CN102402006A - 一种用于产生空心光束的位相型光瞳滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以产生空心光束的位相型光瞳滤波器，该滤波器用于数值孔径为0.85的物镜聚焦时，能够在焦点附近形成三维的局域空心光束。该位相型光瞳滤波器为矩形刻蚀的二环位相结构，其归一化半径为0.7≤r₁≤0.721，r₂＝1，位相调制深度为

或

且本发明可以使线偏振单色平面波聚焦后，在焦点附近轴向和横向实现局域空心光束。本发明矩形刻蚀二环位相光瞳滤波器可由微电子光刻工艺、刻蚀工艺、以及复制工艺加工而成，具有制造容差大，可以低成本、大批量生产的优点，可以应用于对微观粒子的光学囚禁和光学操纵等领域中。

Description

一种用于产生空心光束的位相型光瞳滤波器

技术领域：

本专利涉及一种使用高数值孔径物镜聚焦时，可以在焦点附近产生空心光束的矩形刻蚀位相型光瞳滤波器，特别是用于透镜数值孔径为0.85的二环位相型光瞳滤波器。

背景技术：

空心光束是指光束在传播方向上有着强度为零的区域，且在此区域外三维空间都围绕着高强度的一种特殊空心光束。由于它具有许多新颖独特的物理性质：如三维封闭的暗中空区域和极高的强度梯度，较小的暗斑尺寸，并且具有自旋与轨道角动量等，空心光束可以作为光学扳手和光镊，目前已成为实现微光粒子(如微米粒子、纳米粒子和生物细胞等)精确操纵和控制的有力工具。空心光束在激光光学、二元光学、计算全息、微观粒子的光学囚禁、材料科学、生物医学等方面有广泛的应用前景。

目前，人们可以采用多种方法产生空心光束，主要包括几何光学法、横模选择法、模式变换法、光学全息法、计算全息法、空心光纤法和位相片法。高数值孔径物镜在现代光学系统中应用越来越广泛，比如在激光加工、光学捕获和操纵等领域均需要利用高数值孔径透镜。高数值孔径下的光束传播行为不同于一般低数值孔径下的光束传播行为，高数值孔径具有很强的去偏振效应，因此高数值孔径下必须采用矢量衍射理论分析，才能得到正确的焦场分布结构。Wolf等人给出了高数值孔径下的焦场特性分析方法【在先技术1：B.Richards，E.Wolf，Pro.R.Soc.，A 253，358(1959)】，可以用来分析高数值孔径下的焦点附近的光场结构。位相型光瞳滤波器可以对光束波前结构进行调制，可用来实现特定的焦场分布，我们根据矢量衍射理论，对可在焦点附近可以实现局域空心光束的环带结构进行了优化设计，得到实现空心光束的二环位相结构。据我们所知，还没有利用矢量衍射理论，针对数值孔径为0.85的物镜能够给出实现空心光束的位相光瞳滤波器结构。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是针对数值孔径为0.85的物镜聚焦时，能够在焦点附近形成局域空心光束的位相型光瞳滤波器。该滤波器在波长为λ的线偏振单色平面波入射时，在焦点处形成的局域空心光束横向半径为0.67λ，纵向半径为1.59λ。

本发明的技术解决方案如下：

本发明涉及一种可以在焦点附近产生局域空心光束的光瞳滤波器，该滤波器为矩形刻蚀二环位相型光瞳滤波器。其特征在于，该二环位相型滤波器的归一化半径分别为0.7≤r₁≤0.72，r₂＝1，位相调制深度为

或

且

本发明提供了一种针对物镜数值孔径为0.85设计的，可以在焦点处横向和轴向产生三维局域空心光束的光瞳滤波器，可应用于光学捕获或操纵等领域中。

本发明的依据如下：

图1显示了二环位相型光瞳滤波器的几何结构。r₁，r₂为归一化半径，

为位相调整深度。将二环位相光瞳滤波器放置在数值孔径为0.85的透镜之前，一线偏振单色平面波垂直入射，如图2所示。

在如图1所示的二环位相光瞳滤波器结构下，本发明采用矢量衍射方法【在先技术1】计算了数值孔径为0.85的物镜焦点附近的横向和轴向光强分布，通过分析不同归一化半径和位相调整深度下焦点附近的横向和轴向光强分布，对二环的半径、位相调制深度进行优化设计，得到在焦点附近产生三维局域空心光束分布的二环结构。

本发明的技术优点如下：

1、该结构既可在焦平面上产生空心光束，同时又在轴向实现了空心光束，即在焦点处实现了三维的空心光束，横向和轴向的空心光束半径分别为0.67λ和1.59λ。

2、该结构和现有光学系统兼容，可以直接用于现有的高数值孔径透镜中，同时该结构简单，体积小，重量轻，有利于减少光学系统的体积、重量和复杂性。

3、该光瞳滤波器制作工艺简单，能够利用现有的二元光学加工工艺制作，同时具有制作容差大的优点，半径和位相调整深度的微小变化对空心光束的性能影响很小，减小了工艺的复杂性。

附图说明：

图1是本发明二环位相型光瞳滤波器的几何结构。

图2是本发明二环位相型光瞳滤波器应用于数值孔径为0.85的透镜前的结构示意图。

图3是应用二环位相型光瞳滤波器后，焦点附近横向的二维光强分布示意图。

图4是应用二环位相型光瞳滤波器后，横向过焦点的一维光强分布示意图。

图5是应用二环位相型光瞳滤波器后，焦点附近轴向的二维光强分布示意图。

图6是应用二环位相型光瞳滤波器后，轴向过焦点的一维光强分布示意图。

具体实施例：

参看图1，所述的二环位相光瞳滤波器的归一化半径为r₁＝0.71，r₂＝1，位相调整深度为π，0。设本发明工作波长为λ，对设计结果分析表明，该光瞳滤波器产生的空心光束的横向和轴向强度分布分别如图3、图4和图5、图6所示，横向半径为0.67λ，纵向半径为1.59λ。

表1示出了该结构在不同归一化半径和调制深度时，对应空心光束的半径变化规律，从表1可以看出，当0.7≤r₁≤0.72，

时，空心光束的横向半径和轴向半径变化很小，这种结构具有制作容差大的优点，减小了工艺制作的难度。

利用二元光学加工技术制造该位相型光瞳滤波器，可以分为以下几步：

1、根据透镜人瞳的大小计算二环的半径，然后制作相应的光刻掩模板。

2、用光刻的方法把掩模板的图形转移到涂有光刻胶的玻璃基底上去。

3、采用湿法或干法刻蚀的方法将掩模板图形转移到玻璃基底上，并且控制刻蚀深度到π位相调制。

4、去掉光刻胶，得到所需的二环位相型光瞳滤波器。

表1

Claims (3)

1.一种用于产生空心光束的位相型光瞳滤波器，其特征在于该滤波器具有二环结构，且为矩形刻蚀的位相光瞳滤波器。

2.根据权利要求1所述的二环矩形刻蚀位相型光瞳滤波器，其特征在于所述的二环位相型滤波器的归一化半径为0.7≤r₁≤0.72，r₂＝1，位相调制深度为

或

且

3.根据权利要求2所述的二环矩形刻蚀位相光瞳滤波器，其特征在于所述的光瞳滤波器的归一化半径为r₁＝0.71，r₂＝1，位相调制深度为0，π或π，0。

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