CN103235413B - 一种利用相位板控制焦点位置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用相位板控制焦点位置方法，通过基于单一物镜聚焦光学系统，任意偏振态光束经过可调扩束镜转化为平行入射光束，利用具有相位沿角向余弦分布的特殊相位板对该入射光束进行波前相位调制，再经过高通滤波器后由物镜聚焦，其聚焦后光斑可以通过调节特殊相位板的两个参数在焦平面上自由移动。入射光束可以为任意偏振态光束，且对任意数值孔径的物镜均有效。此外，本方法避免了采用4pi双物镜聚焦光学系统，仅需要采用单一物镜聚焦光学系统就能达到焦点在焦平面上自由移动，极大地提高了实验及应用的灵活性和可操作性。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用光学技术，特别涉及一种利用相位板控制焦点位置方法。
背景技术
焦点区域光强分布由于其性质极大地影响着光学系统的性能，所以一直研究的热点。随着物镜数值孔径的增加，由于光束的矢量特性的影响越来越大，在焦点区域呈现特殊性质，并已经广泛应用于光信息存储、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。
1986年，Ashkin在实验上利用线偏振高斯光束经高数值孔径物镜聚焦后对微粒控制，并且提出光镊的概念。自此之后，研究人员把目光集中在如何产生各种光镊。例如，通过聚焦柱矢量光束可以产生比线偏振光更大的光梯度力，并且可捕捉金属微粒；通过波前相位调制，可以在焦点区域上产生沿光轴的多焦点，而且改变环与环的相位差，可以此多焦点沿光轴连续移动，以此可让束缚在每个焦点的微粒沿光轴进行传输。然而，对于如何自由控制单一焦点位置依然是难点。Shaohui Yan等人在4pi光学系统中通过利用特殊的复合型光瞳滤波器可以使入射光束为径向偏振光的聚焦光斑沿光轴自由移动（参见文献“Shifting the spherical focus of a 4Pi focusing system” Optics Express. 19(2), 673-678 (2011).）。而且通过后续的研究中，该研究人员在相同的光学系统中采用不同的光瞳滤波器让光斑可以在焦点区域三维移动。然而，以上两个方法存在三个不足之处：第一，该方法只针对入射光为径向偏振光聚焦之后的光斑，对于其他偏振态的光束不起作用；第二，在4pi光学系统中实现光斑移动，增加了光路调节的难度，降低了实验的灵活性，同时限制了该方法的应用范围；第三，光斑的位置不能简单的通过改变光瞳滤器的某个参数来实现控制，必需重新计算该光瞳滤波器的透过率，这不利于对焦点的连续控制。
发明内容
本发明是针对现在焦点位置控制存在的问题，提出一种利用相位板控制焦点位置方法，具有光学系统简单，可对任意偏振光聚焦后的光斑在焦平面上连续移动，光斑移动范围大的特点。
本发明的技术方案为：一种利用相位板控制焦点位置方法，具体包括如下步骤：
1）任意偏振态光束作为入射光垂直入射可调扩束镜，调节可调扩束镜，使从可调扩束镜出射的光束为半径R的平行出射光束；
2）可调扩束镜出射的平行光进入与可调扩束镜同轴的具有相位沿角向余弦分布的相位板，相位板出射光束的相位成余弦分布，相位板透过率为：
，其中，i为虚数，m为控制相位板的相位变化的范围参数，t为该余弦相位变化的角频率； 为控制余弦变化的起始点；A可为任意实数；
3）相位板出射的光进入与可调扩束镜同轴的高通滤波器，高通滤波器内圆半径为r0，内圆的透过率为0，外圆半径为R，时，其透过率为1；
4）从高通滤波器出射的光束最后由与可调扩束镜同轴的物镜聚焦；
5）调节具有相位沿角向余弦分布的相位板中的两个参数进行对焦点的连续移动，最终得到需要的焦点位置。
所述可调扩束镜用伽利略型扩束镜或开普敦型扩束镜。
所述具有相位沿角向余弦分布的相位板用相位型空间光调制进行编码实现或直接加工镀膜实现。
所述高通滤波器用振幅型空间光调制器进行编码实现或直接加工镀膜实现。
所述步骤2）中的A可为任意实数，如当A为0时，该相位板的相位变化范围为，A控制相位板的相位变化的起始位置。
所述步骤2）中的t为该余弦相位变化的角频率，其值的变化范围为0.8到1.2。
所述步骤4）中的物镜焦平面上焦点位置为，调节具有相位沿角向余弦分布的相位板中的参数m，m越大也随之变大；与相同。
本发明的有益效果在于：本发明利用相位板控制焦点位置方法，入射光束可以为任意偏振态光束，且对任意数值孔径的物镜均有效。此外，本方法避免了采用4pi双物镜聚焦光学系统，仅需要采用单一物镜聚焦光学系统就能达到焦点在焦平面上自由移动，极大地提高了实验及应用的灵活性和可操作性。
附图说明
图1为本发明实施例聚焦光学系统示意图；
图2为本发明实施例在不同时相位板示意图；
图3为本发明实施例高通滤波器示意图。
具体实施方式
本发明方法的实现是通过基于单一物镜聚焦光学系统，任意偏振态光束经过可调扩束镜转化为平行入射光束，利用具有相位沿角向余弦分布的特殊相位板对该入射光束进行波前相位调制，再经过高通滤波器后由物镜聚焦，其聚焦后光斑可以通过调节特殊相位板的两个参数在焦平面上自由移动。具有相位沿角向余弦分布的特殊相位板是焦点移动方法的核心光学器件，通过利用对入射光束进行波前相位调制，其焦点在焦平面上可自由移动，然而，由于它对光斑的形状的影响很大，且主要集中在光波的低频区域，所以需要加入高通滤波器对光波的低频信号进行滤除，经过滤除后的焦点形状与没有采用具有相位沿角向正弦分布的特殊相位板进行波前相位调制的聚焦光斑形状一样，以此达到焦点在焦平面上无形变的自由移动。
如图1所示实施例聚焦光学系统示意图。该光学系统主要由可调扩束镜1、具有相位沿角向余弦分布的相位板2、高通滤波器3及物镜4构成；入射光束垂直入射可调扩束镜1，依次经过具有相位沿角向余弦分布的相位板2、高通滤波器3及物镜4，最终聚焦与一点。可调扩束镜1、具有相位沿角向余弦分布的相位板2、高通滤波器3及物镜4共有一个中心轴。
入射光为任意偏振态光束，在这选线偏振高斯光，其波长为405nm。可调扩束镜1采用伽利略型扩束镜（当然也可以为开普敦型扩束镜）。具有相位沿角向余弦分布的相位板2采用相位型空间光调制进行编码实现或直接加工镀膜实现，也可用其他实现方法。高通滤波器3采用振幅型空间光调制器进行编码实现或直接加工镀膜实现或直接加工镀膜实现，也可用其他实现方法。物镜数值孔径为0.95。所述具有相位沿角向余弦分布的相位板用相位型空间光调制进行编码实现或直接加工镀膜实现。
基于上述光学系统，一种利用相位板控制焦点位置方法的具体方法步骤如下，
(1)如图1所示，入射光为线偏振高斯光，经过可调扩束镜1后，由于可调扩束镜1的整形作用，从可调扩束镜1出射的光束转化为直径为6mm的平行出射线偏振高斯光束。
(2) 具有相位沿角向余弦分布的相位板2，如图2所示在不同时相位板示意图，相位板2其透过率可表示为：，其中，i为虚数，m为控制该相位板的相位变化的范围参数；t为该余弦相位变化的角频率，其值的变化范围为0.8到1.2；为控制余弦变化的起始点；A可为任意实数，如当A为0时，该相位板的相位变化范围为，控制相位板的相位变化的起始位置；在本实施例中，A=1，t=1；该相位板2与可调扩束镜1共有一个中心轴，平行光束经过此相位板2之后，其光束的相位成余弦分布。
(3) 高通滤波器3，如图3所示高通滤波器示意图，当时，其透过率为0；当时，其透过率为1；其中，为高通滤波器的内圆半径，为高通滤波器的外圆半径，与入射线偏振高斯光束截面尺寸半径相同；该高通滤波器共有上述中心轴。从相位具有余弦分布的相位板2出射的光束经高通滤波器3后，处于内环里面的光束将被滤除，而处于外环的光束可无损的通过，即低频区域的光束将被滤掉，而只有高频区域光束从高通滤波器3出射。
(4) 物镜4，共有上述中心轴；从高通滤波器3出射的光束最后由物镜4聚焦，现定义在物镜焦平面上焦点位置可表示为，则可通过改变具有相位沿角向余弦分布的相位板2中的两个参数进行对焦点的连续移动，其中，m调节的大小，m越大也随之变大；与相同；由于该相位板对焦点形状的影响主要集中于光波的低频区域，所以通过加入高通滤波器3可消除光波低频区域的影响，最后，移动后的焦点与没移动的焦点形状一致，即焦点的位置可通过调节来确定，如图2所示，给出m=1时，不同的，，特殊相位板，则得到在焦平面上焦点的位置分别为，，。
综上所述，本实施例完成了一种利用相位板控制焦点位置方法，与采用4pi双物镜聚焦光学系统相比较，本发明具有光学系统要求简单，可操作性强，更重要的是，本方法适用于任意偏振光束及对任何数值孔径物镜，且焦点可无形变在物镜焦平面上自由移动。
Claims (7)
1.一种利用相位板控制焦点位置方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)任意偏振态光束作为入射光垂直入射可调扩束镜，调节可调扩束镜，使从可调扩束镜出射的光束为半径R的平行出射光束；
2)可调扩束镜出射的平行光进入与可调扩束镜同轴的具有相位沿角向余弦分布的相位板，相位板出射光束的相位成余弦分布，相位板透过率为：
其中，i为虚数，m为控制相位板的相位变化的范围参数，t为该余弦相位变化的角频率，φ0为控制余弦变化的起始点，A为任意实数，为相位板沿角向变化的自变量；
3)相位板出射的光进入与可调扩束镜同轴的高通滤波器，高通滤波器内圆半径为r0，内圆的透过率为0，外圆半径为R，r为高通滤波器中任意一点到达高通滤波器中心的距离，r0＜r≤R时，其透过率为1；
4)从高通滤波器出射的光束最后由与可调扩束镜同轴的物镜聚焦；
5)调节具有相位沿角向余弦分布的相位板中的两个参数m,φ0进行对焦点的连续移动，最终得到需要的焦点位置。
2.根据权利要求1所述利用相位板控制焦点位置方法，其特征在于，所述可调扩束镜用伽利略型扩束镜或开普敦型扩束镜。
3.根据权利要求1所述利用相位板控制焦点位置方法，其特征在于，所述具有相位沿角向余弦分布的相位板用相位型空间光调制进行编码实现或直接加工镀膜实现。
4.根据权利要求1所述利用相位板控制焦点位置方法，其特征在于，所述高通滤波器用振幅型空间光调制器进行编码实现或直接加工镀膜实现。
5.根据权利要求1所述利用相位板控制焦点位置方法，其特征在于，所述步骤2)中的A为0时，该相位板的相位变化范围为(-2mπ,2mπ)，A用于控制相位板的相位变化的起始位置。
6.根据权利要求1所述利用相位板控制焦点位置方法，其特征在于，所述步骤2)中的t为该余弦相位变化的角频率，其值的变化范围为0.8到1.2。
7.根据权利要求1所述利用相位板控制焦点位置方法，其特征在于，所述步骤4)中的物镜焦平面上焦点位置为(ρ,θ)，ρ为极径，θ为方位角，调节具有相位沿角向余弦分布的相位板中的参数m，m越大ρ也随之变大；φ0与θ相同。
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