[發(fā)明專利]一種環(huán)形聚焦光斑的實現方法及其實現裝置

有效

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• 申請日: 2017-05-04
• 公開（公告）號: CN106950705B
• 公開（公告）日: 2019-01-29
• 發(fā)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

本發(fā)明公開了一種環(huán)形聚焦光斑的實現方法，包括將激光光束擴束準直后轉換為線偏振的激光光束；將準直擴束后線偏振激光光束利用反射型純相位空間光調制器進行激光光束相位調制；將相位調制后線偏振光通過4F成像系統成像到聚焦物鏡的后孔徑平面；物鏡對相位調制的入射線偏振激光光束聚焦，在焦平面區(qū)域產生多個位于圓周上的焦點，焦點之間方位角間隔相等；當圓周半徑縮小到一個波長λ，產生環(huán)形光斑，圓周半徑r變化時，環(huán)形光斑的尺寸連續(xù)變小，直到形成實心光斑；當計算多幅相位調制圖時，每幅對應的位置移動變化很小，更新空間光調制器的相位圖使得環(huán)形光斑連續(xù)移動。本發(fā)明實現非渦旋平面線偏振光聚焦產生動態(tài)的、位置與尺寸精確控制的環(huán)形光斑。

技術領域

本發(fā)明涉及到光學領域，尤其涉及到一種環(huán)形聚焦光斑的實現方法及其實現裝置，激光束通過高數值孔徑物鏡聚焦產生特殊形狀，產生在焦平面上位置可控、尺寸可以改變的環(huán)形聚焦光斑。

背景技術

激光束通過高數值孔徑物鏡聚焦，其光斑形狀、位置、相位分布、強度分布、偏振分布與入射激光束的振幅分布、偏振狀態(tài)、相位調制以及物鏡的數值孔徑都有關。由于激光經物鏡聚焦產生的光斑與很多應用領域有關，因此，研究如何通過改變入射激光束的振幅分布、相位分布、偏振分布實現各種應用所需要的激光聚焦光斑成為一個非常重要的研究領域。在激光直寫光刻等領域，激光聚焦光斑通過光與物質材料相互作用來實現的。相互作用的區(qū)域越小，其分辨能力、信息密度或加工精細度等就越高。然而，單個光斑的尺寸受衍射極限的限制，只能聚焦到大約半個波長左右。

另一方面，激光束通過物鏡聚焦形成的環(huán)形光斑和圓形實心光斑在捕獲微小尺寸顆粒方面可以單獨發(fā)揮不同的作用。在微粒操控方面，環(huán)形光斑的尺寸直接決定了可操控顆粒的大小。由于環(huán)形光斑處于光軸上，要想捕獲離軸的微粒，需要橫向移動微粒與激光光斑的相對位置，要么移動激光束，要么移動樣品臺。移動激光束是不方便的，移動樣品臺則需要定位精度很好的樣品臺和控制系統。現有的光鑷系統在捕獲不同尺寸的微粒或在捕獲離軸的微粒方面缺少靈活性。

環(huán)形聚焦光斑尺寸的大小，與渦旋光束的拓撲荷有密切關系。研究表明，通常拓撲和變大，環(huán)形聚焦光斑尺寸也變大。而且拓撲荷只有為整數時，聚焦環(huán)形光斑才是圓對稱的。因此，要想獲得直徑最小的圓對稱環(huán)形光斑，拓撲荷為1似乎是最好的選擇。然而是否產生環(huán)形光斑以及環(huán)形光斑的大小，還與入射光束的偏振狀態(tài)有關。數值模擬研究表明：拓撲荷為1時，徑向偏振光束聚焦不會產生環(huán)形光斑。只有拓撲荷為2的徑向偏振渦旋光束聚焦才能產生環(huán)形光斑。而線偏振渦旋光束的聚焦光斑雖然是環(huán)形光斑，但卻是非圓對稱環(huán)形光斑。對于角向偏振光束聚焦，即使拓撲為0的非渦旋角向偏振光束，也能產生圓對稱環(huán)形光斑。

對于圓偏振渦旋光束，只有當拓撲荷為整數時，才能產生圓對稱的環(huán)形光斑。盡管線偏振光束，是最常遇到的偏振光束，而且產生線偏振光方法比較簡單。但是還沒有辦法使得渦旋線偏振光束聚焦產生圓對稱的環(huán)形光斑。而且環(huán)形光斑的大小只能通過拓撲荷的整數值變化才能改變，這種變化是不連續(xù)的。

發(fā)明內容

為了克服上述。本發(fā)明提出了一種環(huán)形聚焦光斑的實現方法及其實現裝置，利用純相位空間光調制器的動態(tài)相位調制功能，實現非渦旋平面線偏振光聚焦產生動態(tài)的、位置與尺寸能精確控制的圓對稱環(huán)形光斑。

為實現上述目的，本發(fā)明是根據以下技術方案實現的：

一種環(huán)形聚焦光斑的實現方法，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(qū)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；