CN101477255A

CN101477255A - 多参数调节光束聚焦装置

Info

Publication number: CN101477255A
Application number: CNA2009100954875A
Authority: CN
Inventors: 高秀敏; 郭舒文; 王健
Original assignee: Hangzhou Electronic Science and Technology University
Current assignee: WUXI SHINOPTO OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2029-01-19
Also published as: CN101477255B

Abstract

本发明涉及多参数调节光束聚焦装置。现有技术无法实现光束振幅、偏振态和波前相位同时调解，无光学空间滤波功能，使用不便利。本发明中光源出射光束经过衰减器调节振幅，通过偏振态调节器调节光束偏振态分布，利用相位调节器调节波前相位分布，并且由两个共焦放置的透镜形成频谱面，通过频谱面上空间滤波器对光束进行光频信息处理，经过物镜聚焦成焦点，同时利用光谱分光镜将由监视光源、监视分光镜和光电成像部件构成的监视光路耦合到聚焦光路上，对焦点区域情况进行监视。本发明使用便利、调节简单，是具有监视光路的振幅、相位、偏振、频谱信息多参数可调的聚焦装置。

Description

多参数调节光束聚焦装置

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种光束聚焦装置，特别是一种多参数调节光束聚焦装置。主要用于光储存、光学显微、光刻、超分辨等领域光学系统中的焦点区域光学特性研究和调节规律探索。

技术背景

参数调节光束聚焦装置可广泛应用到光信息存储、光学显微、平版印刷术，激光加工、光学微操纵、超分辨、光与物质相互作用等光学系统。例如，对光束进行偏振态调节形成旋转矢量偏振光束，可应用于光学显微系统中实现超分辨效应，因为一定的旋转矢量偏振光束经过聚焦后，焦点比同一聚焦系统中线偏振光束聚焦的焦点的横向光斑小；在光学焦点区域光强分布调节装置中，研究波前相位调节技术，可以得到波前编码对聚焦光学系统焦深拓展的影响规律，应用到光存储技术中降低系统伺服难度，或应用到光学照相系统中提高景深。在先技术中有一种光束聚焦装置，(参见中国发明专利“可调光镊子的装置”，专利号：ZL200410053443.3)，该光束聚焦装置具有相当的优点，但是，仍然存在一些本质不足，主要为：1)此装置利用可控三区域同心相位调节器对入射光束进行相位调制，无法实现光束偏振调节，本质上决定此在先技术无法研究和利用光束偏振聚焦特性，进而也限制了应用范围；2)在先技术无法实现光束空间滤波功能，降低了系统中光束调控能力，无法得到光束频率信息对焦点区域性质的影响；3)在装置聚焦光程中，无法对焦点区域情况进行监视，导致聚焦结果过程不直观，装置使用不便利。

发明内容

本发明的目的在于针对上述在先技术的不足，提供一种多参数调节光束聚焦装置，具有可以实现光学空间滤波功能，调节光束振幅、偏振态和波前相位等特点，并且耦合有监视光路可以对聚焦区域进行监视，使用和调节便利。

本发明的基本构思是：系统光源出射光束经过衰减器调节振幅，通过偏振态调节器调节光束偏振态分布，利用相位调节器调节波前相位分布，并且由两个共焦放置的透镜形成频谱面，通过频谱面上空间滤波器对光束进行光频信息处理，经过物镜聚焦成焦点，同时利用光谱分光镜将由监视光源、监视分光镜和光电成像部件构成的监视光路耦合到聚焦光路上，对焦点区域情况进行监视，是具有监视光路的振幅、相位、偏振、频谱信息均可调节的多参数调节光束聚焦装置。

本发明的技术解决方案为：包括系统光源、扩束准直器、衰减器、偏振态调节器、相位调节器、入射透镜、空间滤波器、出射透镜、光谱分光镜、物镜、相位调节器控制部件、监视光源、监视分光镜和光电成像部件。扩束准直器、衰减器、偏振态调节器、相位调节器、入射透镜、空间滤波器、出射透镜、光谱分光镜、物镜同光轴依次设置在系统光源的出射光路上，扩束准直器中透镜的主平面、衰减器的平面、相位调节器的平面、入射透镜的主平面、空间滤波器的平面、出射透镜的主平面、物镜的主平面均与系统光源的出射光路垂直。入射透镜与出射透镜的间距为入射透镜焦距和出射透镜焦距之和，空间滤波器设置在入射透镜和出射透镜之间的频谱面上。相位调节器控制部件与相位调节器通过数据线连接。监视分光镜设置在监视光源的出射光束光路上，监视光源的出射光束经过监视分光镜的分光面反射后射入光谱分光镜的分光面，其在光谱分光镜分光面上的射入点与系统光源在光谱分光镜分光面上的射入点重合，并且光谱分光镜的分光面设置在监视光源经过监视分光镜分光面反射后的光束的光路与系统光源出射光路的角平分线上。光电成像部件设置在监视光源经过监视分光镜分光面反射后光束的反向延长线上。

所述的系统光源为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、液体激光器中的一种。

所述光谱分光镜的分光面对系统光源出射光束的透过率大于85％，并且对监视光源出射光束的反射率的大于85％。

所述的偏振态调节器为液晶型偏振态调节器、反射式偏振态调节器、微光栅偏振态调节器中的一种。

所述的相位调节器为全息光学相位调节器、液晶型相位调节器、可编程纯相位调节器中的一种。

所述的光电成像部件为面阵电荷耦合器件、面阵互补型金属氧物半导体晶体管、光学微通道板器件中的一种。

本发明装置的工作过程为系统光源发射出光束依次经过同光轴设置的扩束准直器、衰减器、偏振态调节器、相位调节器、入射透镜、空间滤波器、出射透镜、光谱分光镜、物镜。扩束准直器对系统光源发射出光束进行括束和整形后，经过衰减器对光束振幅参数进行调解，通过偏振态调节器对光束偏振态分布进行控制后射向相位调节器。相位调节器控制部件控制相位调节器对入射光束波前相位分布进行调控，形成所需研究的光束振幅、偏振态和波前相位分布的光束，光束经过入射透镜汇聚形成光学频谱面，被频谱面上设置的空间滤波器滤波，经过光学空间滤波被出射透镜准直后，经过光谱分光镜和物镜，被物镜汇聚形成光学焦点。监视光源光束出射经过监视分光镜反射后射向光谱分光镜，被光谱分光镜反射后，被物镜汇聚照明焦点区域，焦点区域反射光依次经过物镜、光谱分光镜、监视分光镜后，被光电成像部件接收，形成焦点区域光学像，可对焦点区域进行观察监视，便于装置调解使用。

与现有技术相比，本发明的优点：

1)可以实现聚焦光学系统的入射光束的光束振幅、偏振态和波前相位多参数调解；

2)能够对光束进行信息光学的空间滤波处理，研究空间滤波对聚焦特性影响；

3)装置中存在由监视光源、监视分光镜和光电成像部件构成的监视光路，并且通过光谱分光镜耦合到聚焦光路上，可以对焦点区域情况进行监视，装置使用便利。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，多参数调节光束聚焦装置，包括系统光源1、扩束准直器2、衰减器3、偏振态调节器4、相位调节器5、入射透镜6、空间滤波器7、出射透镜8、光谱分光镜9、物镜10、相位调节器控制部件11、监视光源12、监视分光镜13和光电成像部件14。扩束准直器2、衰减器3、偏振态调节器4、相位调节器5、入射透镜6、空间滤波器7、出射透镜8、光谱分光镜9、物镜10同光轴依次设置在系统光源1的出射光路上，扩束准直器2中透镜的主平面、衰减器3的平面、相位调节器5的平面、入射透镜6的主平面、空间滤波器7的平面、出射透镜8的主平面、物镜10的主平面均与系统光源1的出射光路垂直。入射透镜6与出射透镜8的间距为入射透镜6焦距和出射透镜8焦距之和，空间滤波器7设置在入射透镜6和出射透镜8之间的频谱面上。相位调节器控制部件11与相位调节器5通过数据线连接。监视分光镜13设置在监视光源12的出射光束光路上，监视光源12的出射光束经过监视分光镜13的分光面反射后射入光谱分光镜9的分光面，其在光谱分光镜9分光面上的射入点与系统光源1在光谱分光镜9分光面上的射入点重合，并且光谱分光镜9的分光面设置在监视光源12经过监视分光镜13分光面反射后的光束的光路与系统光源1出射光路的角平分线上。光电成像部件14设置在监视光源12经过监视分光镜13分光面反射后光束的反向延长线上。

系统光源1为相干公司生产的氩离子气体激光器，扩束准直器2采用伽利略型扩束准直器，监视光源12为宽谱白光光源，偏振态调节器4为反射式偏振态调节器，相位调节器5为液晶型相位调节器，光电成像部件14为基于面阵电荷耦合器摄像系统。

本发明装置的工作过程为系统光源1发射出光束依次经过同光轴设置的扩束准直器2、衰减器3、偏振态调节器4、相位调节器5、入射透镜6、空间滤波器7、出射透镜8、光谱分光镜9、物镜10。扩束准直器2对系统光源1发射出光束进行括束和整形后，经过衰减器3对光束振幅参数进行调解，通过偏振态调节器4对光束偏振态分布进行控制后射向相位调节器5。相位调节器控制部件11控制相位调节器5对入射光束波前相位分布进行调控，形成所需研究的光束振幅、偏振态和波前相位分布的光束，光束经过入射透镜6汇聚形成光学频谱面，被频谱面上设置的空间滤波器7滤波，经过光学空间滤波被出射透镜8准直后，经过光谱分光镜9和物镜10，被物镜10汇聚形成光学焦点。监视光源12光束出射经过监视分光镜13反射后射向光谱分光镜9，被光谱分光镜9反射后，被物镜10汇聚照明焦点区域，焦点区域反射光依次经过物镜10、光谱分光镜9、监视分光镜13后，被光电成像部件14接收，形成焦点区域光学像，可对焦点区域进行观察监视。本实施例调解使用便利，成功实现了多参数调节光束聚焦。

Claims

1、多参数调节光束聚焦装置，包括系统光源、扩束准直器、衰减器、偏振态调节器、相位调节器、入射透镜、空间滤波器、出射透镜、光谱分光镜、物镜、相位调节器控制部件、监视光源、监视分光镜和光电成像部件，其特征在于：扩束准直器、衰减器、偏振态调节器、相位调节器、入射透镜、空间滤波器、出射透镜、光谱分光镜、物镜同光轴依次设置在系统光源的出射光路上，扩束准直器中透镜的主平面、衰减器的平面、相位调节器的平面、入射透镜的主平面、空间滤波器的平面、出射透镜的主平面、物镜的主平面均与系统光源的出射光路垂直；入射透镜与出射透镜的间距为入射透镜焦距和出射透镜焦距之和，空间滤波器设置在入射透镜和出射透镜之间的频谱面上，相位调节器控制部件与相位调节器通过数据线连接；监视分光镜设置在监视光源的出射光束光路上，监视光源的出射光束经过监视分光镜的分光面反射后射入光谱分光镜的分光面，其在光谱分光镜分光面上的射入点与系统光源在光谱分光镜分光面上的射入点重合，并且光谱分光镜的分光面设置在监视光源经过监视分光镜分光面反射后的光束的光路与系统光源出射光路的角平分线上；光电成像部件设置在监视光源经过监视分光镜分光面反射后光束的反向延长线上。

2、如权利要求1所述的多参数调节光束聚焦装置，其特征在于：所述的系统光源为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、液体激光器中的一种。

3、如权利要求1所述的多参数调节光束聚焦装置，其特征在于：所述光谱分光镜的分光面对系统光源出射光束的透过率大于85％，并且对监视光源出射光束的反射率的大于85％。

4、如权利要求1所述的多参数调节光束聚焦装置，其特征在于：所述的偏振态调节器为液晶型偏振态调节器、反射式偏振态调节器、微光栅偏振态调节器中的一种。

5、如权利要求1所述的多参数调节光束聚焦装置，其特征在于：所述的相位调节器为全息光学相位调节器、液晶型相位调节器、可编程纯相位调节器中的一种。

6、如权利要求1所述的多参数调节光束聚焦装置，其特征在于：所述的光电成像部件为面阵电荷耦合器件、面阵互补型金属氧物半导体晶体管、光学微通道板器件中的一种。