[發明專利]三維達曼陣列產生器

有效

• 申請號: 201110388316.9
• 申請日: 2011-11-29
• 公開（公告）號: CN102385169A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 周常河;余俊杰;賈偉;王少卿;麻健勇;曹紅超
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B27/44
• 分類號: G02B27/44
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發明涉及一種基于二元光學元件的激光聚焦光場三維達曼陣列產生技術，特別是一種可以實現沿軸向和橫向擴展的等強度的聚焦光斑的三維達曼陣列產生器。

背景技術

自1960年代以來，激光器的發明給人類的生產生活帶了革命性的變化。正是由于激光的單色性、相干性和高亮度，激光的聚焦場在激光加工、激光手術、光鑷等場合表現出了無比的優越性，發揮著其不可替代的作用。然而，對于傳統的單路激光聚焦，其聚焦后場只有一個聚焦光斑，激光加工和激光捕獲效率低。微透鏡陣列是一種可以同時獲得多個聚焦光斑的技術。然而，微透鏡制作困難，同時光路應用不靈活，最重要的是對于微透鏡陣列的像差矯正困難，激光聚焦效率低。于是，人們就提出利用衍射光學方法來實現單路激光聚焦在焦面上的橫向多焦點，這樣就可以實現多路的并行激光加工或激光捕獲。在各種衍射光學器件中，達曼光柵以其高的衍射效率、設計加工簡單、方便批量復制等優點得到人們廣泛重視。

光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造周期性電介質結構，因為光子晶體在負折射材料超分辨和高效率光子傳導材料等方面的應用前景，受到人們的極大重視，同時也引起廣大科研人員的極大研究熱情。然而，盡管這種具有周期性折射率分布的結構早在1887年就被提出，時至今日有關光學波段的三維光子晶體的制作依然是一個極具挑戰性的工作。聚焦激光單點掃描為制作光子晶體提供一個可行的技術方案，然而，這種方法跟傳統的激光加工一樣，同樣具有效率低下的缺點。同時，在利用激光掃描制作三維光子晶體的過程中，縱向掃描需要極高精度的伺服跟蹤，尤其是對于光學波段的光子晶體。傳統的衍射光學元件像達曼光柵并不能提供一種縱向的并行加工能力，在縱向伺服上的要求跟單點激光掃描一樣，極為苛刻。

最近，《Applied?Optics》雜志上發表了一種基于空間光調制器的三維聚焦光斑陣列產生方案『Applied?Optics，50，3653(2011)』。該技術方案在標量聚焦理論范圍內，從理論和實驗上驗證了基于達曼位相調制技術可以在聚焦透鏡的幾何焦點附近實現三維的聚焦光斑的空間分布。然而，該技術是基于一個所謂的采用達曼編碼的三維光柵而產生的，該方案從本質上來講是一種計算機全息圖。這種集成的三維光柵實質上是一個二維達曼光柵和一個達曼波帶片的疊加。這種疊加造成了位相信息量的大量增加，圖案細節變得非常雜亂并且最小線寬急劇減小。然而，由于其固有的低的空間分辨率，這種基于空間光調制器的方案只能用在低數值孔徑透鏡聚焦場中，因為低數值孔徑透鏡的通光孔徑一般都在厘米量級。而實際的應用中(如光子晶體制作等)，往往要求聚焦透鏡數值孔徑要足夠大，這樣才能提供足夠高的能量密度和微米、以至亞微米的聚焦光斑。高數值孔徑物鏡的通光孔徑一般在幾個毫米，這就使得基于空間光調制器的三維光柵在孔徑內的周期數和總的像素數不能達到足夠多。這會導致所產生的三維聚焦光斑均勻性和效率大大降低，甚至三維光斑效果完全被破壞。所以，這種基于空間光調制器的三維光柵技術方案只能是一種原理上的驗證，不能用于大多數實際應用中。另外，即便空間光調制器能夠提供足夠高的空間分辨率，該技術方案所用的三維光柵是在標量聚焦理論范圍內設計的，并不能適用于高數值孔徑聚焦。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可適用于任何數值孔徑聚焦下的三維達曼陣列產生器，以產生等強度的M×N×Q的三維焦斑陣列的規則分布。

本發明的基本思想是在高數值孔徑物鏡的前加入一個1×Q的達曼波帶片和一個M×N的達曼光柵，從而在高數值孔徑物鏡的幾何焦點附近產生等強度M×N×Q的三維焦斑陣列的規則分布。

本發明的技術解決方案如下：

一種三維達曼陣列產生器，特點在于其構成是沿入射的均勻強度激光平面波方向依次包括：二維達曼光柵、由第一透鏡和第二透鏡組成的共焦透鏡組、入射光瞳、達曼波帶片和消像差聚焦物鏡，所述的二維達曼光柵是M×N的達曼光柵，所述的達曼波帶片是1×Q達曼波帶片，所述的達曼波帶片和所述的消像差聚焦物鏡的中心對準。

所述的達曼波帶片是一系列的位相為0，π相間的同心圓環結構，所述的達曼波帶片的歸一化半徑與所述的消像差聚焦物鏡的數值孔徑直接相關，對于不同的數值孔徑，所述的達曼波帶片的歸一化半徑需要重新設計，具體設計流程如下：

①根據具體應用要求，確定所述的達曼波帶片的軸向焦斑數目Q；