CN102269837A - 一种实现激光束纵向偏振双焦点聚焦的位相片 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种实现激光束纵向偏振双焦点聚焦的位相片，其技术领域涉及激光整形和聚焦。该位相片位相调制呈圆对称多环分布，可以用位相分布函数表示。交替分布的环具有不同的位相调制特征，从而导致径向偏振激光束聚焦后形成纵向偏振双焦点。纵向偏振光束双焦点在三维光学数据存储，生物细胞和组织不同层面成像，浮动纳米微粒操控，金属针尖探针场增强等方面有很多潜在应用。

Description

一种实现激光束纵向偏振双焦点聚焦的位相片

技术领域

本发明涉及对激光束整形并经显微物镜聚焦，从而实现改变焦点光强分布的技术。

背景技术

研究激光光束在各种孔径和位相片滤波作用下经高数值孔径物镜聚焦后在焦点附近的三维光场分布一直是科学家们感兴趣的重要课题。高度聚焦光斑尺寸小于波长的焦点光束在三维光学数据存储，光刻技术，材料加工，纳米微粒操控，生物医学成像，拉曼光谱技术，二次谐波激发，近场扫描和激光共焦显微技术中都是至关重要的[1-8]。然而在光斑尺寸小于波长时，标量衍射理论无法得到焦点附近精确的光强分布，必须使用矢量衍射理论。为此，Richards和Wolf系统地研究了光束的聚焦问题，得到了矢量衍射积分公式，建立了聚焦问题的基本理论框架[Proc.R.Soc.Lond.A，253，358-379，1959]。研究发现径向偏振光束入射通常可以获得比较小的聚焦光斑，这是因为径向偏振光束聚焦后可以获得光轴上强度不为零，分布在光轴附近的纵向偏振分量，而径向分量因相互抵消而所占比重很低。实验上要获得高纯纵向偏振光束，首先要有径向偏振入射光束。已有多篇文献报道获得径向偏振入射光束的方法。如文献[Appl.Opt.，29，2234-2239，1990]所报道的方法是利用Mach-Zehnder双光路干涉仪，将两束偏振方向互相垂直，强度和位相调制过的的线偏振光叠加干涉产生径向偏振光束。2005年，Zhao Yiqiong等人提出了三环二元衍射位相光学元件实现了径向偏振光束在显微物镜焦点位置的沿轴向的链状聚焦[Opt.Lett.，Vol.30，No.8，848-850，2005]。2008年，新加坡国立大学数据存储研究所的王海风等人在Nature photonics发表了一篇理论研究文章，利用特殊设计的五环带二元位相片对入射径向偏振贝塞尔-高斯光束滤波后再用数值孔镜为0.95的物镜聚焦可以获得亚波长尺寸的轴向强度分布均匀的纵向偏振针状光束，焦深达四个波长[Nat.Photonics，Vol.2，No.8，501-505，2008]。2010年，Huang Kun等人结合全域搜寻优化算法设计了一种衍射光学元件，理论模拟获得了一种纵向偏振针状焦斑[Opt.Lett.，Vol.35，No.7，965-967，2010]。

迄今为止，我们未见对入射光束进行相位调制的方法来获得纵向偏振光束轴向双焦点。纵向偏振光束双焦点在三维光学数据存储，生物细胞和组织不同层面成像，浮动纳米微粒操控，金属针尖探针场增强等有很多潜在应用。

发明内容

本发明研究了径向偏振光束的聚焦特点和Richards和Wolf提出的矢量衍射积分公式，设计了以下函数表示的圆对称位相片：

$\mathrm{\&phi;}\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{lk}\cos \mathrm{\&theta;}& 2n\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}{s}\&le;\mathrm{\&theta;}<(2n+1)\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}{s}\\ -\mathrm{mk}\cos \mathrm{\&theta;}& (2n+1)\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}{s}\&le;\mathrm{\&theta;}<2(n+1)\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}{s}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中θ为激光束在物镜中的会聚半角，k＝2π/λ，λ为激光波长。l，m为长度单位，大小可以在0到100个波长范围内。n，s均为正整数。s的大小可以选择在10到30的范围。0≤n≤s/2-1。θ_max为显微物镜的最大会聚半角，其大小决定于显微物镜的数值孔径。上述相位函数的二维Matlab模拟图如图1所示；将公式(1)表示的位相片置于显微物镜入射光瞳位置，用径向偏振激光束入射并聚焦如图2所示，可以获得如图3所示的纵向偏振双焦点。从图3可以看出，该位相片优点是，可以使径向偏振激光束通过显微物镜形成纵向偏振双焦点聚焦。通过改变l，m的数值可以改变双焦点的轴向距离。

附图说明

图1是φ(θ)分布函数所表示的位相分布的二维灰度模拟。所用参数为：l＝2λ，m＝2λ，s＝20，0≤n≤9。

图2是径向偏振光束入射加φ(θ)分布位相片滤波并用显微物镜聚焦的实施图

图3含光轴的纵向平面内的双焦点光强分布等高线图

具体实施方式

下面通过实例来说明实施方式：

利用Matlab编程将公式(1)所表示的圆对称二维位相分布函数绘制成用灰度表示的位相分布图。可以通过设定l＝2λ，m＝2λ，使聚焦后形成的双焦点中心轴向距离为四个波长。编程时选择s＝20。将此灰度图用通常和成熟的光刻技术做成直径稍大于显微物镜入射光瞳直径的多台阶准连续分布透射型位相片，直径4毫米。将此位相片准确定位和固定在数值孔径0.95的显微物镜入射光瞳位置。利用氦氖激光(波长633nm)器，先入射大恒光电有限公司生产的GCO-2501连续变倍扩束镜头，用于扩大或压缩激光光束至直径6毫米。再令其通过瑞士ARCoptix公司生产的电脑驱动控制的径向偏振转换器，再令其通过位相片-显微物镜复合镜头，即可在焦点位置形成纵向偏振，相距4个波长的双焦点。

Claims (2)

1.一种圆对称多环位相片，可以对入射激光束实现相位调制，其特征是相位调制函数可以用下列位相函数表示：

$\mathrm{\&phi;}\left(\mathrm{\&theta;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{lk}\cos \mathrm{\&theta;}& 2n\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}{s}\&le;\mathrm{\&theta;}<(2n+1)\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}{s}\\ -\mathrm{mk}\cos \mathrm{\&theta;}& (2n+1)\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}{s}\&le;\mathrm{\&theta;}<2(n+1)\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}{s}\end{array}\right..$

2.根据权利要求1所述，将满足该位相分布的位相片置于显微物镜入射光瞳位置后聚焦径向偏振光束，其特征是实现纵向偏振轴向双焦点聚焦。

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