CN105607267A - 一种生成无衍射针型光场的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生成无衍射针型光场的装置，包括扩束准直系统、径向偏振变化矢量光束生成系统和针形光场检测系统；激光器输出光束通过扩束准直系统生成光强均匀分布的线偏振光束，然后通过空间光调制器、4F系统和Ronchi光栅即可生成径向偏振变化矢量光束，聚焦该径向偏振变化矢量光束即可生成光针。本发明方法，光路简单，器件制作成本低，与现有的借助于衍射光学元件生成的针形光场相比，用本发明生成的针形光场在焦深距离内的光强以及偏振态近似都保持不变，极大地增强光与物质之间的相互作用，在光学微机械以及非线性光学中都有重要的应用。

Description

一种生成无衍射针型光场的装置
技术领域
本发明涉及一种无衍射针形光场生成技术，尤其涉及一种基于空变偏振态调控的针形光场生成技术，可用于超分辨率成像、光学纳米制造、光学捕获和操纵等，属于现代光子学领域。
背景技术
近些年来，由于针形光场在粒子加速、荧光成像、二次谐波和拉曼光谱等领域具有潜在的应用前景，因此具有横截面小和焦深长特点的针形光场已得到广泛关注。
最初，人们利用轴棱镜或全息Axilens扩展景深，生成了针形焦场。但是由于衍射的作用，光束的轴向强度有显著的波动，导致其转化效率较低。为了提高针形焦场的转换效率，人们采用高数值孔径透镜与衍射光学元件组合的方法对实验系统进行了改进。
近几年里，研究者提出了多种新的生成针形焦场的方法。例如，利用贝塞尔高斯光束，通过二元相位光学元件和高数值孔径透镜生成纵向偏振的针形焦场；利用多带式螺旋相位全息图和高数值孔径透镜对旋向偏振光紧聚焦得到针形焦场；利用高数值孔径透镜聚焦杂化偏振矢量光场得到超长光针；对高阶径向偏振光透过多区二元相位滤波器后紧聚焦得到针形焦场。
上述针形焦场生成技术都是利用光场偏振态调控的原理生成的，较大程度地改善了原先生成技术的弊端。但是，在生成光针的过程中，这些技术用到二元相位光学元件和折射/衍射混合透镜，导致在生成针形焦场的过程中能量都有一定的损耗，因此转换效率并不理想。
纵观针形焦场的生成技术，可以归纳为两类：1、利用透镜扩展景深直接得到针形焦场；2、借助于衍射光学元件调控光场偏振态改造焦场分布生成针形焦场。上述两种方法都是基于单焦点焦场调控的方法，衍射光学元件的影响导致生成过程中不同程度的能量损耗，转换效率不够高。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种生成针形焦场的技术，通过调控光场的偏振信息改造双焦点焦场，生成针形焦场，在结构简单、成本低廉、操作方便的前提下，更加灵敏而有效地生成了针形焦场，相比于传统的生成技术，其能量损耗低，几乎无旁瓣强度。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
我们在研究过程中发现了一类在光轴上存在两个完全相同焦点的新型焦场(BingG,YangP,Jia-LuW,etal.Manipulationofradial-variantpolarizationforcreatingtunablebifocusingspots.[J].JournaloftheOpticalSocietyofAmericaAOpticsImageScience&Vision,2014,31(2):253-7.)。在这一类焦场的基础上，我们调控加载在空间光调制器上的全息图，改变其相位信息，从而扩展景深生成针形焦场。这种新型无衍射针形光场的生成技术不同于现有的光针生成技术，该技术是通过全息图的相位信息调控，改变焦场的双焦点位置分布，有效地生成了针形焦场。不需要借助光瞳滤波片及其他二元相位光学元件，因此不存在能量损耗，转换效率较高，可以得到小的光焦点直径和长焦深的无衍射针形光场。现有技术资料也未曾有过相关报道。
一种生成无衍射针型光场的装置，包括扩束准直系统、径向偏振变化矢量光束生成系统和针形光场检测系统；所述扩束准直系统包括凹透镜和第一凸透镜，所述径向偏振变化矢量光束生成系统包括空间光调制器、第二凸透镜、1/4波片、第三凸透镜和Ronchi光栅，所述针形光场检测系统包括第四凸透镜、电位移平台和光束分析仪，第二凸透镜和第三凸透镜构成4F系统，光束分析仪固定在电动位移平台上；
激光器输出的激光束依次经过凹透镜和第一凸透镜后扩束成平顶光束，平顶光束入射至空间光调制器，通过加载在空间光调制器上的计算全息图调控平顶光束的空变相位信息，携带空变相位信息的平顶光束(线偏振光束)通过4F系统选取出正负一级衍射光，正负一级衍射光通过1/4波片由线偏振光转化为正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过Ronchi光栅进行叠加合成生成径向偏振变化矢量光束，然后通过第四凸透镜聚焦生成针形光场，通过电位移平台控制光束分析仪沿光传播方向进行移动来分析检测针形光场。
在具体使用时，激光器可以选用满足要求的商用激光器即可，空间光调制器也可以选用满足要求的商用空间光调制器，但要求激光器输出的激光束经扩束准直后光斑大小和波长要与空间光调制器的工作窗口相匹配，以提高光束转换效率并生成高质量的径变偏振矢量光束；加载在空间光调制器上的计算全息图需要与Ronchi光栅的周期相匹配。
有益效果：本发明提供的生成无衍射针型光场的装置，具有如下优势：1、本发明对加载在空间光调制器上的计算全息图相位信息按径向分布进行调制，以获得径向偏振变化矢量光束，光路简单，操作方便，灵活性高；2、本发明采用单个凸透镜聚焦得到针形焦场，成本低、效率高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为通过4F系统生成不同拓扑荷数(n)的径向偏振变化矢量光束的光强分布图；
图3为针形光场的光强分布图，3(a)为XZ平面的模拟光强分布图，3(b)为XY平面的实验光强分布图，3(c)为XY平面的模拟光强分布图，theory表示模拟光强分布，experiment表示实验光强分布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种生成无衍射针型光场的装置，包括扩束准直系统、径向偏振变化矢量光束生成系统和针形光场检测系统；所述扩束准直系统包括凹透镜2和第一凸透镜3，所述径向偏振变化矢量光束生成系统包括空间光调制器4、第二凸透镜5、1/4波片6、第三凸透镜7和Ronchi光栅8，所述针形光场检测系统包括第四凸透镜9、电位移平台10和光束分析仪11，第二凸透镜5和第三凸透镜7构成4F系统，光束分析仪11固定在电动位移平台10上；
激光器输出的激光束1依次经过凹透镜2和第一凸透镜3后扩束成平顶光束，平顶光束入射至空间光调制器4，通过加载在空间光调制器4上的计算全息图调控平顶光束的空变相位信息，携带空变相位信息的平顶光束通过4F系统选取出正负一级衍射光，正负一级衍射光通过1/4波片6由线偏振光转化为正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过Ronchi光栅8进行叠加合成生成径向偏振变化矢量光束，然后通过第四凸透镜9聚焦生成针形光场，通过电位移平台10控制光束分析仪11沿光传播方向进行移动来分析检测针形光场。
所述激光器输出的激光束1为线偏振高斯光束或准高斯光束，所述空间光调制器4的工作响应波长与激光器相匹配，加载在空间光调制器4上的全息图与Ronchi光栅8的周期相匹配。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种生成无衍射针型光场的装置，其特征在于：包括扩束准直系统、径向偏振变化矢量光束生成系统和针形光场检测系统；所述扩束准直系统包括凹透镜(2)和第一凸透镜(3)，所述径向偏振变化矢量光束生成系统包括空间光调制器(4)、第二凸透镜(5)、1/4波片(6)、第三凸透镜(7)和Ronchi光栅(8)，所述针形光场检测系统包括第四凸透镜(9)、电位移平台(10)和光束分析仪(11)，第二凸透镜(5)和第三凸透镜(7)构成4F系统，光束分析仪(11)固定在电动位移平台(10)上；
激光器输出的激光束(1)依次经过凹透镜(2)和第一凸透镜(3)后扩束成平顶光束，平顶光束入射至空间光调制器(4)，通过加载在空间光调制器(4)上的计算全息图调控平顶光束的空变相位信息，携带空变相位信息的平顶光束通过4F系统选取出正负一级衍射光，正负一级衍射光通过1/4波片(6)由线偏振光转化为正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，正交的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光通过Ronchi光栅(8)进行叠加合成生成径向偏振变化矢量光束，然后通过第四凸透镜(9)聚焦生成针形光场，通过电位移平台(10)控制光束分析仪(11)沿光传播方向进行移动来分析检测针形光场。
2.根据权利要求1所述的生成无衍射针型光场的装置，其特征在于：所述激光器输出的激光束(1)为线偏振高斯光束或准高斯光束。
3.根据权利要求1所述的生成无衍射针型光场的装置，其特征在于：所述空间光调制器(4)的工作响应波长与激光器相匹配，加载在空间光调制器(4)上的全息图与Ronchi光栅(8)的周期相匹配。
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