CN104238135B - 一种双焦点距离控制装置 - Google Patents
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Abstract
一种控制入射偏振态光束所产生的双焦点距离的双焦点距离控制装置，包含：沿同一中心轴线依次放置的可调扩束镜、振幅型光瞳滤波器、多环带同心圆环形相位板以及物镜，可调扩束镜用于将入射偏振态光束转换成平行出射偏振光束，得到扩束镜出射光束，振幅型光瞳滤波器用于将扩束镜光束的光束振幅沿径向余弦分布，得到光瞳滤波器出射光束，多环带同心圆环形相位板用于使光瞳滤波器出射光束在环带之间相差π相位，得到相位板出射光束，物镜用于聚焦相位板出射光束产生双焦点，振幅型光瞳滤波器和多环带同心圆环形相位板的周期参数相同，通过调节振幅型光瞳滤波器和多环带同心圆环形相位板的周期参数可以调节双焦点距离。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种利用余弦调制效应控制沿光轴双焦点距离的装置。
背景技术
光波经物镜聚焦后，其焦点区域光强分布很大程度上影响着光学系统的性能，特别是随着物镜数值孔径的增加，入射光波的矢量特性对焦点区域光强分布的影响也越来越大，而且呈现出特殊性质，并且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。
近几年，光镊技术在微粒控制领域上应用越来越广泛，研究人员发现径向偏振光束经物镜聚焦后，其焦点区域光强分布由光强轴向分量主要组成，而且其光梯度力比线偏振光的光梯度力大，甚至可以束缚金属微粒。然而，由于径向偏振光经物镜聚焦后产生单一焦点，这不利于提高微粒控制的效率。为此，Yiqiong Zhao等通过对入射径向偏振光波前相位及振幅进行调制后，在沿光轴方向产生一条由多焦点组成的可传输光链（Creation of a three-dimensional opticalchain for controllable particle delivery.Optics Letters.30(8),848-850(2005).）。虽然上述方法可提高微粒控制的效率，但存在有三点不足，其一，焦点旁瓣严重；其二，焦点移动的距离小；其三，焦点间距离不会发生改变，减少了微粒控制的灵活性。在后续的研究中，Qinfeng Xu等通过波前相位调制，在沿光轴方向上产生两个焦点，而且可以自由控制焦点的距离(The creation of double tight focusby a concentric multi-belt pure phase filter.Optics Communications.285,1642-1645(2012).)，然而，双焦点的距离控制的范围比较小，而且光斑的能量会随着双焦点的距离的拉大而变得不同，这不利于让两个焦点提供相同的束缚力。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种利用余弦调制效应控制沿光轴双焦点距离的装置，其结构简单，可对任意偏振光聚焦后的双焦点距离进行连续改变，且具有较大的光斑间距变化范围，可应用于光学显微成像、超分辨、微粒控制等方面。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种控制入射偏振态光束所产生的双焦点距离的双焦点距离控制装置，具有这样的特征，包含：可调扩束镜、振幅型光瞳滤波器、多环带同心圆环形相位板以及物镜，其中，可调扩束镜、振幅型光瞳滤波器、多环带同心圆环形相位板以及物镜沿同一中心轴线依次放置，可调扩束镜用于将入射偏振态光束转换成平行出射偏振光束，得到扩束镜出射光束，振幅型光瞳滤波器用于将扩束镜光束的光束振幅沿径向余弦分布，得到光瞳滤波器出射光束，多环带同心圆环形相位板用于使光瞳滤波器出射光束在环带之间相差π相位，得到相位板出射光束，物镜用于聚焦相位板出射光束产生双焦点，振幅型光瞳滤波器和多环带同心圆环形相位板的周期参数相同，振幅型光瞳滤波器和多环带同心圆环形相位板构成双焦点距离调节部，通过调节双焦点距离调节部的周期参数来完成对双焦点距离的调节。
进一步，本发明的控制双焦点距离的装置，还可以具有这样的特征：可调扩束镜为伽利略型扩束镜或开普敦型扩束镜中的任意一种。
另外，本发明的控制双焦点距离的装置，还可以具有这样的特征：物镜的像空间中的介质为空气，双焦点距离的调节范围为0至所述入射偏振态光束的波长的30倍。
发明的作用与效果
根据本发明涉及的双焦点距离控制装置，入射光束经多环带同心圆环形相位板及沿径向余弦分布的振幅型光瞳滤波器调制后由物镜聚焦，在焦点区域形成双焦点，双焦点的间距可通过同步调节相位板及振幅型光瞳滤波器的周期进行改变；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；双焦点间距变化范围大且连续可调，大大提高了实验及应用的灵活性和可操作性。
附图说明
图1为本实施例中的双焦点距离控制装置的结构示意图；
图2为本实施例中m=30,θ0=0时多环带同心圆环形0-π相位板的示意图；以及
图3为本实施例中m=30,θ0=0时振幅型光瞳滤波器的示意图。
具体实施方式
以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。
图1为本实施例中的双焦点距离控制装置的结构示意图。
如图1所示的控制入射偏振态光束所产生的双焦点距离的双焦点距离控制装置，包含：沿同一中心轴线依次放置的可调扩束镜1、振幅型光瞳滤波器2、多环带同心圆环形0-π相位板3以及物镜4。
在本实施例的双焦点距离控制装置中，任意偏振态的光束经过可调扩束镜1整形后转化为平行出射光束，接着通过沿径向余弦分布的振幅型光瞳滤波器2，使得出射光束的振幅沿径向余弦分布；再通过与沿径向余弦分布的振幅型光瞳滤波器2周期相同的多环带同心圆环形0-π相位板3，使得出射光束的环带与环带间相差π相位，以此达到对入射光束进行的波前余弦调制效应，最后通过物镜4聚焦在焦点区域上产生双焦点，且双焦点间距的中心为物镜的几何焦点处。
通过调节沿径向余弦调制的周期，可以连续改变双焦点的间距，而由于沿径向余弦调制既包含了沿径向振幅呈余弦分布，且余弦函数在一个周期内正负发生改变，所以沿径向的余弦调制也包括了对入射光束进行沿径向的与余弦振幅调制相同周期的多环带同心圆环形0-π相位调制。
本实施例中的振幅型光瞳滤波器2和多环带同心圆环形0-π相位板3的周期相同，振幅型光瞳滤波器2和多环带同心圆环形0-π相位板3构成双焦点距离调节部，通过调节双焦点距离调节部的周期可以调节双焦点的距离，双焦点的距离随着余弦调制的周期的减小而增加，双焦点的距离变化连续可控。
本实施例中，入射光束为线偏振高斯光，波长为405nm。可调扩束镜1采用伽利略型扩束镜（或开普敦型扩束镜）。沿径向余弦分布的振幅型光瞳滤波器2通过振幅型空间光调制器进行编码来调节光强。多环带同心圆环形0-π相位板3采用相位型空间光调制器进行编码实现。物镜数值孔径NA为0.95，物镜4的像空间中的介质为空气，即折射率为n=1。
如图1所示，线偏振高斯光经过可调扩束镜1后转化为直径为6mm的平行出射线偏振高斯光束。
沿径向余弦分布的振幅型光瞳滤波器2与可调扩束镜1共有一个中心轴，平行光束经过沿径向余弦分布的振幅型光瞳滤波器2之后，其光束振幅沿径向余弦分布。
多环带同心圆环形0-相位板3与沿径向余弦分布的振幅型光瞳滤波器2共有一个中心轴，从沿径向余弦分布的振幅型光瞳滤波器2出射的光束经过多环带同心圆环形0-π相位板后，其光束在环带与环带间相差π相位，达到对入射光束进行的波前余弦调制效应。
物镜4与可调扩束镜、振幅型光瞳滤波器、多环带同心圆环形相位板共有同一个中心轴，从多环带同心圆环形0-π相位板3出射的光束最后由物镜聚焦在物镜焦点区域上产生双焦点，双焦点距离的中点为物镜的几何焦点处。通过同步调节多环带同心圆环形0-π相位板3及沿径向余弦分布的振幅型光瞳滤波器2的周期控制参数可连续变化调节双焦点的距离。
在本实施例中，沿径向余弦分布的振幅型光瞳滤波器2的透过率=|cos(mθ+θ0)|，m为控制周期的参数，即m越大，周期越小；θ为光束的会聚角，其变化范围取决于物镜4的数值孔径，当物镜4数值孔径为NA时，则θ的变化范围=|0,asin(NA/n)|，其中n为物镜4像空间的介质折射率，θ的引入反映了此光瞳滤波器2的振幅沿径向成余弦分布；θ0为可为任意实数，用以控制相位板3的相位变化的起始位置。针对像空间中的介质是空气的情况，若考虑沿光轴的光斑的旁瓣，则双焦点的距离调节范围为（0,30λ），λ为入射光束的波长；m为振幅型光瞳滤波器2控制周期的参数，其范围为[-110，110]。若像空间中的介质不是空气，双焦点距离的控制范围不同。
图2为本实施例中m=30,θ0=0时多环带同心圆环形0-π相位板的示意图。
图3为本实施例中m=30,θ0=0时振幅型光瞳滤波器的示意图。
如图2、3所示的当m=30，θ0=0时，多环带同心圆环形0-π相位板3及沿径向余弦分布的振幅型光瞳滤波器2的相位及振幅分布图，由于多环带同心圆环形0-π相位板3及沿径向余弦分布的振幅型光瞳滤波器2两者变化的周期相同，在此条件下，双焦点的间距为5.38μm。
当m=0时，双焦点间距为0，此时双焦点在物镜几何焦点处重合，形成一个焦点。
实施例的作用与效果
根据本实施例涉及的控制双焦点距离的装置，具有简单易用的结构。入射光束经多环带同心圆环形0-π相位板及沿径向余弦分布的振幅型光瞳滤波器调制后由物镜聚焦，在焦点区域形成双焦点，双焦点的间距可通过同步调节相位板及振幅型光瞳滤波器的周期进行改变；入射光束可以为任意偏振态光束；任意数值孔径的物镜都适用于本装置；双焦点间距变化范围大且连续可调，大大提高了实验及应用的灵活性和可操作性。
Claims (3)
1.一种调节入射偏振态光束所产生的双焦点的距离的双焦点距离控制装置，其特征在于，包含：可调扩束镜、振幅型光瞳滤波器、多环带同心圆环形相位板以及物镜，
其中，所述可调扩束镜、所述振幅型光瞳滤波器、所述多环带同心圆环形相位板以及所述物镜沿同一中心轴线依次放置，
所述可调扩束镜用于将所述入射偏振态光束转换成平行出射偏振光束，得到扩束镜出射光束，
所述振幅型光瞳滤波器用于将所述扩束镜出射光束的光束振幅沿径向余弦分布，得到光瞳滤波器出射光束，
所述多环带同心圆环形相位板用于使所述光瞳滤波器出射光束在环带之间相差π相位，得到相位板出射光束，
所述物镜用于聚焦所述相位板出射光束并产生双焦点，
所述振幅型光瞳滤波器和所述多环带同心圆环形相位板的周期参数相同，
所述振幅型光瞳滤波器和所述多环带同心圆环形相位板构成双焦点距离调节部，通过调节所述双焦点距离调节部的周期参数来完成对所述双焦点距离的调节。
2.根据权利要求1所述的双焦点距离控制装置，其特征在于：
其中，所述可调扩束镜为伽利略型扩束镜和开普敦型扩束镜中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的双焦点距离控制装置，其特征在于：
其中，所述物镜的像空间中的介质为空气，
所述双焦点距离的调节范围为0至所述入射偏振态光束的波长的30倍。
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