CN106855657A - 聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片及其方法。所述光束整形调制片为滤光片，其光强透过率分布中心对称，其径向的每一处光强透过率采用振幅调制函数计算获得，将调制片放置在光路中对光束进行滤波整形获得快速收敛的聚焦光斑。本发明利用振幅调制片以较小的成本和技术难度改变聚焦光斑的收敛性质，降低衍射光斑的旁斑强度，在生物成像，激光光学等诸多领域有着巨大的应用价值和潜力。

Description

聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片及其方法

技术领域

本发明涉及激光光束整形领域，尤其涉及了一种聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片及其方法，利用光束的振幅调制实现聚焦光斑的快速收敛。

背景技术

自1960年第一台激光器问世以来，激光凭借其良好的单色性、定向性、相干性以及能量密度大等优异特点，逐渐在物理、化学、生物、材料、医学、信息技术等众多领域得到广泛的应用。此后，激光技术不断向其他领域渗透，极大的推动了其他相关学科的基础和应用研究，如光电技术、生物医疗、材料加工、精密测量等众多领域中均扮演着重要角色。随着激光技术的发展，光束整形技术成为一种热门技术，特殊形式的光束可应用于激光光学和生物医学等领域。例如，平顶光束可应用于激光核聚变、激光热处理等领域，局域空心光束在原子引导、原子囚禁，以及光学镊子等方面都有广泛的应用。因此，通过光束的偏振态、相位和振幅的空间结构设计，实现三维聚焦光场的有效调控具有重要的应用价值。

不同光束的新颖聚焦特性及探索新的聚焦整形技术一直都是光学领域的主要研究课题之一。当入射光源经过高数值孔径透镜聚焦时，由于光束的矢量性质发生改变，以往光束聚焦特性研究所采用的标量衍射理论不再适用，而使用Richards-Wolf矢量衍射理论研究光束的紧聚焦特性。在紧聚焦条件下，径向偏振光会在焦点上形成很强的纵向光场；而角向偏振光则会形成纯横向的中空环形光场分布；广义轴对称偏振光经过透镜紧聚焦后形成一个平顶型光场分布；圆偏振涡旋光束在紧聚焦条件下可以实现自旋角动量和轨道角动量之间的部分转换。光束紧聚焦特性的研究吸引了大量科研工作者的关注。

为设计出特别的并具有实用价值的三维聚焦光场，人们先后尝试了很多聚焦整形的方法。如在透镜前加入二元衍射光学元件(DOE)对入射光束的偏振、相位和振幅等进行调制。2002年，Zhan等人通过使用偏振旋转调制装置对柱对称矢量光的偏振方向进行了调制，分别获得“尖峰”、“圆环”和“平顶型”分布的聚焦光场。2008年Wang等人利用径向偏振贝塞尔-高斯光束结合五环形DOE相位调制器，在经过高数值孔径透镜紧聚焦后产生了一个焦深为4个波长的纯纵向场的“光针”。此后，Lin等人通过使用振幅调制的方法产生了一个长达9个波长的光针。然而，迄今为止，仍然没有一种聚焦光场快速收敛的光束整形方法，因此本专利设计一种利用光束的振幅调制实现聚焦光斑快速收敛的装置和方法。

发明内容

为实现激光聚焦光斑的快速收敛，本发明提供了一种聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片及其方法。利用振幅调制片对入射光的振幅进行调制，使聚焦光场的光斑呈现不同的收敛特性，降低衍射条纹的旁斑强度，优化光强的衰减速度。在生物成像、生命科学等领域有着重要的应用价值。

本发明采用的具体技术方案是：

一、一种聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片：

所述光束整形调制片为滤光片，其光强透过率分布中心对称，其径向的每一处光强透过率采用振幅调制函数计算获得，光强透过率分布是由振幅调制函数绕穿过调制片圆心并且沿调制片所在平面法向的轴旋(光束整形调制片的光轴)转获得。

所述的振幅调制函数采用以下公式表示，如图1所示，两侧曲线之间为等值线，振幅调制函数计算获得的值P_θ(t)为光强透过率的设定值：

其中，t表示能量系数，t＝ρ²，ρ表示调制片极坐标的半径，θ表示调制片极坐标的角度，x表示振幅调制函数的横坐标(即沿调制片径向方向的坐标)，τ_L表示调制片内侧收敛系数，τ_R表示调制片外侧收敛系数，f(x,τ)表示收敛函数，τ表示收敛系数，收敛系数τ代表了τ_L或者τ_R，e表示常数e。

本发明的光束整形调制片对入射光的振幅进行调制，改变聚焦点干涉光场的光强分布，改变聚焦光场的光斑收敛性质，降低衍射条纹的旁斑强度，优化光强的衰减特性，实现聚焦光斑的快速收敛。

所述光束整形调制片内部圆周和外部圆周的光强透过率收敛是相同或者不相同。

二、一种聚焦光斑快速收敛的光束整形方法：

采用所述的调制片放置在光路中对光束进行滤波整形获得快速收敛的聚焦光斑。

本发明提出的振幅调制函数旁斑衰减最强，其光强透过率分布如图2所示，由振幅调制函数生成，白色表示透过率最高，越白表示透过率越高，黑色表示透过率最低，越黑表示透过率越低。利用本发明的振幅调制片对光束进行振幅调制，改变聚焦光斑的收敛特性。经过该光强透过率函数调制的光束所产生的光斑快速收敛，聚焦光场的旁斑大大减小。

三、所述光束整形调制片的应用：

所述光束整形调制片应用于振幅调制共聚焦显微镜中。

振幅调制共聚焦显微镜主要包括共聚焦显微系统和振幅调制片两部分，将振幅调制片置于共聚焦显微镜的物镜前，对激发光进行振幅调制，共聚焦显微镜的本来结构可保持不变，以较低的成本和技术难度显著提高共聚焦显微镜深度成像的信噪比。

共聚焦显微技术已经是较为成熟且已商业化的技术，主要包括激光器、孔径光阑、物镜、探测器、扫描装置等，具有高分辨率、可三维成像等优势。然而，共聚焦显微系统在深度成像时具有较差的信噪比和分辨率。本发明应用到振幅调制共聚焦显微镜中，对激发光的振幅进行调制，改变聚焦点的光斑衰减性质，降低噪声强度，提高共聚焦显微镜深度成像时的信噪比。

本发明方法的振幅调制函数采用以下方式获得：

对于聚焦光束，其振幅点扩散函数表示为h(v_x,v_y,u)，其中，v_x＝2πxnsinα/λ，v_y＝2πynsinα/λ，u＝8πznsin²(α/2)/λ，其中v_x表示聚焦光束的频域横坐标，v_y表示聚焦光束的频域纵坐标，u表示聚焦光束沿光轴方向坐标，λ为波长，α为透镜的半角口径，n为透镜的折射率。

根据物镜的紧聚焦光场分布性质，振幅点扩散函数在极坐标下表示振幅调制函数的关系式为：

h(v_x,v_y,u)＝∫∫P(ρ,θ)exp[iuρ²/2]exp[-i(v_xρcosθ+v_yρsinθ)]ρdρdθ

其中，P(ρ,θ)即为振幅调制的调制函数，i表示虚部，ρ表示调制片极坐标的半径，θ表示调制片极坐标的角度；

并且沿光轴的轴向振幅响应表示为：

其中，h₁表示入射光的振幅点扩散函数，h₂表示出射光的振幅点扩散函数，D(v_x,v_y)为探测器的光强敏感性，探测器的光强敏感性采用以下公式计算：

其中，v_d为归一化的探测器半径，v_d＝2πr_dnsinα/λ，r_d为探测器的真实半径，nsinα为聚光物镜的孔径。

由紧聚焦光场分布性质和轴向振幅响应集合可得：

I(u)＝∫∫D(v_x,v_y)|∫∫P(ρ,θ)exp[iuρ²]exp[-i(v_xρcosθ+v_yρsinθ)]ρdρdθ|²dv_xdv_y

若v_d趋近于0，那么有

定义积分光瞳函数P_θ(t)为P(ρ,θ)的积分：

其中，t＝ρ²，由傅里叶变换性质可知，如果P_θ(t)的k阶导数为脉冲函数，其轴向响应I(u)正比于|s|-2k为无穷大，即其轴向光强表现为快速衰减。

本发明的有益效果是：

本发明用于对入射光进行振幅调制，改变光斑聚焦面的干涉光场分布，使聚焦光场的光斑呈现不同的收敛特性，降低衍射条纹的旁斑强度，优化光强的衰减速度。

本发明的技术方案成本很低，但非常有效，实用性强，具有很强的应用价值。

附图说明

图1是振幅调制函数的曲线；

图2是振幅调制滤光片；

图3是实施例1的振幅调制聚焦与普通聚焦的振幅点扩散函数对比图；

图4是实施例1的振幅调制聚焦与普通聚焦的衰减特性对比图；

图5是实施例1的振幅调制聚焦与普通聚焦的光斑对比图；

图6是实施例2的共聚焦显微成像的振幅调制原理图；

图7是实施例2的振幅调制共聚焦显微系统的轴向光强分布；

图8是实施例2的振幅调制共聚焦显微系统用于深度成像的光斑及衰减函数；

图9是实施例2的共聚焦显微系统用于深度成像的光斑、衰减函数以及轴向光强分布；

图10振幅调制聚焦原理图；

图11是振幅调制函数的曲线；

图12是振幅调制滤光片；

图13是实施例3的振幅调制聚焦的点扩散函数；

图14是实施例3的振幅调制聚焦的光斑对比图。

图中：激光器1、第一孔径光阑2、第一物镜3、二色镜4、调制片5、第二物镜6、样品7、聚焦面8、扫描台9、第三物镜10、第二孔径光阑11、探测器12。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

本发明的实施例及其实施过程如下：

实施例1

本实施例应用于单一激光器、物镜和探测器构成光路中，调制片置于激光器和物镜之间。

本实施例采用其中一个典型参数，τ_L＝τ_R＝0.25，此时，振幅调制函数为FAM。

振幅调制函数如图1所示，将图1沿x＝0轴旋转即可得到振幅调制滤光片(即本发明调制片)的透过率分布，振幅调制滤光片的光强透过率如图2所示。

点扩散函数和未经过振幅调制的点扩散函数的对比如图3所示，其中虚线为经过振幅调制的情况，而实线为未经过振幅调制的情况。

经过振幅调制的聚焦光斑的衰减速度明显快于无振幅偏振片时的点扩散函数如图4所示，其中虚线为经过振幅调制的情况，而实线为未经过振幅调制的情况。

产生的光斑如图5所示，左图为未经过振幅调制，右图为经过本发明振幅调制后的光斑，可见此时光斑旁斑几乎消失。

实施例2

本实施例应用到振幅调制共聚焦显微镜中，振幅调制共聚焦显微镜包括普通的共聚焦显微系统和本发明调制片。振幅调制共聚焦显微镜由振幅调制片与普通共聚焦显微系统组成，将振幅调制片置于共聚焦显微镜的聚焦物镜前，对入射到样品的激发光进行振幅调制。

具体如图6所示，普通共聚焦显微系统包括激光器1、第一孔径光阑2、第一物镜3、分束镜4、第二物镜6、样品7、聚焦面8、扫描台9、第三物镜10、第二孔径光阑11和探测器12，激光器1发出的激光依次经第一孔径光阑2、第一物镜3后入射到分束镜4，经分束镜4分为两束光，一束光依次经第三物镜10、第二孔径光阑11后被探测器12接收，另一束光依次经调制片5、第二物镜6后照射到样品7上并在聚焦面8聚焦，样品7置于扫描台9上。

具体实施采用实施例1中的振幅调制函数FAM加载到调制片5上进行试验，然后在深度显微成像时，聚焦光斑呈现快速衰减特性，旁斑大大减小，减小了噪声强度，提高了信噪比。

如图7所示，样品轴向(纵向)的激发光强度可由图8中的光斑强度分布(左图)和光强衰减率(右图)相乘得到。噪声主要由样品表面到聚焦点之间的激发光激发造成，由图7与未经振幅调制后的光斑分布图9对比可以看到，成像深度为0.1mm时，振幅调制共聚焦显微镜的噪声强度明显低于普通共聚焦显微镜(信噪比提高6.75倍，且随着深度增加，信噪比倍数更大)。经过模拟验证，发现在该参数的情况下，成像深度大于66um时，振幅调制共聚焦显微镜的信噪比优于普通共聚焦显微镜，而在实际应用中，高NA的情况下，该深度阈值会更小。

共聚焦显微镜采用共轭焦点技术，照明针孔、探测器针孔和样本彼此共轭。激发光束通过物镜聚焦于样本平面，样本受激发射出的荧光沿成像光路聚焦在探测器针孔上，经过针孔的空间滤波作用，最大限度地抑制了焦面外的杂散光，使得只有焦点发出的荧光信号才能被光电探测器所接收，显著提高了系统的信噪比和分辨率。共聚焦显微镜通过对样品共焦平面进行逐点扫描和Z轴方向的光学层析，实现对较厚样本的三维成像。

实施例3

本实施例应用于由激光器、物镜和探测器构成光路中，如图10所示。

本实施例采用一个随机参数，τ_L＝0.2，τ_R＝0.15，此时，振幅调制函数为：

相应的振幅调制函数如图11所示，将图11沿x＝0轴旋转即可得到振幅调制滤光片(即本发明调制片)的透过率分布，振幅调制滤光片的光强透过率如图12所示。

该参数时的点扩散函数如图13所示，产生的光斑如图14所示，可见此时光斑旁斑小于未经过振幅调制的情况，大于实施例1中的典型参数的情况，但中心光斑小于实施例1中的情况。

由以上三个实施例可以看出，这种利用振幅调制改变光束收敛性质的方法简单易行、成本较低，能够大幅提高深度显微成像的信噪比，在生物成像等领域有较高的实用价值，也可以根据不同的需要改变振幅调制函数。

Claims (5)

1.一种聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片，其特征在于：所述光束整形调制片为滤光片，其光强透过率分布中心对称，其径向的每一处光强透过率采用振幅调制函数计算获得。

2.根据权利要求1所述的一种聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片，其特征在于：所述的振幅调制函数采用以下公式表示，振幅调制函数计算获得的值P_θ(t)为光强透过率的设定值：

$P_{\mathrm{\θ}}\left(t\right)=\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{t}{\∫}}f(x-{\mathrm{\τ}}_L,{\mathrm{\τ}}_L)dx+\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{t}{\∫}}f(1-x-{\mathrm{\τ}}_R,{\mathrm{\τ}}_R)dx$

$f(x,\mathrm{\&tau;})=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-{\mathrm{\&tau;}}^2/({\mathrm{\&tau;}}^2-x)}& \left|x\right|<\mathrm{\&tau;}\\ 0& \left|x\right|\&GreaterEqual;\mathrm{\&tau;}\end{array}\right.$

其中，t表示能量系数，t＝ρ²，ρ表示调制片的半径，θ表示调制片的角度，x表示沿调制片径向方向的坐标，τ_L表示调制片内侧收敛系数，τ_R表示调制片外侧收敛系数，f(x,τ)表示收敛函数，τ表示收敛系数，收敛系数τ代表了τ_L或者τ_R，e表示常数e。

3.根据权利要求1所述的一种聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片，其特征在于：所述光束整形调制片内部圆周和外部圆周的光强透过率收敛是相同或者不相同。

4.一种聚焦光斑快速收敛的光束整形方法，其特征在于：采用权利要求1所述的调制片，放置在光路中对光束进行滤波整形获得快速收敛的聚焦光斑。

5.权利要求1-3任一所述光束整形调制片的应用，其特征在于：所述光束整形调制片应用于振幅调制共聚焦显微镜中。