CN101246257A

CN101246257A - 径向余弦相位型轴向多焦点调控系统

Info

Publication number: CN101246257A
Application number: CNA2008100608469A
Authority: CN
Inventors: 李劲松; 高秀敏
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2008-08-20

Abstract

本发明属于应用光学技术领域，涉及一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统。整套系统由相干光源发射部件、光束直径调节器、径向余弦相位波前调节器、光学聚焦部件构成。相干光源发射部件出射光束经过光束直径调节器将光束调节所需直径后，由光学聚焦部件聚焦形成焦点区域。径向余弦相位波前调节器对入射光波前面进行调节，使波前相位呈径向余弦变化，经过光学聚焦部件聚焦后，焦点区域便形成光轴上的多焦点分布，并且多焦点间距和个数可由径向余弦相位波前调节器的余弦函数参数调控。系统具有多焦点轴向调控便捷、光能量利用率高、系统简洁等特点。

Description

径向余弦相位型轴向多焦点调控系统

技术领域：

本发明属于应用光学技术领域，与聚焦光学系统焦点区域光强调节系统有关，特别是一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统。主要用于激光微加工、光学微操纵、光信息存储、光与物质相互作用等领域。

背景技术：

在许多聚焦光学系统中，焦点区域光强起着非常重要的作用。在光存储系统中，降低焦点光斑尺寸即可提高光信息存储密度，长焦深易于激光伺服系统工作，轴向多焦点则可以应用到新兴的多层光存储技术中。在光镊子领域，自Ashkin研发光镊子以来，从光镊子技术得到了迅猛的发展，促进了很多领域大步发展，特别是在生命科学领域。为了增加光镊子装置的有效性、灵活性和可控型，相称技术、全息光镊子阵列和干涉条纹模式等一些方法被提出来，多焦点系统由于可以实现多个颗粒同时被操纵的优点，受到广泛关注。在先技术中，有一种应用于光镊技术领域的聚焦光学系统多焦点产生技术(参见美国专利“Transverseoptical accelerator and generalized optical vortex”，专利号：US 7,109,473,B2，专利时间Date of patent：2006年9月19日)。该聚焦光学系统多焦点产生技术具有相当的优点，但是，仍然存在一些不足：1)在此聚焦光学系统多焦点产生技术中多焦点分布的平面在与系统光轴垂直的平面上，使光能量较分散，如果保证每个焦点产生的相当的光强度和光梯度力，光能量利用率低，所需要入射激光光源就要具有较高的输出光功率；2)产生的光镊对于光轴向方向上的微小颗粒控制无能为力；3)光束传播存在离轴，增加了调节难度，系统结构复杂。

发明内容：

本发明要解决的问题在于克服了上述在先技术的不足，提供一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统，它具有多焦点轴向调控、调控便捷、光能量利用率高、系统简洁等特点。

本发明的基本构思是：

本发明提供一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统。整套系统由相干光源发射部件、光束直径调节器、径向余弦相位波前调节器、光学聚焦部件构成。相干光源发射部件出射光束经过光束直径调节器将光束调节所需直径后，由光学聚焦部件聚焦形成焦点区域。径向余弦相位波前调节器对入射光波前面进行调节，使波前相位呈径向余弦变化，经过光学聚焦部件聚焦后，焦点区域便形成光轴上的多焦点分布，并且多焦点间距和个数可由径向余弦相位波前调节器的余弦函数参数调控。系统具有多焦点轴向调控便捷、光能量利用率高、系统简洁等特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统，系统由相干光源发射部件1、光束直径调节器2、径向余弦相位波前调节器3、光学聚焦部件4构成；相干光源发射部件1出射光束方向上依次置有光束直径调节器2、径向余弦相位波前调节器3、光学聚焦部件4；径向余弦相位波前调节器3上的调节相位沿径向呈现余弦函数分布，对入射光束波前面进行相位调制，余弦函数参数可调。

上述径向余弦相位型轴向多焦点调控系统的光束直径调节器2是光束扩束倍率可调的光束扩束光学部件。

上述径向余弦相位型轴向多焦点调控系统的光束直径调节器2可以是伽利略型扩束镜或开普敦型扩束镜。

上述径向余弦相位型轴向多焦点调控系统的径向余弦相位波前调节器3的工作模式可为透射型或反射型两种模式其一。

上述径向余弦相位型轴向多焦点调控系统的径向余弦相位波前调节器3为可编程相位型空间光调制器或可编程液晶光学相位控制器件或光机电集成相位控制器件其一。

上述径向余弦相位型轴向多焦点调控系统的径向余弦相位波前调节器3为反射工作模式时，径向余弦相位波前调节器3和光束直径调节器2之间置有光束分光镜6。

上述径向余弦相位型轴向多焦点调控系统的光束分光镜6与径向余弦相位波前调节器3之间置有四分之一玻片，四分之一玻片光轴方向与入射光线偏振方向成45度角，光束分光镜6为偏振分光镜。或者，上述径向余弦相位型轴向多焦点调控系统的光束分光镜6靠近径向余弦相位波前调节器3一侧光学工作面上镀有四分之一玻片。

本发明的一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统如上所述结构，工作过程为相干光源发射部件1出射相干光束经过光束直径调节器2，光束直径调节器2对光束进行扩束，扩束后的激光束经过径向余弦相位波前调节器3后，由光学聚焦部件4聚焦；径向余弦相位波前调节器3对入射的激光束的波前相位分布进行了径向分布调节，使相位分布呈现径向余弦函数变化，具有径向余弦相位变化波前面的激光束经过光学聚焦部件4聚焦后，在焦点区域形成了轴向分布的多个焦点。

径向余弦相位波前调节器3的工作模式可为透射型和反射型两种模式。在反射模式工作情况下，径向余弦相位波前调节器3和光束直径调节器2之间置有光束分光镜6。相干光源发射部件1光束出射方向上依次置有光束直径调节器2、光束分光镜6和径向余弦相位波前调节器3，径向余弦相位波前调节器3的工作模式为反射型，光束照射在径向余弦相位波前调节器3被反射回，再次经过光束分光镜6后反射光束方向上置有光学聚焦部件4。工作过程为：相干光源发射部件1出射相干光束经过光束直径调节器2，扩束后的激光束经过光束分光镜6透射后被径向余弦相位波前调节器3反射；反射回的光束再次经过光束分光镜6时部分光被反射，由光学聚焦部件4聚焦；反射工作模式的径向余弦相位波前调节器3对入射的激光束的波前相位分布进行了径向分布调节，具有径向余弦相位变化波前面的激光束经过光学聚焦部件4聚焦后，在焦点区域形成了轴向分布的多个焦点。

为了提高反射工作模式下光能利用率光束分光镜采用偏振分光镜7，在偏振分光镜7和反射工作模式的径向余弦相位波前调节器3之间置有四分之一玻片8，四分之一玻片8光轴方向与入射光线偏振方向成45度角，四分之一玻片8可以为单独的光学元件，也可以为镀在偏振分光镜7靠近径向余弦相位波前调节器3一侧光学面上的四分之一薄膜8。工作过程为：相干光源发射部件1出射相干光束经过光束直径调节器2，扩束后的激光束经过偏振分光镜7和四分之一玻片8透射后变成元偏振光束，被径向余弦相位波前调节器3反射；反射回的光束再次经过四分之一玻片8由圆偏振光转化为线偏振光，偏振方向与第一次经过四分之一玻片8前偏振光向垂直，故被偏振分光镜7反射时反射率很高，反射光由光学聚焦部件4聚焦；反射工作模式的径向余弦相位波前调节器3对入射的激光束的波前相位分布进行了径向分布调节，在焦点区域形成了轴向分布的多个焦点。

本发明的优点：

1)相位式轴向多焦点产生与调控，焦点数量、分布形状、间距均可调控，并且可以产生焦移和焦点跳跃；

2)轴向多焦点调控便捷，可靠性高，灵活性强；

3)入射光光能量利用率高；

4)系统结构简单，性能稳定，对机械定位要求低。

附图说明：

图1为本发明的第一实施例示意图。

图2为本发明的径向余弦相位波前调节器示意图。

图3为本发明的焦点区域轴向多焦点分布图(含图3A和图3B两个图)。

图4为本发明的第二实施例示意图。

图5为本发明的第三实施例示意图。

具体实施方式：

第一具体实施例

图1为本发明的第一实施例示意图。一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统，其特征在于系统由相干光源发射部件1、光束直径调节器2、径向余弦相位波前调节器3、光学聚焦部件4构成；相干光源发射部件1出射光束方向上依次置有光束直径调节器2、径向余弦相位波前调节器3、光学聚焦部件4；径向余弦相位波前调节器3上的调节相位沿径向呈现余弦函数分布，对入射光束波前面进行相位调制，余弦函数参数可调。

相干光源发射部件1选用二氧化碳气体激光器，光束直径调节器2采用伽利略型扩束镜，光学聚焦部件4为尼康平场复消色差物镜。

一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统如上所述结构，工作过程为相干光源发射部件1出射相干光束经过光束直径调节器2，光束直径调节器2对光束进行扩束，扩束后的激光束经过径向余弦相位波前调节器3后，由光学聚焦部件4聚焦；径向余弦相位波前调节器3对入射的激光束的波前相位分布进行了径向分布调节，使相位分布呈现径向余弦函数变化，具有径向余弦相位变化波前面的激光束经过光学聚焦部件4聚焦后，在焦点区域形成了轴向分布的多个焦点。图2为本发明的径向余弦相位波前调节器示意图。图3为本发明得到的焦点区域轴向多焦点分布图，横坐标为以几何焦点为坐标原点的轴向坐标，单位为波数。

第二具体实施例

图4为本发明的第二实施例示意图，一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统，为反射工作模式。在反射模式工作情况下，径向余弦相位波前调节器3和光束直径调节器2之间置有光束分光镜6。

相干光源发射部件1光束出射方向上依次置有光束直径调节器2、光束分光镜6和径向余弦相位波前调节器3，径向余弦相位波前调节器3的工作模式为反射型，光束照射在径向余弦相位波前调节器3被反射回，再次经过光束分光镜6后反射光束方向上置有光学聚焦部件4。

相干光源发射部件1选用二氧化碳气体激光器，光束直径调节器2采用伽利略型扩束镜，光学聚焦部件4为尼康平场复消色差物镜，光束分光镜6分光笔为1：1。

工作过程为：相干光源发射部件1出射相干光束经过光束直径调节器2，扩束后的激光束经过光束分光镜6透射后被径向余弦相位波前调节器3反射；反射回的光束再次经过光束分光镜6时部分光被反射，由光学聚焦部件4聚焦；反射工作模式的径向余弦相位波前调节器3对入射的激光束的波前相位分布进行了径向分布调节，具有径向余弦相位变化波前面的激光束经过光学聚焦部件4聚焦后，在焦点区域形成了轴向分布的多个焦点。本实施例产生轴向分布的多个焦点效果与第一实施例相同，例如产生如图3A和图3B的多焦点。

第三具体实施例

图5为本发明的第三实施例示意图，在第二实施例的基础上，为了提高反射工作模式下光能利用率光束分光镜采用偏振分光镜7，在偏振分光镜7和反射工作模式的径向余弦相位波前调节器3之间置有四分之一玻片8，四分之一玻片8光轴方向与入射光线偏振方向成45度角，四分之一玻片8为单独的光学元件。

本实施例工作过程为：相干光源发射部件1出射相干光束经过光束直径调节器2，扩束后的激光束经过偏振分光镜7和四分之一玻片8透射后变成元偏振光束，被径向余弦相位波前调节器3反射；反射回的光束再次经过四分之一玻片8后，由圆偏振光转化为线偏振光，偏振方向与第一次经过四分之一玻片8前偏振光向垂直，故被偏振分光镜7反射时反射率很高，反射光由光学聚焦部件4聚焦；反射工作模式的径向余弦相位波前调节器3对入射的激光束的波前相位分布进行了径向分布调节，在焦点区域形成了轴向分布的多个焦点，产生轴向分布的多个焦点效果与前两个实施例相同，例如图3A和图3B所示的多焦点分布情况。

Claims

1. 一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统，其特征在于：系统由相干光源发射部件(1)、光束直径调节器(2)、径向余弦相位波前调节器(3)、光学聚焦部件(4)构成；相干光源发射部件(1)出射光束方向上依次置有光束直径调节器(2)、径向余弦相位波前调节器(3)、光学聚焦部件(4)；径向余弦相位波前调节器(3)上的调节相位沿径向呈现余弦函数分布，对入射光束波前面进行相位调制，余弦函数参数可调。

2. 如权利要求1所述一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统，其特征在于：光束直径调节器(2)是光束扩束倍率可调的光束扩束光学部件。

3. 如权利要求1所述一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统，其特征在于：光束直径调节器(2)是伽利略型扩束镜或开普敦型扩束镜。

4. 如权利要求1所述一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统，其特征在于：径向余弦相位波前调节器(3)的工作模式为透射型或反射型模式。

5. 如权利要求1所述一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统，其特征在于：径向余弦相位波前调节器(3)为可编程相位型空间光调制器或可编程液晶光学相位控制器件或光机电集成相位控制器件其一。

6. 如权利要求1所述一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统，其特征在于：径向余弦相位波前调节器(3)为反射工作模式时，径向余弦相位波前调节器(3)和光束直径调节器(2)之间置有光束分光镜(6)。

7. 如权利要求1所述一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统，其特征在于：光束分光镜(6)与径向余弦相位波前调节器(3)之间置有四分之一玻片，四分之一玻片光轴方向与入射光线偏振方向成45度角，光束分光镜(6)为偏振分光镜。

8. 如权利要求7所述一种径向余弦相位型轴向多焦点调控系统，其特征在于：光束分光镜(6)靠近径向余弦相位波前调节器(3)一侧光学工作面上镀有四分之一玻片。