[發(fā)明專利]一種用于產(chǎn)生空心光束的位相型光瞳濾波器

無效

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• 申請日: 2011-11-15
• 公開（公告）號: CN102402006A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王偉
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域：

本專利涉及一種使用高數(shù)值孔徑物鏡聚焦時，可以在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生空心光束的矩形刻蝕位相型光瞳濾波器，特別是用于透鏡數(shù)值孔徑為0.85的二環(huán)位相型光瞳濾波器。

背景技術(shù)：

空心光束是指光束在傳播方向上有著強(qiáng)度為零的區(qū)域，且在此區(qū)域外三維空間都圍繞著高強(qiáng)度的一種特殊空心光束。由于它具有許多新穎獨(dú)特的物理性質(zhì)：如三維封閉的暗中空區(qū)域和極高的強(qiáng)度梯度，較小的暗斑尺寸，并且具有自旋與軌道角動量等，空心光束可以作為光學(xué)扳手和光鑷，目前已成為實(shí)現(xiàn)微光粒子(如微米粒子、納米粒子和生物細(xì)胞等)精確操縱和控制的有力工具。空心光束在激光光學(xué)、二元光學(xué)、計(jì)算全息、微觀粒子的光學(xué)囚禁、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，人們可以采用多種方法產(chǎn)生空心光束，主要包括幾何光學(xué)法、橫模選擇法、模式變換法、光學(xué)全息法、計(jì)算全息法、空心光纖法和位相片法。高數(shù)值孔徑物鏡在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，比如在激光加工、光學(xué)捕獲和操縱等領(lǐng)域均需要利用高數(shù)值孔徑透鏡。高數(shù)值孔徑下的光束傳播行為不同于一般低數(shù)值孔徑下的光束傳播行為，高數(shù)值孔徑具有很強(qiáng)的去偏振效應(yīng)，因此高數(shù)值孔徑下必須采用矢量衍射理論分析，才能得到正確的焦場分布結(jié)構(gòu)。Wolf等人給出了高數(shù)值孔徑下的焦場特性分析方法【在先技術(shù)1：B.Richards，E.Wolf，Pro.R.Soc.，A?253，358(1959)】，可以用來分析高數(shù)值孔徑下的焦點(diǎn)附近的光場結(jié)構(gòu)。位相型光瞳濾波器可以對光束波前結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制，可用來實(shí)現(xiàn)特定的焦場分布，我們根據(jù)矢量衍射理論，對可在焦點(diǎn)附近可以實(shí)現(xiàn)局域空心光束的環(huán)帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到實(shí)現(xiàn)空心光束的二環(huán)位相結(jié)構(gòu)。據(jù)我們所知，還沒有利用矢量衍射理論，針對數(shù)值孔徑為0.85的物鏡能夠給出實(shí)現(xiàn)空心光束的位相光瞳濾波器結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對數(shù)值孔徑為0.85的物鏡聚焦時，能夠在焦點(diǎn)附近形成局域空心光束的位相型光瞳濾波器。該濾波器在波長為λ的線偏振單色平面波入射時，在焦點(diǎn)處形成的局域空心光束橫向半徑為0.67λ，縱向半徑為1.59λ。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

本發(fā)明涉及一種可以在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生局域空心光束的光瞳濾波器，該濾波器為矩形刻蝕二環(huán)位相型光瞳濾波器。其特征在于，該二環(huán)位相型濾波器的歸一化半徑分別為0.7≤r₁≤0.72，r₂＝1，位相調(diào)制深度為或且本發(fā)明提供了一種針對物鏡數(shù)值孔徑為0.85設(shè)計(jì)的，可以在焦點(diǎn)處橫向和軸向產(chǎn)生三維局域空心光束的光瞳濾波器，可應(yīng)用于光學(xué)捕獲或操縱等領(lǐng)域中。

本發(fā)明的依據(jù)如下：

圖1顯示了二環(huán)位相型光瞳濾波器的幾何結(jié)構(gòu)。r₁，r₂為歸一化半徑，為位相調(diào)整深度。將二環(huán)位相光瞳濾波器放置在數(shù)值孔徑為0.85的透鏡之前，一線偏振單色平面波垂直入射，如圖2所示。

在如圖1所示的二環(huán)位相光瞳濾波器結(jié)構(gòu)下，本發(fā)明采用矢量衍射方法【在先技術(shù)1】計(jì)算了數(shù)值孔徑為0.85的物鏡焦點(diǎn)附近的橫向和軸向光強(qiáng)分布，通過分析不同歸一化半徑和位相調(diào)整深度下焦點(diǎn)附近的橫向和軸向光強(qiáng)分布，對二環(huán)的半徑、位相調(diào)制深度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生三維局域空心光束分布的二環(huán)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下：

1、該結(jié)構(gòu)既可在焦平面上產(chǎn)生空心光束，同時又在軸向?qū)崿F(xiàn)了空心光束，即在焦點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了三維的空心光束，橫向和軸向的空心光束半徑分別為0.67λ和1.59λ。

2、該結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)兼容，可以直接用于現(xiàn)有的高數(shù)值孔徑透鏡中，同時該結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，有利于減少光學(xué)系統(tǒng)的體積、重量和復(fù)雜性。

3、該光瞳濾波器制作工藝簡單，能夠利用現(xiàn)有的二元光學(xué)加工工藝制作，同時具有制作容差大的優(yōu)點(diǎn)，半徑和位相調(diào)整深度的微小變化對空心光束的性能影響很小，減小了工藝的復(fù)雜性。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明二環(huán)位相型光瞳濾波器的幾何結(jié)構(gòu)。

圖2是本發(fā)明二環(huán)位相型光瞳濾波器應(yīng)用于數(shù)值孔徑為0.85的透鏡前的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是應(yīng)用二環(huán)位相型光瞳濾波器后，焦點(diǎn)附近橫向的二維光強(qiáng)分布示意圖。

圖4是應(yīng)用二環(huán)位相型光瞳濾波器后，橫向過焦點(diǎn)的一維光強(qiáng)分布示意圖。

圖5是應(yīng)用二環(huán)位相型光瞳濾波器后，焦點(diǎn)附近軸向的二維光強(qiáng)分布示意圖。

圖6是應(yīng)用二環(huán)位相型光瞳濾波器后，軸向過焦點(diǎn)的一維光強(qiáng)分布示意圖。

具體實(shí)施例：