[發明專利]一種柱偏振矢量光束緊聚焦光斑的產生方法及裝置

有效

• 申請號: 201210535245.5
• 申請日: 2012-12-12
• 公開（公告）號: CN102967928A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 董一鳴;王飛;劉顯龍;蔡陽健
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G02B21/32
• 分類號: G02B21/32;G02B27/28
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 常亮

技術領域

本發明涉及柱偏振矢量光束緊聚焦光斑陣列的產生方法，特別是一種動態實時的可任意旋轉的柱偏振矢量光束緊聚焦光斑陣列的產生方法及裝置。

背景技術

激光光鑷，是運用激光作為技術手段來俘獲、操縱控制微小顆粒的一項技術，是一門新興前沿學科，同樣是結合物理、生物、醫學的交叉學科。光鑷因其對生物微粒的生命活動干擾極小，整個操控體系涉及的細胞生存環境幾乎等同于“天然”環境，可以把生物微粒的生命活動變化完整保留并實現無菌、無損傷、實時動態操控，同時光鑷技術使得生物醫學分子或細胞的生命過程成為人為可控，可以對其生命活動中的任一環節進行人為調節，對其個體行為進行研究。

我國在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》就明確指出基因和蛋白質的操作作為國家的前沿科技，同時對一些交叉學科和新興學科也列入基礎研究領域的重要方向。

激光光鑷的工作原理是利用光場強度空間變化形成的梯度力把微粒穩定地捕獲在光強最強處，即光束的焦點位置，當激光束移動時就可以帶動微粒一起運動，實現對微粒的精密操控。如果利用光子的軌道角動量和自旋角動量與被捕獲微粒的傳遞，還可以實現對微粒的旋轉。以單光束高斯光鑷為例，當一束高度會聚的高斯光場作用于一個透明的微粒時，當微粒的折射率大于周圍介質的折射率時，無論是在光的傳播方向，還是在垂直于傳播方向的平面內，光場強度變化形成的梯度力對會把粒子推向束腰處，形成三維光學勢阱。所以要想將粒子穩定地束縛在光場勢阱中，必須將激光束高度匯聚從而產生足夠強的梯度力。這通常需要使用高數值孔徑的顯微物鏡，把光束緊聚焦成波長量級的光斑來實現。

近年來，柱偏振矢量光束引起了人們越來越多的關注。這種光束的光場分布和偏振態分布均關于光軸呈柱對稱。其中，最特殊的兩類就是徑向偏振光和角向偏振光，這兩類光束在橫截面上的偏振態分別沿著徑向和方向角方向分布。由于柱偏振矢量光束獨特的偏振特性，這類光束通過高數值孔徑透鏡后具有非常獨特的緊聚焦特性。例如，徑向偏振光通過高數值孔徑緊聚焦后，會產生一個空心的圓對稱的橫向電場分量，以及一個比橫向分量強得多且小得多的沿著光軸方向的高斯型縱向分量，從而得到一個非常小的緊聚焦光斑。角向偏振光通過高數值孔徑透鏡緊聚焦后，則只產生一個空心的圓對稱的純橫向分量。這些獨特的緊聚焦特性在激光光鑷方面具有非常重要的應用價值。例如聚集后的徑向偏振光比線偏振光擁有更大的梯度力，并且在光軸方向上不存在散射力；而聚集后的角向偏振光能夠捕獲折射率比周圍介質小的微粒。

對于研究柱偏振矢量光束通過高數值孔徑透鏡緊聚焦的文獻非常多。研究者們通過對入射的柱偏振矢量光束進行調控從而達到調控緊聚焦后光斑的目的。調控主要振幅調控、位相調控以及相干性調控三種。主要采用在高數值孔徑透鏡前面插入光學元件來實現。具體的光學元件主要有環狀光瞳、振幅濾波器、二元位相片以及旋轉的毛玻璃片等。通過這些調控方式，能夠對緊聚焦后的光斑形狀進行整形調控，從而達到不同的應用需求，例如聚焦成更小的光斑以提供更大的梯度力，從而更穩定的捕獲微粒；產生特殊形狀的聚焦光斑，從而捕獲不同類型的微粒。進一步的，研究者們還利用渦旋位相片，使得入射的柱偏振矢量光束帶有軌道角動量，從而達到聚焦后的光斑能夠穩定地旋轉微粒的目的。但要注意到，利用這種方法旋轉微粒，在需要調整旋轉速度時，必須對光路做出較大的調整。

發明內容

本發明的目的是設計一種動態實時的可任意旋轉的柱偏振矢量光束緊聚焦光斑陣列的產生方法及裝置。

為了實現上述目的，本申請提供的技術方案如下：

一種柱偏振矢量光束緊聚焦光斑的產生方法,將產生的柱偏振矢量光束依次通過第一半波片、第二半波片和顯微物鏡，獲得聚焦光斑，旋轉第二半波片控制所述聚焦光斑的旋轉速度，定義極坐標系，所述柱偏振矢量光束的表達式為：