[發明專利]一種納米尺度的均勻光學隧道產生方法和裝置

在審

• 申請號: 201710705859.6
• 申請日: 2017-08-17
• 公開（公告）號: CN107272180A
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 陳建農;李貴琳;劉國豪;徐在斌;郭欣月;閆佳慶
• 申請（專利權）人: 魯東大學
• 主分類號: G02B21/36
• 分類號: G02B21/36;G02B27/28;G02B27/58
• 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

技術領域

本發明涉及到遠場光束聚焦調控領域，尤其涉及到一種納米尺度的均勻光學隧道的產生方法和裝置，在顯微物鏡視場內產生超大長徑比光學隧道。

背景技術

通過對激光束的調制實現在物鏡視場內光斑或光場的調控一直是一個非常重要的研究熱點。不同的光場或光斑在超分辨率光刻，超高密度光學數據存儲，微納尺度結構激光加工，熒光樣品超分辨率成像以及微米甚至納米尺度物質的操控等眾多領域具有特殊的應用。其中比較重要有面包圈環形光斑和橢球狀實心光斑。當用兩個適當波長的激光器在同一物鏡聚焦分別產生同軸的面包圈環形光斑和橢球狀實心光斑時，后者可以激發熒光或使材料產生物理化學反應，前者則使得抑制熒光或物理化學反應，從而使得后者激發熒光或產生物理化學反應的區域小于光學衍射極限，實現超分辨率熒光成像，超分辨率光學數據記錄或超分辨率激光加工。這也是2014年諾貝爾化學獎獲得者Stefan Hell提出的STED超分辨率熒光成像的基本原理。上述超分辨的概念是基于二維橫向平面內來討論的。

然而在超分辨激光加工領域，存在加工超長超細三維深孔的加工需求。在三維超分辨深孔加工中，可以利用STED原理實現二維超分辨，同時在深度這個第三維方向實現高深寬比的結構。這就需要產生超長徑比激光光針和超長徑比激光光學隧道。目前已有一些超長徑比光針的產生方法。如對角向偏振光束進行二個環形分區的相位調制方法實現超長徑比光針。而光學隧道的產生方法還未見有報道。

發明內容

為了克服現有技術缺乏產生長徑比較高，縱向強度均勻性較好的納米尺寸光學隧道本發明提出利用反射型純相位空間光調制器對聚焦光束進行相位調制，產生線偏振渦旋光束，然后利用徑向偏振光轉換器對相位調制線偏振渦旋光束進行偏振調制，獲得相位調制徑向偏振渦旋光束，再利用4F傅里葉變換成像系統，將上述光束成像到聚焦物鏡的后孔徑平面進行聚焦。在焦點位置產生大長徑比納米尺度均勻光學隧道。

為實現上述目的，本發明是根據以下技術方案實現的：

本發明的一種納米尺度的均勻光學隧道的產生裝置，包括：激光器、擴束準直系統、線偏振器、第一分光鏡、純相位空間光調制器、第一計算機、4F傅里葉變換成像系統、第二分光鏡、徑向偏振光轉換器、聚焦物鏡、均勻光學隧道、平面反射鏡、鏡筒透鏡、CCD電荷耦合成像器件、第二計算機；

其中，所述激光器發射的任意偏振的激光光束，經所述擴束準直系統進行擴束和準直成平面波，然后經所述線偏振器轉換成線偏振光，所述第一分光鏡將所述線偏振光反射后垂直入射純相位空間光調制器的反射面；

所述第一計算機加載光束相位調制圖到純相位空間光調制器上，純相位空間光調制器將準直擴束后的線偏振激光束進行光束相位調制，從所述純相位空間光調制器反射回來的光通過所述第一分光鏡，并通過所述4F傅里葉變換成像系統和第二分光鏡到達所述徑向偏振轉換器，所述徑向偏振光轉換器將線偏振渦旋光束轉換成相位調制徑向偏振渦旋光束，所述聚焦物鏡將相位調制徑向偏振渦旋光束聚焦產生納米尺度均勻光學隧道，所述第二分光鏡將物鏡焦平面上光學隧道通過平面反射鏡反射，并通過所述第二分光鏡后再反射到所述鏡筒透鏡，所述鏡筒透鏡出射的光到達所述CCD電荷耦合成像器件，最后成像在第二計算機上，通過第二計算機的顯示器顯示出來。

本發明提出了一種納米尺度的均勻光學隧道的產生方法，通過上述裝置實現，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：激光器發射激光束，任意偏振的激光束經擴束準直系統和線偏振器后轉換為線偏振的擴束準直激光光束，準直激光光束經第一分光鏡反射后垂直入射反射型純相位空間光調制器；

步驟S2：第一計算機將相位圖加載到反射型純相位空間光調制器，純相位空間光調制器將準直擴束后的線偏振激光束進行光束相位調制；

步驟S3：所述純相位空間光調制器反射回來的光通過所述第一分光鏡，4F傅里葉變換成像系統將相位調制的線偏振渦旋光通過第二分光鏡和徑向偏振光轉換器成像到聚焦物鏡的后孔徑平面；

步驟S4：所述徑向偏振光轉換器將線偏振渦旋光束轉換成相位調制徑向偏振渦旋光束；

步驟S5：所述聚焦物鏡將相位調制徑向偏振渦旋光束聚焦產生納米尺度均勻光學隧道；

步驟S6：在焦平面附近放置平面反射鏡，將反射面朝向聚焦物鏡；

步驟S7：聚焦物鏡收集的反射光通過第二分光鏡反射到達鏡筒透鏡，再由鏡筒透鏡成像在CCD電荷耦合成像器件并顯示在第二計算機顯示器上。

上述技術方案中，步驟S2的激光光束相位調制包括以下步驟：