[發明專利]一種環形聚焦光斑的實現方法及其實現裝置

有效

• 申請號: 201710310427.5
• 申請日: 2017-05-04
• 公開（公告）號: CN106950705B
• 公開（公告）日: 2019-01-29
• 發明（設計）人: 陳建農;朱林偉;李志剛;徐欽峰
• 申請（專利權）人: 魯東大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B27/28
• 代理公司: 煙臺上禾知識產權代理事務所(普通合伙) 37234
• 代理人: 劉志毅

1.一種環形聚焦光斑的實現方法,其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1:將任意偏振的激光光束擴束準直后轉換為線偏振的激光光束；

步驟S2:將準直擴束后的線偏振激光光束利用反射型的純相位空間光調制器進行激光光束相位調制；

步驟S3:將相位調制后的線偏振光通過4F傅里葉變換成像系統成像到聚焦物鏡的后孔徑平面；

步驟S4:物鏡對相位調制的入射線偏振激光光束聚焦，在焦平面區域將產生多個位于圓周上的焦點，且每個焦點之間方位角間隔相等；

步驟S5:當圓周半徑縮小到一個波長λ，產生環形光斑，圓周半徑r在0＜r＜λ范圍內變化時，環形光斑的尺寸連續變小，直到形成一個實心光斑，通過改變圓周的圓心位置，使環形光斑位置橫向發生任意的移動；

步驟S6:當計算多幅相位調制圖時，每幅對應的位置移動變化很小，且連續動態更新空間光調制器的相位圖使得環形光斑連續移動。

2.根據權利要求1所述的一種環形聚焦光斑的實現方法，其特征在于，所述步驟S2的激光光束相位調制包括以下步驟：

步驟S201:將物鏡的圓形后孔徑平面均分為M個面積相同的扇形；其中每個扇形區域的頂點為入射后孔徑平面的中心，扇形的半徑為物鏡后孔徑平面的半徑R，每個扇形的圓心角為其中M為偶數；

步驟S202:確定橫向多焦點數目N，再將步驟S201劃分的每個扇形區域進一步分為N個面積相等的子扇形區域,其中每個子扇形區域的頂點還是后孔徑平面的中心，每個子扇形區域的半徑為圓形后孔徑平面的半徑R，且每個子扇形區域對應的圓心角為Δδ＝2π/(MN)；

步驟S203:將M×N個子扇形區域進行以下相位調制，第m個扇形區域的第n個子扇形區域的相位調制值在坐標x₀,y₀點的相位ψ_mn(x₀,y₀)為：

其中m為小于等于M的正整數，其中N.A.為物鏡的數值孔徑，λ為波長，n_t為焦點區域的折射率，x₀,y₀為后孔徑平面上的直角坐標，Δx_n和Δy_n分別由下兩式得到：

其中，x_c,y_c為圓心在x₀,y₀直角坐標系中的坐標值，r為圓周的半徑；將ψ_mn(x₀,y₀)繪制成代表0到2π的灰度圖；

步驟S204:將繪制的灰度圖加載到反射型純相位空間光調制器的反射面上。

3.根據權利要求2所述的一種環形聚焦光斑的實現方法，其特征在于，所述步驟S202中的橫向多焦點數目N在一定范圍調節，每個焦點等間距分布在一個圓周上，當半徑縮小時，相鄰焦點之間間距縮小，直到連接在一起，形成一個環形光斑。

4.根據權利要求3所述的一種環形聚焦光斑的實現方法，其特征在于，所述位于圓周上的等間距焦點連接成一個平滑的圓周環后，進一步縮小半徑，以獲得不同半徑的圓對稱聚焦環形光斑。

5.根據權利要求2所述的一種環形聚焦光斑的實現方法，其特征在于，所述環形光斑的圓心通過改變x_c,y_c的數值而改變，環形光斑的位置任意移動。

6.根據權利要求2所述的一種環形聚焦光斑的實現方法，其特征在于，所述環形光斑上每一個點的偏振方向與入射到物鏡的激光光束線偏振方向一致。

7.一種根據權利要求1-6任一項所述的環形聚焦光斑的實現方法的實現裝置，其特征在于：包括激光器、擴束及準直系統、線偏振起偏器、立方分光鏡、純相位空間光調制器、4F傅里葉變換成像系統、物鏡、鏡筒透鏡、電荷耦合成像器件以及計算機顯示器；

所述激光器發出的任意偏振的激光光束，經所述擴束及準直系統進行擴束和準直成平面波，經所述線偏振起偏器轉換成線偏振光，所述立方分光鏡將所述線偏振光反射，反射后的線偏振光垂直入射空間光調制器的反射面，進入純相位空間光調制器；

所述計算機加載光束相位調制圖到純相位空間光調制器上，所述純相位空間光調制器對入射光進行相位調制，從所述純相位空間光調制器反射回來的光先通過所述立方分光鏡，并通過所述4F傅里葉變換成像系統，所述立方分光鏡將物鏡焦平面上環形光斑反射的光通過物鏡后再反射到鏡筒透鏡，所述4F傅里葉變換成像系統將相位調制后的線偏振激光光束成像到所述物鏡的后孔徑位置上，并使入射物鏡的激光束相位得到調制；

相位調制后的激光束通過所述物鏡聚焦后在焦平面處形成N個位于圓周上的等間距焦點，當圓周半徑r小于一個波長時,圓對稱環形光斑通過在焦平面放置反射鏡面將光斑反射進入所述物鏡，然后由所述立方分光鏡反射進入所述鏡筒透鏡，出射到所述電荷耦合成像器件，最后成像在計算機上，通過計算機顯示器顯示出來。