[發明專利]一種實現雙光束共軸輸出的耦合裝置和方法

有效

• 申請號: 202010227585.6
• 申請日: 2020-03-26
• 公開（公告）號: CN111443496B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發明（設計）人: 陳建;詹其文;陳國梁
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G02B27/28
• 分類號: G02B27/28;G02B27/09;G03F7/20
• 代理公司: 上海邦德專利代理事務所(普通合伙) 31312
• 代理人: 余昌昊

本發明提出了一種實現雙光束共軸輸出的耦合裝置和方法，該裝置包含反射鏡對、二向色鏡、二分之一波片、四分之一波片、聚焦透鏡、定制的渦旋光纖、偏振控制器和CCD。定制的渦旋光纖帶有布拉格光柵和長周期光柵，用于模式篩選。通過反射鏡對控制兩束不同波長的光的傳播方向，使其通過二向色鏡同時耦合進渦旋光纖。渦旋光纖將其中一束光轉化為角向偏振光，作為抑制光；同時使另一束光保持為高斯光束，作為激發光。利用光纖的自共軸性，實現兩束光嚴格共軸，角向偏振光會抑制高斯光束除中心以外其他地方的光場與物質的相互作用，從而實現超衍射極限雙光束耦合。本發明可廣泛應用于顯微成像、超衍射極限納米光刻、粒子捕獲等領域。

技術領域

本發明涉及光學技術領域，尤其涉及一種實現雙光束共軸輸出的耦合裝置和方法。

背景技術

眾所周知，跨尺度低成本的納米加工技術對信息科技革命有著巨大的推動作用，但顯微成像、納米加工等納米尺寸技術受阿貝衍射極限的限制，單光束激光可獲得的特征尺寸大于半波長。1994年德國科學家提出受激輻射抑制(STED)光學超分辨成功的解決了衍射極限問題，使得雙光束激光加工、雙光束顯微成像最近取得了巨大發展。受激輻射抑制(STED)光學超分辨采用一束激光激發聚合反應過程(激發光)，同時用另一束空間重疊的中空環形激光在激發光焦點周圍抑制前述聚合反應(抑制光)，是近年來獲得廣泛關注的圓柱矢量模式類中最成功的應用之一。

盡管有了巨大的發展，但當前實現雙光束的幾種方法都是使用自由空間光束整形設備來實現所需波長的高斯光束和抑制光束的重疊。通常需要兩個不同的激光束精確共對準，實現較為困難。但是基于光纖的方案不僅可以實現雙光束的共軸輸出，而且具有更低的損耗，因此系統更緊湊、更可靠，便于廣泛采用。

雙光束光刻利用圓環形狀的抑制光束來抑制由寫入光束觸發的光聚合，從而減小微納結構的特征尺寸，提高分辨率。雖然聚焦寫入光束和抑制光束都致使光斑尺寸受到衍射的限制，但是雙光束光刻的特征尺寸和分辨率可以打破兩個聚焦光束衍射尺寸的限制。雖然電子束刻蝕可以實現高分辨率，但是電子束刻蝕不能進行3D制作。單光束光刻能夠制造三維任意幾何形狀，然而，光的衍射特性限制了加工的最小尺度。雙光束光刻具有通過光抑制策略制造具有納米特征尺寸和分辨率的三維任意幾何形狀的優勢，可與電子束刻蝕相媲美。在STED顯微成像等領域，同樣面臨著雙光束的共軸耦合問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種實現雙光束共軸輸出的耦合裝置和方法，其利用定制渦旋光纖產生空心抑制光和保持激發光強度分布不變，并輸出嚴格自共軸雙光束。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案為：一種實現雙光束共軸輸出的方法，其包括如下步驟：步驟1，將激發光利用第一二分之一波片調整為水平偏振光，利用平行反射鏡對控制激發光束的傳播方向至二向色鏡；

利用第二二分之一波片和四分之一波片的組合方式來調節抑制光的偏振并與激發光偏振匹配，而后利用反射鏡對改變其傳播方向至二向色鏡；

利用二向色鏡將抑制光、激發光沿同一方向共軸傳播；

步驟2，利用聚焦透鏡將兩束光同時耦合進單模光纖；

步驟3，利用單模光纖的傳輸將兩光束耦合進布拉格光柵，而后利用長周期光柵配合偏振控制器將兩束光進行模式篩選，從抑制光中篩選出角向偏振光，激發光保持強度分布不變，利用渦旋光纖(16)傳輸角向偏振光和基模高斯光束，最后輸出共軸的兩束光。

步驟1中，利用脈沖激光器產生的鎖模啁啾脈沖激光作為激發光。

步驟2中，聚焦透鏡將兩個光束的聚焦光斑的大小控制在2μm。

一種實現雙光束共軸輸出的耦合裝置，其包括：

用于將激發光調整為水平偏振光的第一二分之一波片，其光路輸出方向設置有將激發光傳播至二向色鏡的平行反射鏡對；