[發明專利]一種大范圍高精度移動圓艾里光束自聚焦點的裝置及方法

有效

• 申請號: 202010091010.6
• 申請日: 2020-02-13
• 公開（公告）號: CN111273451B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 壽倩;陳志超;周卓弘
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02F1/01;G02F1/13;G02F1/133
• 代理公司: 廣州容大知識產權代理事務所(普通合伙) 44326
• 代理人: 潘素云

本發明公開了一種大范圍高精度移動圓艾里光束自聚焦點的裝置及方法，該方法包括如下步驟：激光器輸出的高斯光束，由起偏器起偏，經過第一透鏡、第二透鏡組合而成的4f系統擴束后，入射到空間光調制器，在空間光調制器上加載圓艾里光束的頻譜信息，并通過平移頻譜來達到對圓艾里光束自聚焦點的二維平面的操控；經過空間光調制器調制、平面反射鏡反射后，再經過第三透鏡傅里葉變換之后，在焦平面得到圓艾里光束，在其自聚焦位置用電荷耦合器觀測到二維位移后的自聚焦點。本發明可以通過改變空間光調制器所加載不同的相息圖，可精細簡便地調節產生的圓艾里光束的軌跡，達到改變自聚焦點位置的目的，二維移動自聚焦點的調控范圍大精度高。

技術領域

本發明涉及光場調控技術領域，具體涉及一種大范圍高精度二維移動圓艾里光束自聚焦點的裝置及方法。

背景技術

圓艾里光束是一種突然自聚焦光束，是2010年，由Nikolaos K.Efremidis提出并產生了圓艾里光束，其在傳輸過程中會自行進行匯聚到中心，在自聚焦的焦點處光強達到最大可達初始光斑光強的上百倍。而且在自聚焦位置很短的距離內，中心光強就能達到最大值。其場分布為其中Airy(·)是艾里函數，r是圓艾里光束的徑向長度，r₀是主環的半徑，w₀是光束的束寬，α是圓艾里光束的衰減因子。

圓艾里光束因為其突然自聚焦特性，能產生更強的光阱剛度，從而在自聚焦位置能對微粒實現更穩定的捕獲。使得它在粒子捕獲，激光醫學治療等方面具有很大的應用價值而得到研究人員的廣泛關注。

本發明的發明人發現，一般的圓艾里光束只能按正常的傳輸軌跡進行傳輸，或者機械的改變其傳輸軌跡，這對于圓艾里光束在光鑷應用上有著很大的不便。通過空間光調制器對圓艾里光束的軌跡進行操控，使圓艾里光束自聚焦點可以大范圍高精度移動的方法，至今還沒有人提出。

發明內容

有鑒于此，為了解決現有技術中的上述問題，本發明提出一種大范圍高精度移動圓艾里光束自聚焦點的裝置及方法，可以更加穩定、更加方便的操縱圓艾里光束軌跡，達到在二維平面內操控圓艾里光束自聚焦點任意移動。

本發明通過以下技術手段解決上述問題：

一種大范圍高精度移動圓艾里光束自聚焦點的裝置，包括激光器、起偏器、第一透鏡、第二透鏡、空間光調制器、平面反射鏡、第三透鏡以及電荷耦合器；

激光器輸出基模高斯光，經過起偏器起偏后，由第一透鏡、第二透鏡組成的4f系統來擴束，使入射到空間光調制器時占滿液晶屏，在空間光調制器上加載圓艾里光束的頻譜信息，并通過平移頻譜來達到對圓艾里光束自聚焦點的二維平面的操控；經過空間光調制器調制、平面反射鏡反射后，再經過第三透鏡傅里葉變換之后，在焦平面得到圓艾里光束，在其自聚焦位置用電荷耦合器觀測到二維位移后的自聚焦點。

進一步地，通過平移頻譜來達到對圓艾里光束自聚焦點的二維平面的操控具體為：

當圓艾里光束的空域上添加傾斜相位因子使圓艾里光束產生傾斜從而實現自聚焦點的x方向移動；當添加傾斜相位因子使圓艾里光束產生傾斜從而實現自聚焦點的y方向移動；其中k_x＝a/w₀，k_y＝a/w₀，i為虛數，x為水平坐標，y為垂直坐標，w₀是光束的束寬，a為決定傾斜度的系數；控制移動頻譜間接控制空域來達到添加傾斜相位因子的目的，根據傅里葉變化的平移性質，當空域加載相位項時，相應的頻域變化就是平移，也就是頻域平移了k_x或k_y，平移的最小尺寸也就是空間光調制器的像數大小；通過透鏡焦距的不同，改變在焦平面初始圓艾里光束的傾斜角度，根據傾斜角度的不同，以及圓艾里光束在自聚焦過程中聚焦的距離不同，達到實際自聚焦點的大范圍移動。

進一步地，所述激光器為Verdi12固體激光器。

進一步地，所述空間光調制器為反射式純相位液晶空間光調制器。