CN106932914A - 一种三维阵列空心光斑的产生方法及装置 - Google Patents

一种三维阵列空心光斑的产生方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三维阵列空心光斑的产生方法及装置，该装置包括激光器、针孔滤波器、准直透镜、半波片、空间光调制器、光波转换器、光束直径改变器和显微物镜。其方法首先将激光器出射的激光转换为线偏振的平面波，然后对所述线偏振的平面波进行波前相位调制，最后将所述波前相位调制后的光经物镜聚焦产生阵列光斑，其中波前相位为具有三维空间位置可控的阵列光斑的相位分布，并且波前相位调制后的光波需再经过带有螺旋相位的圆偏振或不带有螺旋相位的角向偏振的调制。此阵列光斑为在三维空间排列的多个空心的光斑，且每个光斑位置可以在三维空间内精确移动，在阵列光镊、超分辨显微成像与超分辨纳米光刻领域具有重要应用。

Description

一种三维阵列空心光斑的产生方法及装置
技术领域
本发明涉及一种阵列光斑的产生方法及装置，特别是一种具有三维阵列结构的、每个光斑位置可调的、光斑为空心结构的阵列光斑，可用于阵列光镊、超分辨显微成像与超分辨纳米光刻领域。
背景技术
所谓空心光斑，即为光束聚焦后的光斑中心是一个暗核，此处的光强为零。在光镊技术、高分辨率成像以及高密度光存储等领域都需要空心光斑，例如在光镊领域，具有轴向区域零光强的空心光斑减弱了光散射力，因此不仅可以用来捕获“高折射率”的微粒子，而且也可以捕获“低折射率”的微粒子或生命细胞等；在超分辨显微成像领域，特别是在受激发射损耗显微镜(STED：Stimulated Emission Depletion Microscopy)等超分辨显微设备中，需要生产一个空心光斑作为损耗光，以便获得小于衍射极限的显微成像；在超分辨纳米加工技术中，为了进一步提高纳米加工技术的分辨率，可以采用双光束光刻技术，其中双光束光刻中作为抑制光的光束就需要聚焦为空心光斑。
目前，空心光斑的产生技术主要利用螺旋相位调制或径向偏振调制显微物镜后焦面光场分布，在聚焦区域产生空心光斑。一般情况下，对一束激光调制后只产生一个空心光斑，而在实际应用方面，往往需要产生多个阵列空心暗斑。比如要实现多个粒子的同时操控，得需要能产生多个光斑的阵列光镊技术。在超分辨显微成像或者纳米加工技术中，为了提高成像速度或者加工效率，也需要产生多个的阵列空心光斑。但是，目前现有技术产生的阵列空心光斑多为二维平面，且光斑的位置操控自由度低，很难实现动态三维的多个空心光斑分布，且每个空心暗斑的空间位置也无法实现精确操控。
中国发明专利【CN201210052253.4】公开了一种三维空心光斑生成方法和装置，利用两束光的干涉来产生空心光斑，但此方法和装置只能产生一个空心光斑，只是光斑的强度分布是三维的，并没有三维空间分布的多个焦点。中国发明专利【CN201410360641.8】公开了一种阵列光斑的产生方法，但只产生二维的正方阵列光斑，不是三维阵列光斑，且光斑的位置不可调，光斑强度分布也不是空心的。中国发明专利【CN201410360641.8】公开了一种多焦点阵列光斑的发生装置及方法，可以产生偏振可调和位置可调的阵列光斑，但光斑的强度分布不是空心的，且阵列光斑的空间分布也不是三维的。
发明内容
为了克服上述阵列光斑产生方法的不足，本发明所要解决的技术问题提供了一种能够得到具有三维阵列结构、每个光斑位置在三维空间内可调、且每个光斑的强度分布是空心结构的产生方法。
与此相应，本发明另一个要解决的技术问题是提供一种能够得到具有三维阵列结构、每个光斑位置在三维空间内可调、且每个光斑的强度分布是空心结构的装置。
本发明方法和装置可以较好的应用到光镊技术、高分辨率成像以及高密度光存储等领域。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种三维阵列空心光斑的产生方法，包括以下步骤：
步骤1：将激光器出射的激光转换为线偏振的平面波；
步骤2：为了实现聚焦产生三维空间分布且位置可调的多个焦点，对所述线偏振的平面波进行波前相位调制，所述波前相位调制为将所述线偏振的平面波调整为具有三维空间位置可控的阵列光斑相位分布的光波；
步骤3：为了实现聚焦光斑为空心的，将所述波前相位调制后的光波经过带有螺旋相位的圆偏振或不带有螺旋相位的角向偏振进行调制，形成带有螺旋相位的圆偏振光波或不带有螺旋相位的角向偏振光波；
步骤4：将带有螺旋相位的圆偏振光波或不带有螺旋相位的角向偏振光波经物镜聚焦后产生阵列光斑，所述阵列光斑为在三维空间排列的多个空心的光斑，且每个光斑位置可以在三维空间内精确移动。
本发明中三维阵列空心光斑的产生方法的有益效果是：采用波前相位为将具有三维空间位置可控的阵列光斑相位分布，利用相位调制角向偏振或者具有螺旋相位的圆偏振光束，在聚焦区域将产生三维空间分布的多个空心光斑，且每个空心光斑的空间位置可以精确调节；这种空间位置可精确调节的多焦点阵列空心光斑，可以广泛应用在并行激光纳米加工、多微粒子操控与捕获、高密度光学数据存储与及超分辨光学显微成像等领域。
进一步，步骤2中对所述线偏振的平面波进行波前相位调制的具体步骤如下：
首先，将物镜的后焦面对应的入射光瞳区域，均分为N个宽度相等的同心圆环：A1、A2……AN-1、AN，其中最中心的为半径与其它圆环的宽度相等的圆；
然后，将步骤1中所述的每个圆环进一步细分为M个宽度相等的同心子圆环：S1、S2……SM-1、SM；
最后，将M个相位分布依次对应填入每个圆环(A1、A2……AN-1、AN)的M个子圆环中(S1、S2……SM-1、SM)。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：可通过改变子圆环的数目来控制光斑的数目。
进一步，所述步骤2中M个相位分布由公式(1)确定；
其中
m：表示第m个聚焦光斑；
λ：表示从激光器出射的激光波长；
NA：表示物镜的数值孔径；
R：表示物镜的入射光瞳的半径；
nt：表示油浸物质的折射率；
(Δxm,Δym,Δzm)：表示第m个聚焦光斑的空间位置。
采用上述进一步技术方案的有益效果是：所述阵列光斑中每个光斑可通过改变公式(1)中的参数(Δxm,Δym,Δzm)来实现三维方向上的精确位置控制。
进一步，所述阵列光斑的数目与子圆环的数目M相等，可通过改变子圆环的数目来改变光斑的数目。
进一步，当螺旋相位拓扑荷等于1时，所述带有螺旋相位的圆偏振为左旋的；当螺旋相位拓扑荷等于-1时，所述带有螺旋相位的圆偏振为右旋的。
本发明还涉及一种用于实现上述三维阵列空心光斑的产生装置，具体方案如下：一种三维阵列空心光斑的产生装置，包括激光器、针孔滤波器、准直透镜、半波片、加载有三维阵列相位图的空间光调制器、带有螺旋相位板的圆偏振转换器或角向偏振转换器的光波转换器、光束直径改变器和物镜；
激光器发出线偏振的激光光束，所述针孔滤波器位于所述激光光束的光轴上，所述激光光束经针孔滤波器滤波处理后转换为干净的扩散光束，所述扩散光束经准直透镜后，准直扩束为平面波；
所述平面波透过与所述准直透镜处于同一轴线上的半波片后，平面波的线偏振方向与空间光调制器所要求的偏振方向相同，经所述空间光调制器调制后反射到所述光波转换器上，透过光波转换器后，光波为加载螺旋相位的圆偏振光波或未加载螺旋相位的角向偏振的光波；
所述加载螺旋相位的圆偏振光波或未加载螺旋相位的角向偏振光波经所述光束直径改变器扩束或缩束后，透过物镜聚焦产生三维位置可调的阵列空心光斑。
进一步，所述相位图具有以下结构：
相位图由N个宽度相等的同心圆环(A1、A2……AN-1、AN)组成，其中最中心的为半径与其它圆环的宽度相等的圆；
每个宽度相等的同心圆环(A1、A2……AN-1、AN)又由M个宽度相等的同心子圆环(S1、S2、……SM-1、SM)组成；
每个子圆环(S1、S2、……SM-1、SM)中填有对应的相位分布；
进一步，所述对应的相位分布由公式(1)确定：
其中，m：表示第m个聚焦光斑；
λ：表示从激光器出射的激光波长；
NA：表示物镜的数值孔径；
R：表示物镜的入射光瞳的半径；
nt：表示油浸物质的折射率；
(Δxm,Δym,Δzm)：表示第m个聚焦光斑的空间位置。
进一步，所述物镜为高数值孔径油浸物镜。
进一步，所述空间光调制器为反射式纯相位空间光调制器。
进一步，所述激光光束为TEM00模式。
本发明中三维阵列空心光斑的产生装置的有益效果是：通过激光器、针孔滤波器、准直透镜、半波片、空间光调制器、光波转换器、光束直径改变器和显微物镜的协调运作，利用加载有与空间位置与光斑数目有关的相位图的空间光调制器，调制角向偏振光或者具有螺旋相位的光束，经高数值孔径物镜聚焦后，在紧聚焦区域得到三维空间分布的多个空心光斑，且每个光斑的空间位置可以精确调节。
本发明的基本原理是：
基于理查德-沃尔夫矢量衍射公式【Proc.R.Soc.London Ser.A 253,349(1959)；Proc.R.Soc.London Ser.A 253,358(1959)】，可以计算高数值孔径物镜的紧聚焦场中任一位置处的光场分布。进一步此矢量衍射公式还可以表述为物镜后焦面上光场分布的傅里叶变换。因此，通过在物镜后焦面上添加一个附加的相位调制可以在聚焦场区域产生一个空间位移。由此得出，用来调制高数值孔径物镜的焦点使其在焦平面上的空间位置变化的相位分布表达式为
其中，λ为激光波长，R为入射光瞳的半径，NA为物镜的数值孔径，nt为油浸物质的折射率，Δx，Δy，Δz为焦点在焦平面上的空间位置变化。因此，通过公式(1)产生的相位分布可以用来调制物镜的后焦面，使其产生的焦点在三维空间内位置可调。
针对多个焦点的产生，主要采用将物镜后焦面进行均匀分区的方法，将不同区域内填入如公式(1)确定的相位分布，因此不同相位的区域聚焦后将会产生不同位置处的焦点。当将物镜后焦面分为很多具有不同相位的区域后，将会聚焦产生多个焦点，且焦点的位置在三维空间内可调。
针对物镜聚焦产生空心暗斑，可以采用将线偏振光转换为角向偏振光的方法。在柱坐标系下，角向偏振光经高数值孔径物镜聚焦后的光场分布为
可以看出聚焦光场分布的径向和纵向分量均为零。因此，角向偏振光聚焦产生的光斑为空心光斑。
除此之外，利用具有螺旋相位的涡旋光束，也可以在聚焦区域产生空心光斑【陈子阳，涡旋光束的传输与聚焦特性，浙江大学2014】。涡旋光束与普通高斯型的光强分布不同，完全相干的涡旋光束的光斑中心为一奇点，当涡旋光束被聚焦的时候，在聚焦区的光强分布是中空型的空心光强分布。涡旋光束的产生，可以通过一个简单的螺旋相位板，其是一种透明的光学衍射元件，光束通过该相位片后会附加一个螺旋相位相位因子exp(inθ)，其中n为拓扑荷数，为θ旋转方位角。一束激光通过螺旋相位板后就具有了螺旋相位特性，经透镜聚焦后产生中空的环形光斑。
当入射光为圆偏振涡旋光束时，高数值孔径物镜的紧聚焦区域的光场分布的表达式为【APL 102,084103,(2013),《光学学报》2014，34(5)0526003】：
其中，Eρ、Eφ和Ez表示圆偏振涡旋光束在柱坐标系下沿径向、轴向和角向的聚焦场光场分量。
通过调制可空间位移变化的三维阵列多焦点相位和具有角向偏振的光束或具有螺旋相位的圆偏振光，最终得到三维阵列分布的空心光斑，且每个空心光斑的空间位置可以任意调节。
附图说明
图1为本发明所述相位分区调制产生步骤中第一次分区示意图；
图2为本发明所述相位分区调制产生步骤中第二次分区示意图；
图3为本发明所述的M＝8个阵列光斑时，填入位置参数的相位分布图；
图4为本发明一种三维阵列空心光斑的产生装置示意图；
图5是本发明所述的M＝8、螺旋相位n＝1、左旋圆偏振时的三维等强度面分布图；
图6是本发明所述的M＝8、螺旋相位n＝1、左旋圆偏振时，z＝0μm处的强度分布图；
图7是本发明所述的M＝8、螺旋相位n＝1、左旋圆偏振时，z＝2μm处的强度分布图；
图8是本发明所述的M＝8、角向偏振时，三维等强度面分布图；
图9是本发明所述的M＝8、角向偏振时，z＝0μm处的强度分布图；
图10是本发明所述的M＝8、角向偏振时，z＝2μm处的强度分布图；
图11为本发明所述的M＝9个阵列光斑时，填入位置参数的相位分布图；
图12是本发明所述的M＝9、螺旋相位n＝1、左旋圆偏振时的三维等强度面分布图；
图13是本发明所述的M＝9、螺旋相位n＝1、左旋圆偏振时，z＝0μm处的强度分布图；
图14是本发明所述的M＝9、螺旋相位n＝1、左旋圆偏振时，z＝2μm处的强度分布图；
图15是本发明所述的M＝9、角向偏振时，三维等强度面分布图；
图16是本发明所述的M＝9、角向偏振时，z＝0μm处的强度分布图；
图17是本发明所述的M＝9、角向偏振时，z＝2μm处的强度分布图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、激光器，2、针孔滤波器，3、准直透镜，4、半波片，5、空间光调制器，6、光波转换器，7、光束直径改变器，8、物镜，9、阵列空心光斑，10、相位图。
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。
以下以入射光波波长λ＝532nm，物镜数值孔径NA＝1.4，油浸物质的折射率nt＝1.518，入射光瞳半径R＝3mm为例，设计空间位置可调的三维多焦点阵列空心光斑的具体实施方案。
一种三维阵列空心光斑的产生方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：将激光器出射的激光转换为线偏振的平面波；
步骤2：为了实现聚焦产生三维空间分布且位置可调的多个焦点，对所述线偏振的平面波进行波前相位调制，所述波前相位调制为将所述线偏振的平面波调整为具有三维空间位置可控的阵列光斑相位分布的光波；
步骤3：为了实现聚焦光斑为空心的，将所述波前相位调制后的光波经过带有螺旋相位的圆偏振或不带有螺旋相位的角向偏振进行调制，形成带有螺旋相位的圆偏振光波或不带有螺旋相位的角向偏振光波；
步骤4：将带有螺旋相位的圆偏振光波或不带有螺旋相位的角向偏振光波经物镜聚焦后产生阵列光斑，所述阵列光斑为在三维空间排列的多个空心的光斑，且每个光斑位置可以在三维空间内精确移动。
其中，所述具有三维空间位置可控的阵列光斑的相位分布设计步骤如下：
首先，如图1所示，将物镜的后焦面对应的半径为R的入射光瞳区域，均分为N个宽度相等的同心圆环：A1、A2……AN-1、AN，每个圆环的宽度为R/N，其中入射光瞳区域的最中心的为圆，其半径与其它圆环的宽度相等；
然后，如图2所示，将步骤1中所述的每个宽度为R/N的圆环进一步细分为M个宽度相等的同心子圆环：S1、S2……SM-1、SM，每个子圆环的宽度为R/(NM)，其中入射光瞳区域的最中心的为子圆，其半径与其它子圆环的宽度相等；
最后，将M个相位分布依次对应填入每个圆环(A1、A2……AN-1、AN)的M个子圆环中(S1、S2……SM-1、SM)。其中，M个相位分布由与光斑的三维空间位置有关的公式(1)确定：
其中，m：表示第m个聚焦光斑；
λ：表示从激光器出射的激光波长；
NA：表示物镜的数值孔径；
R：表示物镜的入射光瞳的半径；
nt：表示油浸物质的折射率；
(Δxm,Δym,Δzm)：表示第m个聚焦光斑的空间位置。
如图3所示，为基于以上方法设计的一种相位分布图。
实施例1
选用圆环数N＝80，子圆环数M＝8，对应M＝8时为一个三维正方阵列，其各个光斑的位置参数为(Δx1,Δy1,Δz1)＝[2μm,2μm,2μm]；(Δx2,Δy2,Δz2)＝[-2μm,2μm,2μm]；(Δx3,Δy3,Δz3)＝[-2μm,-2μm,2μm]；(Δx4,Δy4,Δz4)＝[2μm,-2μm,2μm]；(Δx5,Δy5,Δz5)＝[2μm,2μm,0μm]；(Δx6,Δy6,Δz6)＝[-2μm,2μm,0μm]；(Δx7,Δy7,Δz7)＝[-2μm,-2μm,0μm]；(Δx8,Δy8,Δz8)＝[2μm,-2μm,0μm]。
图4所示为产生三维阵列光斑装置的示意图。一种三维阵列空心光斑的产生装置，如图4所示，包括激光器1、针孔滤波器2、准直透镜3、半波片4、空间光调制器5、光波转换器6、光束直径改变器7和物镜8。所述空间光调制器5上加载有如图3所示的相位图10；激光器1发出波长为532nm、线偏振、TEM00模式的激光，经针孔滤波器2滤波处理后转换为干净的扩散光束，再经准直透镜3后准直扩束为平面波，再透过半波片4后平面波的线偏振方向与空间光调制器5所要求的偏振方向相同，平面波再经加载有三维阵列相位图10的反射式纯相位空间光调制器5调制后反射到光波转换器6上，透过光波转换器6后，再经光束直径改变器7扩束或缩束后，经高数值孔径为NA＝1.4的油浸物镜8聚焦产生三维位置可调的阵列空心光斑9。
为了同时实现三维阵列聚焦光斑的光强分布为空心的，平面波前经加载有三维阵列相位图10的空间光相位器调制后，需再经过带有螺旋相位的圆偏振或不带有螺旋相位的角向偏振的调制，具有螺旋相位的圆偏振光可以通过一个螺旋相位板和四分之一波片产生，角向偏振可以通过角向偏振转换器产生。
图5所示为经由螺旋相位板和四分之一波片组成的光波转换器后，光波又加载上拓扑荷n＝1的相位且偏振态变为左旋圆偏振光的三维等强度面分布。图6所示为M＝8、螺旋相位n＝1、左旋圆偏振时，z＝0μm处的强度分布图。图7所示为M＝8、螺旋相位n＝1、左旋圆偏振时，z＝2μm处的强度分布图。从图中可以看出，此时聚焦的光斑为三维阵列分布的，与图3设计时的参数相符，产生了8个聚焦光斑，光斑成三维正方阵列结构分布，光斑强度分布为空心的，且光斑位置与所设参数也相同。
当螺旋相位拓扑荷等于-1的右旋圆偏振光时，得到的结果与图5-7中的结构相同。
图8所示为经由角向偏振转换器后，光波偏振变为角向偏振光的三维等强度面分布。图9所示为对应在z＝0μm处的强度分布图。图10所示为对应在z＝2μm处的强度分布图。从图8-10中可以看出，不加螺旋相位只是将偏振方向转换为角向偏振时，同样可以产生于设计参数相同的三维阵列空间分布的空心阵列光斑。
阵列光斑的数目与子圆环的数目M有关，可通过改变子圆环的数目来改变光斑的数目，并且阵列光斑中每个光斑可通过改变公式(1)中的参数(Δxm,Δym,Δzm)来实现三维方向上的精确位置控制。
实施例2
选用M＝9个阵列光斑时的相位图，如图11所示，其中圆环数N＝60，对应9个光斑的位置参数：(Δx1,Δy1,Δz1)＝[2cos(π/4)μm,2sin(π/4)μm,1μm]、(Δx2,Δy2,Δz2)＝[2cos(π/2)μm,2sin(π/2)μm,1μm]、(Δx3,Δy3,Δz3)＝[2cos(3π/4)μm,2sin(3π/4)μm,1μm]、(Δx4,Δy4,Δz4)＝[2cos(π)μm,2sin(π)μm,1μm]、(Δx5,Δy5,Δz5)＝[2cos(5π/4)μm,2sin(5π/4)μm,1μm]、(Δx6,Δy6,Δz6)＝[2cos(3π/2)μm,2sin(3π/2)μm,1μm]、(Δx7,Δy7,Δz7)＝[2cos(7π/4)μm,2sin(7π/4)μm,1μm]、(Δx8,Δy8,Δz8)＝[2cos(2π)μm,2sin(2π)μm,1μm]、(Δx9,Δy9,Δz9)＝[0μm,0μm,-1μm]。
图12所示为选用参数M＝9时和经由螺旋相位板和四分之一波片组成的光波转换器后，光波又加载上拓扑荷n＝1的相位且偏振变为左旋圆偏振光的三维等强度面分布。图13所示为M＝9、螺旋相位n＝1、左旋圆偏振时，z＝1μm处的强度分布图。图14所示为M＝9、螺旋相位n＝1、左旋圆偏振时，z＝-1μm处的强度分布图。图15所示为M＝9经由角向偏振转换器后，光波偏振变为角向偏振光的三维等强度面分布。图16所示为对应在z＝1μm处的强度分布图。图17所示为对应在z＝-1μm处的强度分布图。从图12-17中可以看出，通过改变子圆环的数目M和公式(1)中的参数(Δxm,Δym,Δzm)，可以实现光斑数目和对应各个光斑在三维方向上的精确位置控制。
可见，本发明可以产生三维阵列空心光斑。通过设计与焦点的空间位置与光斑数目有关的相位分布，利用此相位调制角向偏振或者具有螺旋相位的圆偏振光束，在聚焦区域将产生三维空间分布的多个空心光斑，且光斑的数目和每个空心光斑的空间位置可以精确调节。这种空间位置可精确调节的多焦点阵列空心光斑，克服了现有技术所存在的问题和不足，在并行激光微纳米加工、并行激光微粒子操控与捕获、多维光学数据存储与超分辨光学显微成像等领域得到广泛应用。
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 (10)

1.一种三维阵列空心光斑的产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将激光器出射的激光转换为线偏振的平面波；
步骤2：对所述线偏振的平面波进行波前相位调制，所述波前相位调制为将所述线偏振的平面波调整为具有三维空间位置可控的阵列光斑相位分布的光波；
步骤3：将所述波前相位调制后的光波经过带有螺旋相位的圆偏振或不带有螺旋相位的角向偏振进行调制，形成带有螺旋相位的圆偏振光波或不带有螺旋相位的角向偏振光波；
步骤4：将带有螺旋相位的圆偏振光波或不带有螺旋相位的角向偏振光波经物镜聚焦后产生阵列光斑，所述阵列光斑为在三维空间排列的多个空心的光斑，且每个光斑位置可以在三维空间内精确移动。
2.根据权利要求1所述一种三维阵列空心光斑的产生方法，其特征在于，步骤2中对所述线偏振的平面波进行波前相位调制的具体步骤如下：
首先，将物镜的后焦面对应的入射光瞳区域，均分为N个宽度相等的同心圆环：A1、A2……AN-1、AN，其中最中心的为半径与其它圆环的宽度相等的圆；
然后，将所述的每个圆环进一步细分为M个宽度相等的同心子圆环：S1、S2……SM-1、SM；
最后，将M个相位分布：依次对应填入M个子圆环中。
3.根据权利要求2所述一种三维阵列空心光斑的产生方法，其特征在于，M个相位分布由公式(1)确定；
其中，m：表示第m个聚焦光斑；
λ：表示从激光器出射的激光波长；
NA：表示物镜的数值孔径；
R：表示物镜的入射光瞳的半径；
nt：表示油浸物质的折射率；
(Δxm,Δym,Δzm)：表示第m个聚焦光斑的空间位置。
4.根据权利要求2所述一种三维阵列空心光斑的产生方法，其特征在于，所述阵列光斑的数目与子圆环的数目M相等。
5.根据权利要求1-4任一项所述一种三维阵列空心光斑的产生方法，其特征在于，当螺旋相位拓扑荷等于1时，所述带有螺旋相位的圆偏振为左旋的；当螺旋相位拓扑荷等于-1时，所述带有螺旋相位的圆偏振为右旋的。
6.一种用于实现权利要求1-5任一项所述三维阵列空心光斑的产生装置，其特征在于，包括激光器(1)、针孔滤波器(2)、准直透镜(3)、半波片(4)、加载有三维阵列相位图的空间光调制器(5)、带有螺旋相位板的圆偏振转换器或角向偏振转换器的光波转换器(6)、光束直径改变器(7)和物镜(8)；
所述激光器(1)发出线偏振的激光光束，所述针孔滤波器(2)位于所述激光光束的光轴上，所述激光光束经针孔滤波器(2)滤波处理后转换为干净的扩散光束，所述扩散光束经准直透镜(3)后，准直扩束为平面波；
所述平面波透过与所述准直透镜处于同一轴线上的半波片(4)后，经所述空间光调制器(5)调制后反射到所述光波转换器(6)上，透过光波转换器(6)后，光波为加载螺旋相位的圆偏振光波或未加载螺旋相位的角向偏振的光波；
所述加载螺旋相位的圆偏振光波或未加载螺旋相位的角向偏振光波经所述光束直径改变器(7)扩束或缩束后，透过物镜(8)聚焦产生三维位置可调的阵列空心光斑。
7.根据权利要求6所述一种三维阵列空心光斑的产生装置，其特征在于：所述三维阵列相位图具有以下结构：
相位图由N个宽度相等的同心圆环：A1、A2……AN-1、AN组成，其中最中心的为半径与其它圆环的宽度相等的圆；
每个宽度相等的同心圆环由M个宽度相等的同心子圆环：S1、S2、……SM-1、SM组成；
每个子圆环中填有对应的相位分布。
8.根据权利要求7所述一种三维阵列空心光斑的产生装置，其特征在于，所述对应的相位分布由下式确定；
其中，m：表示第m个聚焦光斑；
λ：表示从激光器出射的激光波长；
NA：表示物镜的数值孔径；
R：表示物镜的入射光瞳的半径；
nt：表示油浸物质的折射率；
(Δxm,Δym,Δzm)：表示第m个聚焦光斑的空间位置。
9.根据权利要求6-8任一项所述一种三维阵列空心光斑的产生装置，其特征在于，所述物镜为高数值孔径油浸物镜。
10.根据权利要求6-8任一项所述一种三维阵列空心光斑的产生装置，其特征在于，所述空间光调制器为反射式纯相位空间光调制器。
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