用于两路飞秒结构光场产生的光路系统及产生方法和应用

本发明涉及光场调控，具体涉及一种用于两路飞秒结构光场产生的光路系统及产生方法和应用。

背景技术：

1、光场参量主要包括振幅、相位、偏振、波长、脉宽等，描述空间结构光场的参量主要有空间振幅分布、空间相位分布、空间偏振态分布等，而空间偏振态分布包括空间椭偏率和空间椭偏主轴方向。高效生成并任意调控空间结构光场在光学微操纵、光学成像、飞秒微纳加工等领域具有广泛的应用前景，可调控的参量越多，其应用越广泛。

2、专利cn200710191085.6（任意偏振分布矢量光束的生成装置）中空间光调制器上加载的是全息光栅且利用朗奇光栅合束，导致生成效率较低，能够调控的空间变化参量仅为空间偏振。而专利cn108061975b（一种高效产生任意矢量光场的方法及装置）没用到光栅，其生成效率高，调控的参量为2个，分别为空间相位和空间偏振。为了保证空间结构光场生成效率高的同时调控更多的空间参量，我们设计了一种用于两路飞秒结构光场产生的光路系统，可调控的空间参量为4个，并且对于脉冲激光则加上一个脉冲时间间隔参量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于两路飞秒结构光场产生的光路系统，使得在提高空间结构光场生成效率的同时能够调控更多的空间参量。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于两路飞秒结构光场产生的光路系统，包括环形光路分束组件、结构光场生成组件和光路合束组件，所述环形光路分束组件由第一半波片、第一偏振分束镜、第一反射镜和第二反射镜组成，所述环形光路分束组件用于将来自飞秒激光器的一束光分为传播方向一致的两束光；所述结构光场组件由第二半波片、第二偏振分束镜、第三反射镜、第四反射镜、第一空间光调制器、第二空间光调制器、第一透镜、第二透镜、第三半波片和第四半波片组成，来自环形光路分束组件的两束光经过结构光场生成组件后将生成两路结构光；所述光路合束组件由第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜和消偏振合束镜组成，所述光路合束组件用于将结构光场组件生成的两路结构光合成为一束结构光。

4、在上述技术方案中，所述第一空间调制器和第二空间调制器为纯相位反射式空间光调制器。

5、具体的，所述光路系统还包括4f组件，所述4f组件由第三透镜、第二滤波器和第四透镜组成，所述4f组件能够设置于环形光路分束组件和结构光场生成组件之间，也能够设置于结构光场生成组件和光路合束组件之间，还能够在两处同时设置，所述4f组件用于滤波和光斑成像，从而得到质量更好的光斑。

6、进一步地，所述光路系统还包括四分之一波片，所述四分之一波片设置于结构光场生成组件和光路合束组件之间，所述四分之一波片用于改变空间椭偏率，例如可把椭偏率和主轴方向沿方位角向变化的矢量光场转化为径向偏振矢量光场或旋向偏振矢量光场。

7、更进一步地，所述光束合束组件还包括一维高精密平移台，所述一维高精密平移台上固定有第七反射镜和第八反射镜，所述一维高精密平移台用于调节两路结构光的时间间隔。

8、具体的，所述将来自飞秒激光的一束光分为传播方向一致的两束光，两束光分别为一束水平偏振光和一束垂直偏振光，两束光的传播方向一致且光轴平行。

9、上述光路系统产生两路飞秒结构光场的方法，包括以下步骤：

10、步骤1、由飞秒激光器发出的脉冲激光或连续激光进入到环形光路分束组件内，经第一偏振分束镜分为两束偏振相互垂直的线偏振光，其中一束水平线偏振光透过第一偏振分束镜，依次经过第二反射镜和第一反射镜反射回第一偏振分束镜后透射出去，另一束垂直偏振光经第一偏振分束镜反射后依次经过第一反射镜和第二反射镜反射回第一偏振分束镜，并经第一偏振分束镜反射出去，透射和反射出的两束线偏振光进入到结构光场生成组件内；

11、步骤2、偏振方向分别为水平偏振和垂直偏振的两束光经第二半波片后偏振方向旋转45°后，变为偏振方向分别与水平方向成45°和135°的两束光，两束光经第二偏振分束镜后分别变成两束水平偏振光和两束垂直偏振光，两束水平偏振光依次经过第三反射镜、第一空间光调制器、第一透镜、第一滤波器、第二透镜、第四半波片、第二空间光调制器、第三半波片和第四反射镜，两束垂直偏振光从反方向依次经过第四反射镜、第三半波片、第二空间光调制器、第四半波片、第二透镜、第一滤波器、第一透镜、第一空间光调制器和第三反射镜，两束水平偏振光和两束垂直偏振光返回到第二偏振分束镜后合成为两束结构光，并依次经四分之一波片、第三透镜、第二滤波器和第四透镜后进入到光路合束组件中；

12、步骤3、两束结构光中一束结构光依次经第六反射镜、第九反射镜反射到消偏振合束镜上，另一束结构光依次经第五反射镜、第八反射镜、第七反射镜反射到消偏振合束镜上，两束结构光在经过消偏振合束镜后合为一束结构光，并在经过第五半波片后，被探测器接收探测该束结构光的强度分布和空间偏振分布。

13、具体的，步骤1中，通过调节第一偏振分束镜和第一反射镜、第二反射镜的位置，能够使得偏振方向相互垂直的两束线偏振光沿同一方向传输，两束线偏振光的光轴相互平行，且光轴间隔距离能够调节。

14、具体的，步骤2中，将每个空间光调制器的工作区域分为面积相等的两区域，两个空间光调制器就有四个区域，在每个区域加载不同的全息计算图，通过调节结构光场生成组件内各元器件的位置以及加载的全息计算图，使得两束水平偏振光和两束垂直偏振光返回第二偏振分束镜后合成为两束结构光。

15、具体的，步骤3中，所述第七反射镜和第八反射镜构成一维高精密平移台，通过调节一维高精密平移台，能够获得时间间隔可调的双脉冲结构光，当两束结构光的时间间隔为0时，得到空间偏振、空间相位和空间振幅任意分布的光场。

16、一种用于两路飞秒结构光场产生的光路系统的应用，所述光路系统用于将飞秒激光器发射的脉冲激光或连续激光生成两路飞秒结构光场，同时能够调控两路飞秒结构光场的多个空间参量，并且对于发射的脉冲激光能够额外调控其脉冲时间间隔，得到空间偏振、空间相位和空间振幅任意分布的空间结构光场。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、1、本发明相较现有技术，在提高空间结构光场生成效率的同时能够调控更多的空间参量，具体可调控的空间参量为4个，并且对于脉冲激光能够额外调控脉冲时间间隔参量。

19、2、本发明用于两路飞秒结构光场产生的光路系统设计有4f组件，4f组件用于滤波和光斑成像，能够得到质量更好的光斑。

技术特征：

1.一种用于两路飞秒结构光场产生的光路系统，包括环形光路分束组件、结构光场生成组件和光路合束组件，其特征在于，所述环形光路分束组件由第一半波片（2）、第一偏振分束镜（5）、第一反射镜（3）和第二反射镜（4）组成，所述环形光路分束组件用于将来自飞秒激光器（1）的一束光分为传播方向一致的两束光；所述结构光场组件由第二半波片（6）、第二偏振分束镜（7）、第三反射镜（8）、第四反射镜（9）、第一空间光调制器（10）、第二空间光调制器（11）、第一透镜（12）、第二透镜（13）、第三半波片（14）和第四半波片（15）组成，来自环形光路分束组件的两束光经过结构光场生成组件后将生成两路结构光；所述光路合束组件由第五反射镜（21）、第六反射镜（22）、第七反射镜（23）、第八反射镜（24）、第九反射镜（26）和消偏振合束镜（27）组成，所述光路合束组件用于将结构光场组件生成的两路结构光合成为一束结构光。

2.根据权利要求1所述的一种用于两路飞秒结构光场产生的光路系统，其特征在于，还包括4f组件，所述4f组件由第三透镜（18）、第二滤波器（19）和第四透镜（20）组成，所述4f组件能够设置于环形光路分束组件和结构光场生成组件之间，也能够设置于结构光场生成组件和光路合束组件之间，还能够在两处同时设置，所述4f组件用于滤波和光斑成像，从而得到质量更好的光斑。

3.根据权利要求1所述的一种用于两路飞秒结构光场产生的光路系统，其特征在于，还包括四分之一波片（17），所述四分之一波片（17）设置于结构光场生成组件和光路合束组件之间，所述四分之一波片（17）用于改变空间椭偏率。

4.根据权利要求1所述的一种用于两路飞秒结构光场产生的光路系统，其特征在于，所述光束合束组件还包括一维高精密平移台（25），所述一维高精密平移台（25）上固定有第七反射镜（23）和第八反射镜（24），所述一维高精密平移台（25）用于调节两路结构光的时间间隔。

5.根据权利要求1所述的一种用于两路飞秒结构光场产生的光路系统，其特征在于，所述将来自飞秒激光 器（1）的一束光分为传播方向一致的两束光，两束光分别为一束水平偏振光和一束垂直偏振光，两束光的传播方向一致且光轴平行。

6.一种两路飞秒结构光场的产生方法，采用如权利要求1-5任一项所述的光路系统，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种两路飞秒结构光场的产生方法，其特征在于，步骤1中，通过调节第一偏振分束镜（5）和第一反射镜（3）、第二反射镜（4）的位置，能够使得偏振方向相互垂直的两束线偏振光沿同一方向传输，两束线偏振光的光轴相互平行，且光轴间隔距离能够调节。

8.根据权利要求6所述的一种两路飞秒结构光场的产生方法，其特征在于，步骤2中，将每个空间光调制器的工作区域分为面积相等的两区域，两个空间光调制器就有四个区域，在每个区域加载不同的全息计算图，通过调节结构光场生成组件内各元器件的位置以及加载的全息计算图，使得两束水平偏振光和两束垂直偏振光返回第二偏振分束镜（7）后合成为两束结构光。

9.根据权利要求6所述的一种两路飞秒结构光场的产生方法，其特征在于，步骤3中，所述第七反射镜（23）和第八反射镜（24）构成一维高精密平移台（25），通过调节一维高精密平移台（25），能够获得时间间隔可调的双脉冲结构光，当两束结构光的时间间隔为0时，得到空间偏振、空间相位和空间振幅任意分布的光场。

10.一种用于两路飞秒结构光场产生的光路系统的应用，其特征在于，所述光路系统用于将飞秒激光器（1）发射的脉冲激光或连续激光生成两路飞秒结构光场，同时能够调控两路飞秒结构光场的多个空间参量，并且对于发射的脉冲激光能够额外调控其脉冲时间间隔，得到空间偏振态、空间相位和空间振幅任意分布的空间结构光场。

技术总结
本发明公开了一种用于两路飞秒结构光场产生的光路系统及产生方法和应用，光路系统包括环形光路分束组件、结构光场生成组件和光路合束组件，所述环形光路分束组件用于将来自飞秒激光器的一束光分为传播方向一致的两束光；来自环形光路分束组件的两束光经过结构光场生成组件后将生成两路结构光；所述光路合束组件用于将结构光场组件生成的两路结构光合成为一束结构光。本发明相较现有技术，在提高空间结构光场生成效率的同时能够调控更多的空间参量，具体可调控的空间参量为4个，并且对于脉冲激光能够额外调控脉冲时间间隔参量。

技术研发人员：蔡孟强,吴之旭,鄢伟超,雷江涛,夏勇,唐荣欣
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23