CN106569341A - 一种合成并保持焦场任意偏振态的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种合成并保持焦场任意偏振态的装置和方法。该装置由激光器、半波片、偏振片、1/4波片、透镜、平面镜、空间光调制器、空间滤波器、分光镜和高数值孔径物镜组成。该方法在理论上利用理查德—沃尔夫矢量衍射理论反演求解合成特定偏振态焦场所需要的入射光场，实验上利用两台不同颜色通道的空间光调制器所构成的任意矢量光场生成系统产生相位、振幅和偏振完全可控的光场。在高数值孔径物镜的聚焦下，合成拥有特定偏振态的焦场，且焦场偏振态不会随着光场在焦场区域内的传播而发生变化。通过改变空间光调制器的加载位相，能够灵活地调控焦场的偏振态和拓扑荷数。
Description
技术领域
本发明涉及焦场调控领域。
背景技术
在过去的几十年里，光学显微镜由于能够在无损样品的前提下提供样品的多维度信息成为众多科学领域和行业中必不可少的工具，并被广泛地用来处理大量珍贵和不可替代的样品。光学显微镜利用紧聚焦的光场作为“虚拟探针”来检验焦场区域内样品的特性，并产生成像所需的对比度。因此，焦场特性的调控在提升光学显微镜性能和功能方面扮演着至关重要的作用，例如相干反斯托克斯拉曼光谱法、三次谐波显微镜、受激发射损耗显微镜等。此外，研究者们开发了众多的激光光束整形系统，用于在某一个特定的目标平面内将激光光束转化为需要的强度分布，这些特殊的光场在激光热退火、激光熔接、材料加工、全息、光学计量和光记录等方面都有着重要的应用。
除了对焦场的形状、尺寸和强度分布的优化，焦场的偏振也是值得关注的一个重要参数。若能实现对焦场偏振态的完全控制，则能为光学显微镜提供更丰富的信息并且极大地扩展它的功能。研究者们利用逆向算法已经能够生成特定偏振态分布的焦场，然而此类方法只能够在焦场的焦平面上对偏振态进行设计，在焦场区域的其他横向平面内偏振态会由于传播效应而发生演化，造成偏振态在焦场区域呈现不规则的分布，同时也限制了偏振调控对光学显微镜及相关应用性能的提升。
发明内容
发明目的：本发明提出了一种合成且保持焦场任意偏振态的装置和方法，用于解决现存的焦场调控技术中只能在焦平面上控制光场偏振态，而无法在焦场范围内维持偏振态的局限性，并且可以快速地对焦场的偏振态进行有效的控制。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种合成且保持焦场任意偏振态的装置，在平台平面上设置包括激光器、半波片、第一偏振片、第一分束器、第一绿通道空间光调制器、第一透镜、第一平面镜、第二分束器、第一1/4波片、第二绿通道空间光调制器、第二透镜、第二偏振片、第一空间滤波器、第三透镜、第三分束器、第二1/4波片、第一红通道空间光调制器、第四透镜、第二平面镜、第三分束器、第二红通道空间光调制器、第五透镜、第二空间滤波器、第六透镜以及数值孔径为0.75以上的高数值孔径物镜；
所述第一偏振片、第二偏振片的透振方向平行于平台平面；
所述第一平面镜放置在透镜的焦平面，且第一透镜和第一平面镜构成的4f系统；
所述第一1/4波片、第二1/4波片的快轴方向与平台平面成45度；
所述第二透镜的物方焦平面与第二绿通道空间光调制器重合；
所述第二透镜和第三透镜构成4f系统，且第一空间滤波器放置在该4f系统的焦平面；
所述第二平面镜放置在第四透镜的焦平面，且第四透镜和第二平面镜构成的4f系统；
所述第五透镜的物方焦平面与第二红通道空间光调制器重合；
所述第二空间滤波器放置在第五透镜的焦平面；
所述第五透镜和第六透镜构成望远镜系统，对激光进行扩束且光斑尺寸与高数值孔径透镜后端的入光孔径相同；
激光器发出的激光光束依次经过半波片和第一偏振片调整强度后，再经第一分束器反射至第一绿通道空间光调制器；经第一绿通道空间光调制器调制后的光束穿过第一分束器，经第一透镜和第一平面镜后依次穿过第二分束器和第一1/4波片，入射至第二绿通道空间光调制器；经第二绿通道空间光调制器调制后的光束穿过第一1/4波片并经第二分束器反射后，依次经过第二透镜、第二偏振片、第一空间滤波器以及第三透镜后再经第三分束器的反射并穿过第二1/4波片后后入射至第一红通道空间光调制器；经第一红通道空间光调制器调制后的光束依次穿过第二1/4波片和第三分束器，经第四透镜和第二平面镜后穿过第四分束器，入射至第二红通道空间光调制器；第二红通道空间光调制器调制后的光束经第四分束器反射后，依次经过第五透镜、第二空间滤波器和第六透镜后入射至高数值孔径物镜的后方孔径。
进一步的，在本发明中，所述第一绿通道空间光调制器和第二绿通道空间光调制器为同一个空间光调制器的面板上的不重合的2个区域；所述第一红通道空间光调制器和第二红通道空间光调制器为另一个空间光调制器的面板上的不重合的2个区域；还包括计算机，所述计算机分别与两台空间光调制器相连。
进一步的，利用上述装置实现一种合成且保持焦场任意偏振态的方法，包括以下步骤：
步骤1、确定所要生成焦场的偏振态以及拓扑荷，利用理查德—沃尔夫矢量衍射理论反演求解生成此类焦场所需的入射场。
假设所要生成焦场的拓扑荷为m，取向角为α、椭球率为ε，则所需入射场的电场表达式可写为：
其中和分别为入射场径向和角向分量的单位向量，θ和为球坐标系的方位角和极角，为描述光束强度分布的函数。
步骤2、根据步骤1所计算出的入射光场的振幅、位相和偏振态信息，确定两台空间光调制器上总共四个区域所要加载的位相信息。
其中，第一绿通道空间光调制器所在区域所加载的位相信息用于调控光场的振幅；第二绿通道空间光调制器所在区域所加载的位相信息用于调控光场的共有位相；第一红通道空间光调制器所在区域所加载的位相信息用于调控光场偏振态的取向角；第二红通道空间光调制器所在区域所加载的位相信息用于调控光场偏振态的椭球率；利用红色和绿色图案的叠加生成包含特定灰度信息的图片，加载至空间光调制器；
具体实现方法参见如下文献：W.Han,Y.Yang,W.Cheng,and Q.Zhan,“Vectorialoptical field generator for the creation of arbitrary complex fields,”Opt.Express 21(18),20692(2013)；
步骤3、选择合适焦距的透镜5和透镜6，确保激光的光斑尺寸被放大至与高数值孔径物镜后端的入光孔径相同；
步骤4、调整高数值孔径透镜的位置，使得入射光场的中心与高数值孔径透镜的入光孔径中心重合，实现对光场的高效聚焦。
有益效果：
本发明提出的合成且保持焦场任意偏振态的方法在单分子成像、针尖增强拉曼光谱、高分辨率光学显微镜、粒子捕获和操控方面有着重要的应用。传统的焦场调控方法只能在特定的焦平面内控制光场的偏振态，而在焦场区域的其他横向平面内偏振态会由于传播效应而发生演化，造成偏振态在焦场区域呈现不规则的分布，也限制了偏振调控对光学显微镜及相关应用性能的提升。
具体来说：
本发明的功能性强。不但能够任意地设计焦场的偏振态，而且能够保证偏振态在焦场的任意横向平面内维持不变。
本发明的成本相对较低。传统意义上调控光场的四个自由度(振幅、共有位相、偏振取向角、偏振椭球率)需要四台空间光调制器。借助于空间光调制器的高分辨率，本发明将空间光调制器的面板一分为二，从而利用两台空间光调制器即可实现光场的全面控制。
本发明的扩展性强。通过更换激光光源，以及相应地更换1/4波片和偏振片，或是选用宽谱的光学元件，即可对不同波长激光的焦场偏振态进行调控。
本发明操作简便、灵活高效。通过采用红通道和绿通道两种不同的空间光调制器的方式，利用一台电脑加载一副红色和绿色的混合图即可同时控制两台空间光调制器总共四个区域。此外，焦场偏振态能够通过改变空间光调制器的加载图案方式实现快速切换。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为生成拓扑荷为1，偏振态为椭圆偏振(取向角为π/4，椭球率为π/8)的焦场所需加载到空间光调制器的位相图；
图3为空间光调制器加载图2所示位相时所生成的光场；
图4为图3所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面1.5倍波长处的强度分布；
图5为图3所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面2.5倍波长处的强度分布；
图6为图3所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面5倍波长处的强度分布；
图7为图5所示光场的斯托克斯参量图；
图8为图4、图5和图6所示光场的平均斯托克斯参量值。
图9为生成拓扑荷为1，偏振态为线偏振(偏正取向角为π/4，偏正椭球率为0)的焦场所需加载到空间光调制器的位相图；
图10为空间光调制器加载图8所示位相时所生成的光场；
图11为图10所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面1.5倍波长处的强度分布；
图12为图10所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面2.5倍波长处的强度分布；
图13为图10所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面5倍波长处的强度分布；
图14为图12所示光场的斯托克斯参量图；
图15为图11、图12和图13所示光场的平均斯托克斯参量值。
图16为生成拓扑荷为1，偏振态为圆偏振(偏正取向角为π/4，偏正椭球率为π/4)的焦场所需加载到空间光调制器的位相图；
图17为空间光调制器加载图16所示位相时所生成的光场；
图18为图17所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面1.5倍波长处的强度分布；
图19为图17所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面2.5倍波长处的强度分布；
图20为图17所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面5倍波长处的强度分布；
图21为图19所示光场的斯托克斯参量图；
图22为图18、图19和图20所示光场的平均斯托克斯参量值。
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，一种在任何横向平面内合成任意偏振态焦场的装置，包括激光器1、半波片2、第一偏振片3、第一分束器4、第一绿通道空间光调制器5、第一透镜6、第一平面镜7、第二分束器8、第一1/4波片9、第二绿通道空间光调制器10、第二透镜11、第二偏振片12、第一空间滤波器13、第三透镜14、第三分束器15、第二1/4波片16、第一红通道空间光调制器17、第四透镜18、第二平面镜19、第三分束器20、第二红通道空间光调制器21、第五透镜22、第二空间滤波器23、第六透镜24以及数值孔径为0.75以上的高数值孔径物镜25。
所述第一绿通道空间光调制器5和第二绿通道空间光调制器10为同一个空间光调制器的面板上的不重合的2个区域，设定第一绿通道空间光调制器5所在区域为区域一，第二绿通道空间光调制器10所在区域为区域二；所述第一红通道空间光调制器17和第二红通道空间光调制器21为另一个空间光调制器的面板上的不重合的2个区域，设定第一红通道空间光调制器17所在区域为区域三，第二红通道空间光调制器21所在区域为区域四；还包括计算机，所述计算机分别与两台空间光调制器相连。
从激光器1发出的激光经由半波片2和第一偏振片3的组合作用下，能够在保持出射激光偏振态为空间光调制器所响应的水平线偏振态之外，还可以通过旋转半波片2的方式调节出射激光的强度以免损伤空间光调制器。
激光经由第一分束器4反射至第一绿通道空间光调制器5，实现对共有位相的调控。
经第一透镜6和第一平面镜7构成的4f系统，激光束被传递至第二绿通道空间光调制器10，并借由第一1/4波片9和第二偏振片12的组合实现对振幅的调控。
第二透镜11和第三透镜14构成的4f系统将激光束传递至第三分束器15，并由第一空间滤波器13滤去高频分量。激光束经第三分束器15反射至第一红通道空间光调制器17，并通过与第二1/4波片16的组合实现对取向角的调控。
经第四透镜18和第二平面镜19构成的4f系统，激光束被传递至第二红通道空间光调制器21，并实现对椭球率的调控。
借助第五透镜22和第六透镜24构成的望远镜系统，高频项和散射光被第二空间滤波器23滤去，且激光束的光斑尺寸被放大至与高数值孔径物镜25的后入光孔径的大小相同，以确保光场被最大限度地聚焦。通过调节高数值孔径物镜25的位置使得激光光斑的中心与高数值孔径物镜25入光孔径的中心重合，以确保获得最好的聚焦效果。
图2显示了生成拓扑荷为1，偏振态为椭圆偏振(取向角为π/4，椭球率为π/8)的焦场所需加载到空间光调制器的位相图。该图从中心一分为二，右半图中的绿色和红色分别加载到区域一和区域三，而左半图中的绿色和红色分别加载到区域二和区域四。
需要说明的是，位相图为绿色和红色叠加而成的彩色图片，由于生成目标光场所需的位相图为本领域的现有技术，因此此处仅提供位相图的彩色图片经word灰度处理后的示意图片，下文中图9、图16采用和图2相同的图片处理方式。
图3显示了空间光调制器加载图2所示位相时所生成的光场，其中中央的黑斑代表光场所携带的拓扑荷。横坐标表示以波长为单位的x轴范围，纵坐标表示以波长为单位的y轴范围。
图4为图3所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面1.5倍波长处的强度分布，其中中央的黑斑代表聚焦光场所携带的拓扑荷。
图5为图3所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面2.5倍波长处的强度分布，其中中央的黑斑代表聚焦光场所携带的拓扑荷。
图6为图3所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面5倍波长处的强度分布，其中中央的黑斑代表聚焦光场所携带的拓扑荷。
图7为图5所示光场的斯托克斯参量图。斯托克斯参量常用来描述光场的偏振态，它包含四个参数，其中S0表示总光强，S1表示光场的x偏振分量与y偏振分量的强度之差，S2表示光场的左旋圆偏振分量与右旋圆偏振分量的强度之差，S3表示光场的45°线偏振分量和-45°线偏振分量的强度之差。此图中，其中S1分量的值趋于0，而S2和S3分量的值约为0.707，证明焦场的偏振态为取向角π/4且椭球率π/8的椭圆偏振，达到预期设计的目标。
图8为图4、图5和图6所示光场的平均斯托克斯参量值，实验测得的斯托克斯参量值与理论预期之前的平均误差仅为2％，可见各分量值基本保持不变，证明光场在焦场区域内传播时偏振态不发生改变，能够维持很好的椭圆偏振态(取向角为π/4，椭球率为π/8)。
图9显示了生成拓扑荷为1，偏振态为线偏振(取向角为π/4，椭球率为0)的焦场所需加载到空间光调制器的位相图。该图从中心一分为二，右半图中的绿色和红色分别加载到区域一和区域三，而左半图中的绿色和红色分别加载到区域二和区域四。
图10显示了空间光调制器加载图9所示位相时所生成的光场，其中中央的黑斑代表光场所携带的拓扑荷。
图11为图10所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面1.5倍波长处的强度分布，其中中央的黑斑代表聚焦光场所携带的拓扑荷。
图12为图10所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面2.5倍波长处的强度分布，其中中央的黑斑代表聚焦光场所携带的拓扑荷。
图13为图10所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面5倍波长处的强度分布，其中中央的黑斑代表聚焦光场所携带的拓扑荷。
图14为图12所示光场的斯托克斯参量图，其中S1和S3分量的值趋于0，而S2分量的值约为1，证明焦场的偏振态为取向角π/4且椭球率0的线偏振，达到预期设计的目标。
图15为图11、图12和图13所示光场的平均斯托克斯参量值，可见各分量值基本保持不变，证明光场在焦场区域内传播时偏振态不发生改变，能够维持很好的线偏振态(取向角为π/4，椭球率为0)。
图16显示了生成拓扑荷为1，偏振态为圆偏振(取向角为π/4，椭球率为π/4)的焦场所需加载到空间光调制器的位相图。该图从中心一分为二，右半图中的绿色和红色分别加载到区域一和区域三，而左半图中的绿色和红色分别加载到区域二和区域四。
图17显示了空间光调制器加载图16所示位相时所生成的光场，其中中央的黑斑代表光场所携带的拓扑荷。
图18为图17所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面1.5倍波长处的强度分布，其中中央的黑斑代表聚焦光场所携带的拓扑荷。
图19为图17所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面2.5倍波长处的强度分布，其中中央的黑斑代表聚焦光场所携带的拓扑荷。
图20为图17所示光场经由数值孔径为0.8的物镜聚焦后在距离焦平面5倍波长处的强度分布，其中中央的黑斑代表聚焦光场所携带的拓扑荷。
图21为图19所示光场的斯托克斯参量图，其中S1和S2分量的值趋于0，而S3分量的值约为1，证明焦场的偏振态为取向角π/4且椭球率π/4的圆偏振，达到预期设计的目标。
图22为图18、图19和图20所示光场的平均斯托克斯参量值，可见各分量值基本保持不变，证明光场在焦场区域内传播时偏振态不发生改变，能够维持很好的圆偏振态(取向角为π/4，椭球率为π/4)。
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)
1.一种合成并保持焦场任意偏振态的装置，其特征在于：在平台平面上设置包括激光器(1)、半波片(2)、第一偏振片(3)、第一分束器(4)、第一绿通道空间光调制器(5)、第一透镜(6)、第一平面镜(7)、第二分束器(8)、第一1/4波片(9)、第二绿通道空间光调制器(10)、第二透镜(11)、第二偏振片(12)、第一空间滤波器(13)、第三透镜(14)、第三分束器(15)、第二1/4波片(16)、第一红通道空间光调制器(17)、第四透镜(18)、第二平面镜(19)、第三分束器(20)、第二红通道空间光调制器(21)、第五透镜(22)、第二空间滤波器(23)、第六透镜(24)以及数值孔径为0.75以上的高数值孔径物镜(25)；
所述第一偏振片(3)、第二偏振片(12)的透振方向平行于平台平面；
所述第一平面镜(7)放置在透镜(6)的焦平面，且第一透镜(6)和第一平面镜(7)构成的4f系统；
所述第一1/4波片(9)、第二1/4波片(16)的快轴方向与平台平面成45度；
所述第二透镜(11)的物方焦平面与第二绿通道空间光调制器(10)重合；
所述第二透镜(11)和第三透镜(14)构成4f系统，且第一空间滤波器(13)放置在该4f系统的焦平面；
所述第二平面镜(19)放置在第四透镜(18)的焦平面，且第四透镜(18)和第二平面镜(19)构成的4f系统；
所述第五透镜(22)的物方焦平面与第二红通道空间光调制器(21)重合；
所述第二空间滤波器(23)放置在第五透镜(22)的焦平面；
所述第五透镜(22)和第六透镜(24)构成望远镜系统，对激光进行扩束且光斑尺寸与高数值孔径透镜(25)后端的入光孔径相同；
激光器(1)发出的激光光束依次经过半波片(2)和第一偏振片(3)调整强度后，再经第一分束器(4)反射至第一绿通道空间光调制器(5)；经第一绿通道空间光调制器(5)调制后的光束穿过第一分束器(4)，经第一透镜(6)和第一平面镜(7)后依次穿过第二分束器(8)和第一1/4波片(9)，入射至第二绿通道空间光调制器(10)；经第二绿通道空间光调制器(10)调制后的光束穿过第一1/4波片(9)并经第二分束器(8)反射后，依次经过第二透镜(11)、第二偏振片(12)、空间滤波器(13)以及第三透镜(14)后再经第三分束器(15)的反射并穿过第二1/4波片(16)后入射至第一红通道空间光调制器(17)；经第一红通道空间光调制器(17)调制后的光束依次穿过第二1/4波片(16)和第三分束器(15)，经第四透镜(18)和第二平面镜(19)后穿过第四分束器(20)，入射至第二红通道空间光调制器(21)；第二红通道空间光调制器(21)调制后的光束经第四分束器(20)反射后，依次经过第五透镜(22)、第二空间滤波器(23)和第六透镜(24)后入射至高数值孔径物镜(25)的后方孔径。
2.根据权利要求1所述的合成并保持焦场任意偏振态的装置，其特征在于：所述第一绿通道空间光调制器(5)和第二绿通道空间光调制器(10)为同一个空间光调制器的面板上的不重合的2个区域；所述第一红通道空间光调制器(17)和第二红通道空间光调制器(21)为另一个空间光调制器的面板上的不重合的2个区域；还包括计算机，所述计算机分别与两台空间光调制器相连。
3.根据权利要求2所述的合成并保持焦场任意偏振态的装置的方法，其特征在于：
步骤1、确定所要合成焦场的偏振态和拓扑荷，利用理查德—沃尔夫矢量衍射理论反演求解生成此类特殊焦场所需的入射光场的振幅、位相和偏振态分布；
步骤2、根据步骤1所计算出的入射光场的振幅、位相和偏振态分布，确定两台空间光调制器上总共四个区域所要加载的位相信息；其中，第一绿通道空间光调制器(5)所在区域所加载的位相信息用于调控光场的振幅；第二绿通道空间光调制器(10)所在区域所加载的位相信息用于调控光场的共有位相；第一红通道空间光调制器(17)所在区域所加载的位相信息用于调控光场偏振态的取向角；第二红通道空间光调制器(21)所在区域所加载的位相信息用于调控光场偏振态的椭球率；利用红色和绿色图案的叠加生成包含特定灰度信息的图片，加载至空间光调制器；
步骤3、选择合适焦距的第五透镜(22)和第六透镜(24)，确保激光的光斑尺寸被放大至与高数值孔径物镜(25)后端的入光孔径相同；
步骤4、调整高数值孔径物镜(25)的位置，使得入射光场的中心与高数值孔径物镜(25)的入光孔径中心重合，实现对光场的高效聚焦。
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| CN201610966270.7A Pending CN106569341A (zh) | 2016-10-28 | 2016-10-28 | 一种合成并保持焦场任意偏振态的装置和方法 |
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|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107146649A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-09-08 | 东南大学 | 一种操控低折射率介质纳米粒子的装置和方法 |
| CN107402454A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-11-28 | 东南大学 | 基于椭圆偏振矢量光场实现径向变化非线性椭偏旋转装置 |
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Citations (3)
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| US20030035123A1 (en) * | 2001-08-20 | 2003-02-20 | Eastman Kodak Company | Method and apparatus for printing high resolution images using multiple reflective spatial light modulators |
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| CN102576115A (zh) * | 2009-06-23 | 2012-07-11 | 视瑞尔技术公司 | 用于直视显示的照明单元 |
-
2016
- 2016-10-28 CN CN201610966270.7A patent/CN106569341A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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| CN107402454B (zh) * | 2017-08-31 | 2020-07-31 | 东南大学 | 基于椭圆偏振矢量光场实现径向变化非线性椭偏旋转装置 |
| CN109283673A (zh) * | 2018-09-18 | 2019-01-29 | 东南大学 | 一种实现光学焦场自旋方向三维可控的装置和方法 |
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