CN105425401B - 一种横向多焦点产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种横向多焦点产生装置，其装置包括：激光器，用于发出任意偏振的激光光束；偏振片，用于将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；扩束及准直系统，用于将线偏振的激光光束进行扩束和准直；空间光调制器，用于将准直扩束后的线偏振激光光束进行相位调制；4F傅里叶变换成像系统，用于将相位调制后的线偏振激光光束成像到物镜后孔径位置；物镜，用于聚焦相位调制后的激光光束，在焦点区域将产生横向多个焦点，且每个焦点的相位和横向位置是任意可调。相对现有技术，本发明可同时实现每个焦点的位置，相位可调以及焦点数量可控。
Description
技术领域
本发明涉及一种焦点位置、数量和每个焦点相位均可调的横向多焦点产生装置及方法。
背景技术
激光经过高数值孔径的物镜聚焦产生的光斑在高分辨率荧光成像，激光材料加工，光学数据存储，微小粒子操控，人工微结构材料制备，表面等离激元激发等众多领域具有非常广泛的应用，因此，通过对入射激光的振幅，相位，偏振等调制以产生焦点区域各种强度分布和偏振分布的光斑一直是一个非常重要的研究方向。目前对产生环形光斑，链状光斑，针尖状光斑，亚波长尺寸光斑，螺旋形光斑，二维阵列光斑以及三维阵列光斑都有广泛和深入的研究报道。其中沿光轴的链状光斑属于纵向多焦点光斑。二维阵列光斑则属于横向有规则排列的多焦点光斑。而三维阵列光斑则属于纵向和横向均为有规则，周期性排列的多焦点光斑。二维阵列光斑以及三维阵列光斑通常的产生方法有两种：经过特殊设计的周期性二维位相光栅和由迭代算法产生的位相图形对入射聚焦物镜的激光束进行调制。前者有与达曼光栅相似的调制光栅以及利用分数泰伯效应的周期性光栅；后者有利用Gerchberg–Saxton(GS)迭代算法产生的位相调制图形。这些方法产生的多焦点二维或三维阵列光斑在空间排列上比较有规则，具有周期性特点，焦点的数量和位置不能任意改变，单个焦点偏振方向和位相不可控。
聚焦光斑的偏振特性在某些应用中具有非常重要的作用。例如，利用不同偏振方向的光场对不同取向的金纳米棒来进行超高分辨率光学成像。在单分子研究中，偶极分子与光相互作用的荧光激发效率与光的偏振方向密切相关。因此，目前已有大量对单个焦点，多焦点光斑以及阵列光斑偏振特性进行调控的研究和报道。2014年报道了通过方位角偏振光束的相位调制可以实现多个焦点的偏振方向控制【Opt.Lett.39,6771(2014)】，但是该方法缺少灵活性。焦点数量限制在四个，而且焦点的位置不可调。最近，文献报道了一种将后孔径沿方位角平均分成足够多的较大扇形区域，然后又将每个较大的扇形区域再均分成N个小的扇形区域。其中N与所要产生的焦点数量相等。在对应同一个焦点的小扇形区域附加一个使焦点产生所需位置移动的相位以及改变偏振方向的总体π相位突变，就可以实现焦点位置，数量，偏振任意可调【Opt.Express,23(19):24688-24698(2015)】。
随着纳米微结构，微光电器件，人工超材料研究的深入，这类器件和材料的照明与激发光路已显得越来越重要。如表面等离激元开关，表面等离激元逻辑门的照明需要在横向同一平面内的多个位相，数量，位置，偏振可控的微米尺寸聚焦激光光斑。因此，对于产生不仅数量，位置，偏振可控，而且单个焦点位相可控的横向多焦点光斑的研究和方法具有非常重要的科学意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可同时实现每个焦点的位置，相位可调以及焦点数量可控的横向多焦点产生装置及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种横向多焦点产生装置，包括：
激光器，用于发出任意偏振的激光光束；
偏振片，用于将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；
扩束及准直系统，用于将线偏振的激光光束进行扩束和准直；
空间光调制器，用于将准直扩束后的线偏振激光光束进行相位调制；
4F傅里叶变换成像系统，用于将相位调制后的线偏振激光光束成像到物镜后孔径位置；
物镜，用于聚焦相位调制后的激光光束，在焦点区域将产生横向多个焦点，且每个焦点的相位和横向位置是任意可调。
本发明的有益效果是：通过对相位调制的线偏振激光光束聚焦，在焦平面区域产生横向多个线偏振焦点，且焦点数量，以及每个焦点的位相和位置是任意可调的；这样的多焦点光斑可以广泛应用在纳米微结构，微光电器件，人工超材料等领域照明和激发，尤其在输出状态与干涉相消或增强有关的多输入端表面等离激元光开关和逻辑门的照明与激发方面有很好的应用。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种横向多焦点产生方法，包括以下步骤：
步骤S1.激光器发出任意偏振的激光光束；
步骤S2.将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；
步骤S3.将线偏振的激光光束进行准直扩束；
步骤S4.将准直扩束后的线偏振激光光束利用反射形纯相位空间光调制器进行相位调制；
步骤S5.将相位调制后的线偏振光通过4F成像系统成像到聚焦物镜的后孔径平面；
步骤S6.物镜对相位调制的入射线偏振激光光束聚焦，在焦平面区域将产生多个焦点，且每个焦点的相位和空间位置任意可调。
优选的，所述步骤S4利用空间光调制器对激光光束的相位调制使得物镜后孔径平面的相位调制。
优选的，所述步骤S4的激光光束相位调制的具体实现：将物镜的圆形入射光瞳平面均分为M个面积相同的扇形，每个扇形区域进一步分为N个面积相等的子扇形区域，每个子扇形区域的顶点为入射光瞳平面的中心，将M×N个子扇形区域进行相位调制。
优选的，所述扇形的半径为物镜后孔径的半径R，每个扇形的圆心角为其中M为偶数。
优选的，每个所述子扇形区域的半径为入射光瞳半径R，且每个子扇形区域对应的圆心角为
优选的，相位调制的具体实现：其中Δxn、Δyn为第n个焦点的位置移动；Δψn为第n个焦点的附加相位；
其中n＝1、2、3…N，m＝1、2、3…M，NA为物镜的数值孔径；λ为激光波长，R为物镜后孔径的半径，nt为焦点区域的折射率。
本发明的有益效果是：通过对相位调制的线偏振激光光束聚焦，在焦平面区域产生横向多个线偏振焦点，且焦点数量，以及每个焦点的位相和位置是任意可调的；这样的多焦点光斑可以广泛应用在纳米微结构，微光电器件，人工超材料等领域照明和激发，尤其在输出状态与干涉相消或增强有关的多输入端表面等离激元光开关和逻辑门的照明与激发方面有很好的应用。
附图说明
图1为本发明一种横向多焦点产生装置的结构示意图；
图2为M＝16，N＝4的二次扇形相位分区示意图；
图3为一个扇形区域和四个子扇形区域的示意图；
图4为相位调制灰度图的示意图；
图5为产生横向四个焦点的相位调制图；
图6为横向四个焦点的强度分布图；
图7为横向四个焦点的相位图；
图8为产生横向六个焦点的相位调制图；
图9为横向六个焦点的强度分布图；
图10为横向六个焦点的相位图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、激光器，2、偏振片，3、扩束及准直系统，4、空间光调制器，5、4F傅里叶变换成像系统，6、物镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1：
如图1所示，一种横向多焦点产生装置，包括：
激光器1，用于发出任意偏振的激光光束；
偏振片2，用于将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；
扩束及准直系统3，用于将线偏振的激光光束进行扩束和准直；
空间光调制器4，用于将准直扩束后的线偏振激光光束进行相位调制；
4F傅里叶变换成像系统5，用于将相位调制后的线偏振激光光束成像到物镜后孔径位置；
物镜6，用于聚焦相位调制后的激光光束，在焦点区域将产生横向多个焦点，且每个焦点的相位和横向位置是任意可调。
如图2至图10所示，一种横向多焦点产生方法，包括以下步骤：
步骤S1.激光器发出任意偏振的激光光束；
步骤S2.将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；
步骤S3.将线偏振的激光光束进行准直扩束；
步骤S4.将准直扩束后的线偏振激光光束利用反射形纯相位空间光调制器进行相位调制；
步骤S5.将相位调制后的线偏振光通过4F成像系统成像到聚焦物镜的后孔径平面；
步骤S6.物镜对相位调制的入射线偏振激光光束聚焦，在焦平面区域将产生多个焦点，且每个焦点的相位和空间位置任意可调。
优选的，所述步骤S4利用空间光调制器对激光光束的相位调制使得物镜后孔径平面的相位调制。
优选的，所述步骤S4的激光光束相位调制的具体实现：将物镜的圆形入射光瞳平面均分为M个面积相同的扇形，每个扇形区域进一步分为N个面积相等的子扇形区域，每个子扇形区域的顶点为入射光瞳平面的中心，将M×N个子扇形区域进行相位调制。
优选的，所述扇形的半径为物镜后孔径的半径R，每个扇形的圆心角为其中M为偶数。
优选的，每个所述子扇形区域的半径为入射光瞳半径R，且每个子扇形区域对应的圆心角为
优选的，相位调制的具体实现：其中Δxn、Δyn为第n个焦点的位置移动；Δψn为第n个焦点的附加相位；
其中n＝1、2、3…N，m＝1、2、3…M，NA为物镜的数值孔径；λ为激光波长，R为物镜后孔径的半径，nt为焦点区域的折射率。
图3为一个大的扇形区域，内有四个小的扇形区域；其中M＝16，N＝4。而相位调制参数为：Δx1＝-3μm,Δy1＝0，Δx2＝-1μm，Δy2＝1μm，Δx3＝1μm，Δy3＝2μm，Δx4＝3μm，Δy4＝0，Δψ1＝π/4、Δψ2＝π/3，Δψ3＝π，Δψ4＝π/6。
图4是一个完整的相位调制灰度图；图中扇形分区参数M＝16,N＝4。相位调制参数为Δx1＝-3μm，Δy1＝0，Δx2＝-1μm，Δy2＝1μm，Δx3＝1μm，Δy3＝2μm，Δx4＝3μm，Δy4＝0。每个焦点的附加相位为：Δψ1＝π/4，Δψ2＝π/3，Δψ3＝π，Δψ4＝π/6。
实施例2：
假定：入射激光波长λ＝633nm，物镜数值孔径N.A.＝1，焦点区域的折射率nt＝1.33，入射光瞳半径R＝3.25mm，提供一个产生相位和位置可调横向4焦点的具体实例。
图5为产生横向四个焦点的相位调制图；相位调制图扇形分区参数为：M＝75，N＝4；四个焦点相对于中心的位置移动量分别为：Δx1＝-3μm，Δy1＝0，Δx2＝-1μm，Δy2＝1μm，Δx3＝1μm，Δy3＝2μm，Δx4＝3μm,Δy4＝0；每个焦点的附加相位为：Δψ1＝π/4,Δψ2＝π/3,Δψ3＝π,Δψ4＝π/6。
图6为由图5相位调制图产生的横向四个焦点的强度分布图。
图7为由图5相位调制图产生的横向四个焦点相位图。
实施例3：
假定：入射激光波长λ＝633nm，物镜数值孔径N.A.＝1，焦点区域的折射率nt＝1.33，入射光瞳半径R＝3.25mm，提供一个产生相位和位置可调横向6焦点的具体实例。
图8为产生横向六个焦点的相位调制图，相位调制图扇形分区参数为：M＝75，N＝6。六个焦点相对于中心的位置移动量分别为：Δx1＝-3.5μm，Δy1＝0，Δx2＝-2.1μm，Δy2＝-3μm，Δx3＝-0.7μm，Δy3＝0，Δx4＝0.7μm，Δy4＝0，Δx5＝2.1μm,Δy5＝-3μm，Δx6＝3μm,Δy6＝0；每个焦点的附加相位为：Δψ1＝π/6，Δψ2＝π，Δψ3＝π/4，Δψ4＝π/4，Δψ5＝π，Δψ6＝π/6。
图9为由图8相位调制图产生的横向六个焦点的强度分布图。
图10为由图8相位调制图产生的横向六个焦点相位图。
通过上述三个实施例可知，本发明可以产生横向多个焦点光斑，通过改变分区相位中的子扇形区域的个数，可以改变焦点的个数；通过改变每个焦点对应子扇形区域的相位调制可以改变每个焦点的横向位置；通过改变每个焦点对应子扇形区域的常数相位调制值可以改变每个焦点的相位；因此本发明提出的相位调制方法可以产生位置，相位，数量可调的横向多焦点。而每个焦点的偏振状态与入射激光偏振方向一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种横向多焦点产生装置，其特征在于，包括：
激光器(1)，用于发出任意偏振的激光光束；
偏振片(2)，用于将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；
扩束及准直系统(3)，用于将线偏振的激光光束进行扩束和准直；
空间光调制器(4)，用于将准直扩束后的线偏振激光光束进行相位调制；
4F傅里叶变换成像系统(5)，用于将相位调制后的线偏振激光光束成像到物镜后孔径位置；
物镜(6)，用于聚焦相位调制后的激光光束，在焦点区域将产生横向多个焦点，且每个焦点的相位和横向位置任意可调。
2.一种横向多焦点产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1.激光器发出任意偏振的激光光束；
步骤S2.将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；
步骤S3.将线偏振的激光光束进行准直扩束；
步骤S4.将准直扩束后的线偏振激光光束利用反射形纯相位空间光调制器进行相位调制；
步骤S5.将相位调制后的线偏振光通过4F成像系统成像到聚焦物镜的后孔径平面；
步骤S6.物镜对相位调制的入射线偏振激光光束聚焦，在焦平面区域将产生多个焦点，且每个焦点的相位和空间位置任意可调。
3.根据权利要求2所述一种横向多焦点产生方法，其特征在于：所述步骤S4利用空间光调制器对激光光束的相位调制使得物镜后孔径平面的相位调制。
4.根据权利要求2所述一种横向多焦点产生方法，其特征在于：所述步骤S4的激光光束相位调制的具体实现：将物镜的圆形入射光瞳平面均分为M个面积相同的扇形，每个扇形区域进一步分为N个面积相等的子扇形区域，每个子扇形区域的顶点为入射光瞳平面的中心，将M×N个子扇形区域进行相位调制。
5.根据权利要求4所述一种横向多焦点产生方法，其特征在于：所述扇形的半径为物镜后孔径的半径R，每个扇形的圆心角为其中M为偶数。
6.根据权利要求5所述一种横向多焦点产生方法，其特征在于：每个所述子扇形区域的半径为入射光瞳半径R，且每个子扇形区域对应的圆心角为
7.根据权利要求2至6任一项所述一种横向多焦点产生方法，其特征在于，相位调制的具体实现：其中Δxn、Δyn为第n个焦点的位置移动；Δψn为第n个焦点的附加相位；
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其中：n＝1、2、3…N，m＝1、2、3…M，NA为物镜的数值孔径；λ为激光波长，R为物镜后孔径的半径，nt为焦点区域的折射率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180130 Termination date: 20201224 |