏振的TEM₀₁光束相干叠加得到。主动方式一般采用双折射晶体或圆形光栅镜等偏振选择性元件在激光谐振腔中实现角向偏振光的振荡输出。相比于被动方法，主动方法转化效率高，可以实现高功率输出。实验研究表明，采用主动方法得到角向偏振光，仅需要偏振选择器件对S偏振光的反射率至少比P偏振光的反射率高4％，就可以得到高纯度 的角向偏振光。但是由于双折射晶体的产生方法需要配合小孔选模等其他技术，实现起来稳定性差，得到的角向偏振光偏振纯度不高；而光栅镜设计制作复杂，价格比较昂贵。

发明内容

针对上述背景技术存在的不足，本发明提供一种用于角向偏振选择的小锥角W形轴锥镜旨在解决现有技术中由于稳定性差、设计复杂而导致偏振光偏振纯度不高且价格昂贵的问题。

本发明采用的技术方案为一种用于角向偏振选择的小锥角W形轴锥镜，该小锥角W形轴锥镜沿平行且经过于光轴方向的截面呈W形，该截面关于光轴轴对称，且该小锥角W形轴锥镜以光轴为中心旋转对称，该小锥角W形轴锥镜的反射面由相对布置的外锥面和内锥面组成，该外锥面的半锥角为α，该内锥面的半锥角为β，其中3α+2β＝90°，且0°<α<30°。

进一步地，外锥面和内锥面上镀有偏振选择膜，用于提高反射面的反射率。

进一步地，外锥面的半锥角α＝18°，内锥面的半锥角β＝18°，便于加工制造。

进一步地，外锥面与内锥面的交接处设有过渡区域，便于加工制造。

进一步地，过渡区域为与外锥面和内锥面均相切的环形弧面或垂直于光轴的环形平面，便于加工制造。

进一步地，过渡区域设有环形开口槽，用于内锥面与外锥面热应力的释放，保证内锥面与外锥面的平面度。

进一步地，内锥面与外边缘交接处设有加强区域，用于增加小锥角W形轴锥镜的结构强度。

进一步地，加强区域为垂直于光轴的环形平面，便于加工制造。

更进一步地，小锥角W形轴锥镜材料为金属铜材，金属铜材有高的反射率，有利于提高角向偏振光偏振纯度。

本发明利用金属轴锥面反射镜对S-偏振光的反射率要高于对P-偏振光的反射率的特点，具有特定半锥角的内锥面和外锥面形成一个中空的多次反射结构，激光束以大的入射角射入外锥面后，依次经过在外锥面和内锥面的反射，然后沿入射光原路返回射出，此时S-偏振光保持很高的反射率，而P-偏振光则损耗较大，最终能在激光谐振腔内起振并维持的偏振态的就只有角向偏振。将该小锥角W形轴锥镜用做谐振腔尾镜，就可以在腔内有效抑制P-偏振光，而仅让S-偏振光形成振荡，从而起到角向偏振选择的作用。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果。

1、本发明中小锥角W形轴锥镜可以实现激光束以大于60°的入射角入射，在该入射角下该小锥角W形轴锥镜反射面对S-偏振光反射率与对P-偏振光反射率之间差值较大，即S-偏振光经过该反射面的损耗远远小于P-偏振光经过该反射面的损耗，经过少数次反射就能够获得高纯度的角向偏振光，使该小锥角W形轴锥镜结构简单。

2、由于在大的入射角下，反射面对S偏振光的反射率高，对S偏振光的吸收率小，对反射面的热影响较小，能够降低反射面的热畸变，提高该小锥角W形轴锥镜的抗损伤阈值和抗失调能力，保证反射面的平面度，有利于该W轴锥镜在谐振腔的应用。

3、本发明中小锥角W形轴锥镜简单，对称性好，容易加工，制造成本低。可广泛应用于气体、固体和半导体激光器产生高功率、高纯度的角向偏振光。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的半锥角图

图4为金属铜镜对S-偏振光和P-偏振光反射率与入射角的关系曲线图；

图中：1、光轴；2、外锥面；3、内锥面；4、过渡区域；5、加强区域；6、激光束，7、环形开口槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的小锥角W形轴锥镜沿平行且经过于光轴1方向的截面呈W形，该截面关于光轴1轴对称，且该小锥角W形轴锥镜以光轴1为中心旋转对称，该小锥角W形轴锥镜的中间部分为外锥结构，外围部分为内锥结构，其反射面由位于中央区域的外锥面2和外围区域的内锥面3组成，外锥面2与内锥面3的交接处设有一个宽度为D的过度区域4，过渡区域4可以为垂直于光轴的环形平面，也可以为分别与外锥面2和内锥面3相切的环形弧面。该区域的设置主要是为了降低加工的难度，该过渡区域的宽度可根据加工工艺要求而适当调整，以便于制作。另外，在过渡区域4设有环形开口槽7，用于内锥面与外锥面热应力的释放，保证内锥面 与外锥面的平面度。内锥面3和边缘交接处设有一个宽度为E的加强区域5，加强区域5为垂直于光轴的环形平面，该区域的设置主要是为了增加小锥角W形轴锥镜的结构强度，避免加工损坏。如图2所示，过渡区域4、加强区域5以及环形开口槽均为环形结构。

如图3所示，为保证入射的光线能够沿入射光的原路径返回向外射出，即入射光线6与外锥面2的夹角为90°，那么外锥面2和内锥面3的半锥角α和β应满足一定的几何关系：3α+2β＝90°，且0°<α<30°。外锥面2和内锥面3均为具有为高反射率的平面，可以在外锥面2和内锥面3的表面镀金膜，来进一步提高激光反射率，也可以镀其他特殊偏振选择膜，来增大S-偏振光和P-偏振光的反射率差别，以提高偏振选择能力，外锥面2和内锥面3形成内部中空的多次反射结构。

选取小锥角W形轴锥镜的材料为金属铜，外锥面2和内锥面3的半锥角α和β分别取18°和18°，反射面没有镀层，过渡区域4为垂直于光轴的环形平面，过渡区域5为垂直于光轴的环形平面。金属铜材的反射面对S-偏振光和P-偏振光的反射率随入射角的变化曲线，这两种偏振光反射率的数学表达式分别为：R_s＝((n-cosθ)²+k²)/((n+cosθ)²+k²)和R_p＝((n-secθ)²+k²)/((n+secθ)²+k²)，其中，θ为入射角，n和k分别为反射面材料折射率的实部和虚部。对于平面反射铜镜，当入射角θ＝0°时，S-偏振光和P-偏振光的反射率没有差别。而对于相同金属铜材的内锥反射面和外锥反射面，当入射角θ＝72°(即α＝18°且β＝18°)时，此时从图4中可明显看出，S-偏振光的反射率要显著高于P-偏振光的反射率，即R_s＞R_p。激光束在经过三次反射后，P-偏振光全部损耗，得到高纯度的S-偏振光，同时由 于金属铜材的反射面对S-偏振光反射率较高，对S-偏振光吸收率较小，将该W形金属铜材轴锥镜应用到谐振腔尾镜中，在谐振腔在工作时，W形金属铜材轴锥镜的反射面对来回震荡的S-偏振光吸收率较小，反射面上热量较小，反射面热变形小，有利于W形金属铜材轴锥镜更加稳定的产生纯度高的角向偏正光。另外，本发明结构简单，对称性好，利用传统的车削加工即可制造出精度高的小锥角W形轴锥镜。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。