CN102681172A - 一种用于产生超长光管场的离散式复振幅光瞳滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于产生超长光管场的离散式复振幅光瞳滤波器，包括数个呈圆对称的离散式同心多环波带片，其中，以透射率为0的截止圆域为圆心，沿半径向外依次设置相间的透射主环带和截止环带，且最外圈为透射主环带，各透射主环带的相位延迟沿半径方向按照π和0反相交替变换，且各透射主环带的透射率沿半径方向由内向外递增。此种光瞳滤波器适用于角向偏振的入射矢量光场，通过对入射光场进行复振幅的调制，经大数值孔径聚焦系统后，能获取超长的中空“光管”场。这种衍射受限的光管场为纯角向偏振的矢量光场，光管横向直径低于半个光波长，轴向长度可达数个波长，可应用于纳尺度粒子的捕获与操控。

Description

一种用于产生超长光管场的离散式复振幅光瞳滤波器

技术领域

本发明属于矢量衍射光学技术领域，特别一种离散化的、具有透射振幅和相移双重设计自由度的全新复振幅光瞳滤波器，用于大数值孔径光学系统对入射角向偏振矢量光束的聚焦，可在聚焦场区构建三维超长的矢量光管场。该矢量光管场在光学粒子捕获和操控方面有重要应用价值。

背景技术

空变偏振光束（Space-variant polarized beam），是指传播截面上偏振态呈现各向异性或局域相异性分布的一种矢量光束。区别于传统的偏振光束，如线偏振或圆偏振光束，这种新颖的矢量光束具有独特的光物理特性，十多年来受到国际光学界的广泛关注。一种典型的空变偏振矢量光束即是所谓的柱对称矢量光束（Cylindrical vector beam）,其截面偏振态呈柱对称分布，如径向偏振光束（偏振态为沿径向振动的状态）、角向偏振光束（偏振态沿切向振动的状态）等。由于偏振态在空间的特殊分布特性，这类矢量光束经大数值孔径聚焦系统后的聚焦光场，也不同于普通偏振光束的聚焦，其不但可以获得聚焦光场强度的特殊分布模式，且可以获得聚焦场偏振态的特殊分布模式。

基于标量衍射理论和低数值孔径系统，在先技术[1](参见云茂金，刘立人等，“三维超分辨复振幅光瞳滤波器”，发明专利申请号：200410066745.4）设计了一种三区的复振幅滤波器，用以实现聚焦区的三维超分辨；在先技术[2]（参见谭久彬、刘涛等，“角十字扇形复振幅光瞳滤波器”，发明专利申请号：200810064991.4）设计了一种角十字扇形复振幅光瞳滤波器，用以实现高质量轴向平顶光强分布。以上两种技术中所涉及的复振幅光瞳滤波器，属于低数值孔径下标量光场衍射的光学技术范畴，均未涉及入射光场偏振态在传输及聚焦过程中的作用。

在先技术[3]（参见Q.Zhan and J.R.Leger，“Focus shaping usingcylindrical vector beams”，Opt.Express,2002,10(7):324–331）提出了一种简单的聚焦整形技术，利用一个由双半波片级联组成的偏振旋转器，通过适当调整半波片的旋转角，将角向偏振光束、径向偏振光束转换成广义的柱对称矢量光束，实现聚焦强度模式的整形。然而，该技术由于仅使用了偏振态调控手段，因此无法获取超长焦深的聚焦光场。

在先技术[4]（参见W.Chen and Q.Zhan，“Three-dimensional focus shapingwith cylindrical vector beams”.Opt.Commun.2006,265(2):411–417）将柱对称矢量偏振光束和二元衍射光学元件相结合，提出了一种三维聚焦整形方法。适当调整圆柱矢量光束的参数和衍射光学元件（DOE）的设计参数，实现聚焦区域场强模式整形。该技术使用了光瞳面上偏振态操控和相位调控手段，但由于缺少光瞳面上振幅的有效调控，无法获取本专利申请涉及的特殊聚焦光场。

在先技术[5](参见H.F.Wang,L.P.Shi等,“Creation of a needle oflongitudinally polarized light in vacuum using binary optics,”Nat.Photon.,2008，2：501–505）以径向偏振的贝塞尔—高斯入射光，经一个二元衍射光学元件滤波后聚焦，获得了一种沿轴向偏振的聚焦“光针”场。但由于该技术使用的入射光场模式固定，仅结合相位调控，“光针”场质量受到约束，同时限制了其他具有特殊聚焦特性光场的产生。

以上分析表明，目前尽管有某些针对特殊光场的获取方式，但均有其限制所在，故本发明人针对现有技术的种种不足，提出一种可产生特定光场的滤波器结构，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种用于产生超长光管场的离散式复振幅光瞳滤波器，其适用于角向偏振的入射矢量光场，通过对入射光场进行复振幅的调制，经大数值孔径聚焦系统后，能获取超长的中空“光管”场。这种衍射受限的光管场为纯角向偏振的矢量光场，光管横向直径低于半个光波长，轴向长度可达数个波长，可应用于纳尺度粒子的捕获与操控。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种用于产生超长光管场的离散式复振幅光瞳滤波器，包括数个呈圆对称的离散式同心多环波带片，其中，中心为透射率为0的截止圆域，以该截止圆域为圆心，沿半径向外依次设置相间的透射主环带和透射率为0的截止环带，且最外圈为透射主环带，其中，各透射主环带的相位延迟沿半径方向按照π和0反相交替变换，且各透射主环带的透射率沿半径方向由内向外递增，呈离散化梯度分布。

上述光瞳滤波器最外圈的透射主环带由至少两个透射子环带嵌套构成，所有透射子环带的相位延迟相同，其透射率沿半径增大而增加。

采用上述方案后，本发明的基本思想是：

角向偏振激光光束本身是光束横截面中心为暗区的一种基本矢量光束。在一个大数值孔径聚焦系统中传播与聚焦时，其偏振态会保持原有的横向截面内的振动方向不变。未经任何改变的角向矢量光束经大数值孔径聚焦后，会得到一个沿光学系统轴向中空的聚焦场，但聚焦场轴向宽度仅约为单个波长左右，不能实现聚焦场轴向上的扩展。而利用光瞳滤波器，可对入射角向偏振光场的振幅分布、相位分布或偏振态分布进行调控，这些调控行为将会影响聚焦光场的强度分布形式，从而实现聚焦光束的整形，获得本发明中的超长的中空聚焦光场，即光管场。

本发明与在先技术相比，具有如下突出的特点和优点：

（1）一种离散式的、具有振幅透射率（0～1）和相移（0/π）的双重设计自由度的复振幅光瞳滤波器，用于构建大数值孔径系统下中空的聚焦光管场；

（2）利用本发明构建的光管场为纯角向偏振的矢量场，其轴向长度可达数个波长，管壁强度分布高度平坦化，沿管壁无轴向旁瓣；取光管横向一级亮环最大值位置至中心的距离来确定光管的截面半径，即光管管道半径，大数值孔径聚焦系统下（数值孔径NA>0.8),光管半径低于半个波长（～0.32λ），属于亚波长量级。

附图说明

图1是本发明用于大数值孔径光学聚焦系统的原理图；

图2是本发明的透过率结构图（以六个透射环带的滤波器为例）；

图3是本发明的透射光强分布图（以六个透射环带的滤波器为例）；

图4(1)至图4(4)是本发明滤波后大数值孔径聚焦光场的强度分布图（以六个透射环带的滤波器为例），其中图4(1)是聚焦场区的rz平面上的二维强度分布；图4(2)是管壁（直径为0.32λ时）的轴向强度分布；图4(3)是焦平面上的二维强度分布；图4(4)是焦平面上沿半径方向上的横向强度分布。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种用于产生超长光管场的离散式复振幅光瞳滤波器，用于对角向偏振光场的复振幅进行有效的滤波处理，对入射光场进行振幅和相位的空间离散化调控。所述光瞳滤波器整体结构为呈圆对称的离散式同心多环的波带片，其中，光瞳滤波器的中心设置不透光（即透射率为0）的截止圆域；沿半径向外，紧邻截止圆域的是第一透射主环带，位于该第一透射主环带外圈的是透射率为0的第一截止环带，随半径增大，环带依次为第二透射主环带、第二截止环带、第三透射主环带、第三截止环带、第四透射主环带等，其中，透射主环带为离散化分布，这些相邻的透射主环带之间为不透光的截止环带，且最外圈为透射主环带。每个透射主环带可以对入射光束进行复振幅滤波处理，即可对入射光的透射振幅和相位延迟进行调制，其中，透射主环带的透射率变化规律为：随半径增大，越高级次的透射主环带的振幅透射率递增，形成离散化梯度分布；而各透射主环带的相位延迟规律为：沿半径方向，随不同的透射主环带，按照π（或π的偶数倍）和0（或π的奇数倍）反相交替变换。由于最外圈的透射主环带队聚焦场区光场形貌影响最大，因此可进一步将其离散化为两个或更多个不同的透射子环带，这些子环带沿半径增大透射率随之增大，但都具有相同的相位延迟0（或π的偶数倍）或π（或π的奇数倍）。

经滤波处理后，角向偏振光传输截面上具有空间离散的振幅和相位分布，再经大数值孔径透镜聚焦后，在焦点区域会聚，可获得超长、中空的三维衍射受限“光管”场。该光管场为中空的纯角向偏振态的矢量光场，光管半径在亚波长量级上，轴向管长长达数个波长。本滤波器可应用于矢量衍射光学技术中，作为一种有效的光场调控器件使用。

如图1所示，是本发明一种用于产生超长光管场的离散式复振幅光瞳滤波器的一个具体实施例的结构示意图。该实施例中，输入光束为中空的、光场区强度均匀分布的角向偏振矢量光束，经图2所示设计的离散式光瞳滤波器滤波，光瞳面为透镜孔径平面，所设计滤波器紧靠透镜放置。入射光束经大数值孔径透镜聚焦于O点附近区域。图1中，入射的角向偏振光束除中心暗区外，截面其余振幅均匀分布。θ为入射光经透镜后会聚光线与光轴夹角，其最大值θ_max为透镜的数值孔径角。Ω为经透镜后会聚光波的波振面。图2是滤波器各环带的透射率结构图，图中的滤波器半径ρ_i和振幅透射率T都已经进行了归一化的处理。该技术方案所依据的光学原理如下：

柱对称光束的电磁场描述是麦克斯韦方程的矢量解，角向偏振光束是柱对称矢量光束的基元偏振形式之一。根据矢量衍射理论，对一个满足正弦条件的大数值孔径透镜，角向偏振矢量光束经过大数值孔径系统聚焦获得聚焦区光场

分布可表示为：

聚焦场无径向和轴向偏振分量，只有角向偏振分量。其中，

此处

是沿角向的单位矢量，ρ_i＝f sin θ为滤波面归一化半径，f是透镜焦距。P(ρ_i)是光瞳滤波器的复振幅，J₁(kr sin θ)是第一类一阶贝塞尔方程，k＝2π/λ，A＝n₁πf/λ，n₁是透镜折射率。光瞳滤波函数P(ρ_i)＝T(ρ_i)exp(iφ(ρ_i))，T(ρ_i)是透过率函数，φ(ρ_i)是相位函数。表1是离散化复振幅光瞳滤波器的参数值，给出了各环带的透射率T(ρ_i)及相位延迟值φ(ρ_i)。图3是经此结构的复振幅滤波器滤波后，获取的角向偏振矢量光束的横向面上的光强分布图，透射光强呈现为离散化分布。

在大数值孔径聚焦系统的光瞳面上加入设计的环带复振幅滤波器，相应的聚焦场表示为：

其中：θ_n-min、θ_n-max分别为第n个透射环带内外环透射光到系统聚焦中心的会聚角。依据以上光学原理和滤波器的参数结构，在聚焦区域可获得超长焦深(＞8λ，以峰值90％的阈值定义焦深范围)的衍射受限“光管场”。该“光管”场为中空的、光管半径(横向一级亮环峰值的半径，～0.32λ)在亚波长量级上的、纯角向偏振的矢量光场。管中心沿轴向无光场分布，“光管”管壁为沿轴向平坦分布的角向偏振矢量场，无轴向旁瓣。

本发明的技术效果如下：

在设计过程中，我们选择的数值孔径NA=0.95,数值孔径角θ_max=sin^-1(NA/n₁)=1.25rad。根据表1所示参数结构设计的六环带离散式复振幅光瞳滤波器，对入射角向偏振光滤波，获得相应的聚焦场强度分布如图4所示。表1中，给出6个透射环带的半径区间ρ_i，以及该区间上的振幅透射率T_n(ρ_i)和相位延迟φ_n(ρ_i)，n表示第n个环带。图4（1）图是聚焦场区的rz平面上的二维光强分布图，图4（2）是在第一级亮环峰值位置r=0.32λ时沿z轴的一维光强分布图，此位置即为光管管壁位置。从图4（1）和图4(2)可以看出，利用设计的离散化复振幅滤波器，在聚焦区可获得超长（>8λ）的衍射受限“光管”场，“光管”管壁沿轴向平坦分布，无轴向旁瓣。光管场为中空的纯角向偏振矢量光场，管中心沿轴向无光场分布。图4（3）是聚焦光场区z=0时的焦平面上的二维光场分布，图4（4）是焦平面上沿任意半径r方向的一维光场分布。可以看出，聚焦光管场是衍射受限场，亮环峰值的位置半径(～0.32λ)在亚波长量级上，横向旁瓣被有效地抑制，作为光管管壁的一级亮环强度为次级亮环的2.5倍以上。

表1

结果表明：本发明作为一种新结构的复振幅光瞳滤波器，用于大数值孔径聚焦系统中对入射场滤波并经系统聚焦后，可实现超长的衍射受限“光管场”。该“光管”场为中空的纯角向偏振矢量光场，管中心沿轴向无光场分布，光管半径（定义为一级亮环的位置半径，～0.32λ）在亚波长量级上，“光管”管壁为沿轴向平坦分布的角向偏振矢量场，无轴向旁瓣，说明该光瞳滤波器适合于获取特殊的聚焦矢量偏振光束。

以上实例是获取长为8λ的“光管”场的光瞳滤波器设计，进一步增加环带数目及相应的复振幅滤波参数，可以获取更长的“光管”场。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于产生超长光管场的离散式复振幅光瞳滤波器，其特征在于：包括数个呈圆对称的离散式同心多环波带片，其中，中心为透射率为0的截止圆域，以该截止圆域为圆心，沿半径向外依次设置相间的透射主环带和透射率为0的截止环带，且最外圈为透射主环带，其中，各透射主环带的相位延迟沿半径方向按照π和0反相交替变换，且各透射主环带的透射率沿半径方向由内向外递增，呈离散化梯度分布。

2.如权利要求1所述的一种用于产生超长光管场的离散式复振幅光瞳滤波器，其特征在于：所述光瞳滤波器最外圈的透射主环带由至少两个透射子环带嵌套构成，所有透射子环带的相位延迟相同，其透射率沿半径增大而增加。

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