CN108919499A - 一种产生位置和强度独立可控多个聚焦光斑的方法 - Google Patents

一种产生位置和强度独立可控多个聚焦光斑的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种产生位置和强度独立可控多个聚焦光斑的方法，包括以下步骤：步骤S1，将光束横截面等分成M个扇形区域，M＝(1+2+3+…+n)P＝n(n+1)P/2，n为焦点的数量。步骤S2，将第1到第n个焦点的位置坐标定为(Δx1,Δy1),(Δx2,Δy2),(Δx3,Δy3)……(Δxn,Δyn)。步骤S3，将第一个扇形区域附加与(Δx1,Δy1)相关的相位调制，将第二个到第三个扇形区域附加与(Δx2,Δy2)相关的位相调制……依次类推，将第[n(n‑1)]/2+1个到第n(n+1)/2个扇形区域附加与(Δxn,Δyn)相关的相位调制。步骤S4，对于其余(P‑1)个包含n(n+1)/2个扇形区域组合分别依次进行与步骤S3所述同样的相位调制。步骤S5，由高数值孔径物镜聚焦相位调制后的激光束得到强度分别为I，2I，3I，……nI的n个焦点。本发明可以获得位置、强度可控的多个聚焦光斑。

Description

一种产生位置和强度独立可控多个聚焦光斑的方法
技术领域
本发明涉及矢量光束聚焦的方法，特别涉及产生位置和强度独立可控多个聚焦光斑的方法。
背景技术
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热点。激光经过高数值孔径的物镜聚焦产生的光斑在激光光刻、光学数据存储、微小粒子操控、人工微结构材料、高分辨率荧光成像、表面等离激元激发等众多领域具有非常广泛的应用。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。
二维阵列光斑以及三维阵列光斑属于多个聚焦光斑。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，特别是每个焦点的强度相等，无法独立调节。
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)】。但是多个焦点的强度仍然无法独立控制。
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、偏振以及强度可控的微米尺寸聚焦激光光斑。因此，对于产生不仅数量、位置可控，而且单个焦点强度独立可控的多个聚焦光斑的研究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、强度可控的多个聚焦光斑的相位调制方法以及光路。
本发明方案如下：
一种产生位置和强度独立可控多个聚焦光斑的方法，包括以下步骤：
步骤S1，将光束横截面等分成M个扇形区域，M＝(1+2+3+…+n)P＝n(n+1)P/2，n为大于1的正整数；P为10以上的偶数，即将n(n+1)/2个扇形区域乘以P倍；n为焦点的数量；
步骤S2，将第1到第n个焦点的位置坐标定为(Δx1,Δy1),(Δx2,Δy2),(Δx3,Δy3)………(Δxn,Δyn)；
坐标(Δxi,Δyi)i＝1,2,3....n，是指聚焦物镜的焦平面内的坐标值；
步骤S3，将第一个扇形区域附加与(Δx1,Δy1)相关的相位调制，
坐标(x0,y0)是指光束聚焦前在物镜后孔径位置的坐标值；
将第二个到第三个扇形区域附加与(Δx2,Δy2)相关的位相调制，
将第四个到第六个扇形区域附加与(Δx3,Δy3)相关的相位调制，
依次类推，将第[n(n-1)]/2+1个到第n(n+1)/2个扇形区域附加与(Δxn,Δyn)相关的相位调制，
其中λ为激光波长，NA为聚焦物镜的数值孔径，R为物镜入射光曈的半径，n0为折射率；
步骤S4，对于其余(P-1)个包含n(n+1)/2个扇形区域组合分别依次进行与步骤S3所述同样的相位调制；
步骤S5，由高数值孔径物镜聚焦相位调制后的激光束得到强度分别为I，2I，3I，……nI的n个焦点。
作为本发明的进一步限定：所述步骤S3和S4的激光光束相位调制通过以下步骤实现：
S31，所述相位调制由Matlab绘制256阶黑白灰度图，并加载到纯相位空间光调制器；
S32，将扩束准直的线偏振激光束入射到纯相位空间光调制器；
S33，经纯相位空间光调制器反射的光波通过4F傅里叶变换成像系统将相位调制后的波面成像到物镜后孔径位置。
作为本发明的进一步限定：使用激光器、偏振片、扩束准直系统、立方分束器、反射纯相位空间光调制器、4F傅里叶变换成像系统和物镜；
所述激光器，用于发出任意偏振的激光光束；
所述偏振片，用于将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；
所述扩束准直系统，用于将线偏振的激光光束进行扩束和准直；
所述立方分束器，用于分光；
所述空间光调制器，用于将准直扩束后的线偏振激光光束进行相位调制；
所述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；
所述物镜，用于聚焦相位调制后的激光光束。
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强度独立可控的焦点，且焦点数量，以及每个焦点的位置是任意可调的。这样的多焦点光斑可以广泛应用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。
附图说明
图1为产生强度可控四个聚焦光斑的相位调制图。该图所对应的实施例中：n＝4，P＝30，M＝300，I1＝I0，I2＝2I0，I3＝3I0，I4＝4I0，Δx1＝0,Δy1＝-3λ，Δx2＝-3λ,Δy2＝0，Δx3＝0,Δy3＝3λ，Δx4＝3λ,Δy4＝0。
图2为图1相位调制图产生的强度可控的四个聚焦光斑。
图3为产生强度可控四个聚焦光斑的相位调制图。该图所对应的实施例中：n＝4，P＝30，M＝300，I1＝I0，I2＝2I0，I3＝3I0，I4＝4I0，Δx1＝3λ,Δy1＝-3λ，Δx2＝3λ,Δy2＝3λ，Δx3＝-3λ,Δy3＝-3λ，Δx4＝-3λ,Δy4＝3λ。
图4为图3相位调制图产生的强度可控的四个聚焦光斑。
图5为产生强度可控五个聚焦光斑的相位调制图。该图所对应的实施例中，n＝5，P＝30，M＝450，I1＝I0，I2＝2I0，I3＝3I0，I4＝4I0，I5＝5I0，Δx1＝0,Δy1＝-4λ，Δx2＝0,Δy2＝-2λ，Δx3＝0,Δy3＝0，Δx4＝0,Δy4＝2λ，Δx5＝0,Δy5＝4λ。
图6为图5相位相位调制图产生的强度可控的五个聚焦光斑。
图7为产生强度可控多个聚焦光斑的光路图。图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、激光器，2、线偏振片，3、扩束准直系统，4、立方分束器，5、反射纯相位空间光调制器，6、4F傅里叶变换成像系统，7、物镜。
具体实施方式
以下结合附图和实施例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。
一种产生位置和强度独立可控多个聚焦光斑的方法，包括以下步骤：
步骤S1，将光束横截面等分成M个扇形区域，M＝(1+2+3+…+n)P＝n(n+1)P/2，n为大于1的正整数；P为10以上的偶数，即将n(n+1)/2个扇形区域乘以P倍；n为焦点的数量；
步骤S2，将第1到第n个焦点的位置坐标定为(Δx1,Δy1),(Δx2,Δy2),(Δx3,Δy3)………(Δxn,Δyn)；
坐标(Δxi,Δyi)i＝1,2,3....n，是指聚焦物镜的焦平面内的坐标值；
步骤S3，将第一个扇形区域附加与(Δx1,Δy1)相关的相位调制，
坐标(x0,y0)是指光束聚焦前在物镜后孔径位置的坐标值；
将第二个到第三个扇形区域附加与(Δx2,Δy2)相关的位相调制，
将第四个到第六个扇形区域附加与(Δx3,Δy3)相关的相位调制，
依次类推，将第[n(n-1)]/2+1个到第n(n+1)/2个扇形区域附加与(Δxn,Δyn)相关的相位调制，
其中λ为激光波长，NA为聚焦物镜的数值孔径，R为物镜入射光曈的半径，n0为折射率；
步骤S4，对于其余(P-1)个包含n(n+1)/2个扇形区域组合分别依次进行与步骤S3所述同样的相位调制；
步骤S5，由高数值孔径物镜聚焦相位调制后的激光束得到强度分别为I，2I，3I，……nI的n个焦点。
具体的，所述步骤S3和S4的激光光束相位调制通过以下步骤实现：
S31，所述相位调制由Matlab绘制256阶黑白灰度图，并加载到纯相位空间光调制器；
S32，将扩束准直的线偏振激光束入射到纯相位空间光调制器；
S33，经纯相位空间光调制器反射的光波通过4F傅里叶变换成像系统将相位调制后的波面成像到物镜后孔径位置。
如图7，本发明使用激光器1、偏振片2、扩束准直系统3、立方分束器4、反射纯相位空间光调制器5、4F傅里叶变换成像系统6和物镜7；
所述激光器1，用于发出任意偏振的激光光束；
所述偏振片2，用于将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；
所述扩束准直系统3，用于将线偏振的激光光束进行扩束和准直；
所述立方分束器4，用于分光；
所述空间光调制器5，用于将准直扩束后的线偏振激光光束进行相位调制；
所述4F傅里叶变换成像系统6，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；
所述物镜7，用于聚焦相位调制后的激光光束。
实施例1：
相位调制如图1所示，入射激光波长λ＝532nm，物镜数值孔径N.A.＝1.2，焦点区域的折射率n0＝1.33，入射光瞳半径R＝3.25mm，n＝4，P＝30，M＝300。I1＝I0，I2＝2I0，I3＝3I0，I4＝4I0。Δx1＝0,Δy1＝-3λΔx2＝-3λ,Δy2＝0，Δx3＝0,Δy3＝3λ，Δx4＝3λ,Δy4＝0。图2为根据以上参数模拟产生的强度可控的四个聚焦光斑。
实施例2：
相位调制如图3所示，入射激光波长λ＝532nm，物镜数值孔径N.A.＝1.2，焦点区域的折射率n0＝1.33，入射光瞳半径R＝3.25mm，n＝4，P＝30，M＝300。I1＝I0，I2＝2I0，I3＝3I0，I4＝4I0。Δx1＝3λ,Δy1＝-3λ，Δx2＝3λ,Δy2＝3λ，Δx3＝-3λ,Δy3＝-3λ，Δx4＝-3λ,Δy4＝3λ。图4为根据以上参数模拟产生的强度可控四个聚焦光斑。
可以看出与图2比较，光斑的位置发生了变化。
实施例3：
相位调制如图5所示，入射激光波长λ＝532nm，物镜数值孔径N.A.＝1.2，焦点区域的折射率n0＝1.33，入射光瞳半径R＝3.25mm，n＝5，P＝30，M＝450。I1＝I0，I2＝2I0，I3＝3I0，I4＝4I0，I5＝5I0，Δx1＝0,Δy1＝-4λ，Δx2＝0,Δy2＝-2λ，Δx3＝0,Δy3＝0，Δx4＝0,Δy4＝2λ，Δx5＝0,Δy5＝4λ。图6为根据以上参数模拟产生的强度可控的五个聚焦光斑。
图6与图2以及图4相比较可看出，不但光斑的位置发生了变化，光斑的数量和强度均发生了变化。
由三个实施例可见，本发明可以产生强度和位置可控的多个聚焦光斑。通过改变扇形区域的个数，可以改变焦点的个数；通过改变聚焦到同一位置的扇形区域的个数可以改变每个光斑的强度；通过改变每个光斑对应的调制相位，可以改变聚焦光斑的位置；因此本发明提出的相位调制方法可以产生位置，强度，数量可调的多个聚焦光斑。
图7为产生强度可控多个聚焦光斑的光路图。激光器1发出的激光束经过线偏振片2变成线偏振光，然后经过扩束准直系统3，经立方分束器4入射反射纯相位空间光调制器5，从空间光调制器反射出来的光束经过4F傅里叶变换成像系统6，进入物镜7聚焦，从而在物镜焦平面产生多个强度可独立控制的光斑。
以上所述仅为本发明的典型实施例，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 (3)

1.一种产生位置和强度独立可控多个聚焦光斑的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1，将光束横截面等分成M个扇形区域，M＝(1+2+3+…+n)P＝n(n+1)P/2，n为大于1的正整数；P为10以上的偶数，即将n(n+1)/2个扇形区域乘以P倍；n为焦点的数量；
步骤S2，将第1到第n个焦点的位置坐标定为(Δx1,Δy1),(Δx2,Δy2),(Δx3,Δy3)………(Δxn,Δyn)；
坐标(Δxi,Δyi)i＝1,2,3....n，是指聚焦物镜的焦平面内的坐标值；
步骤S3，将第一个扇形区域附加与(Δx1,Δy1)相关的相位调制，
坐标(x0,y0)是指光束聚焦前在物镜后孔径位置的坐标值；
将第二个到第三个扇形区域附加与(Δx2,Δy2)相关的位相调制，
将第四个到第六个扇形区域附加与(Δx3,Δy3)相关的相位调制，
依次类推，将第[n(n-1)]/2+1个到第n(n+1)/2个扇形区域附加与(Δxn,Δyn)相关的相位调制，
其中λ为激光波长，NA为聚焦物镜的数值孔径，R为物镜入射光曈的半径，n0为折射率；
步骤S4，对于其余(P-1)个包含n(n+1)/2个扇形区域组合分别依次进行与步骤S3所述同样的相位调制；
步骤S5，由高数值孔径物镜聚焦相位调制后的激光束得到强度分别为I，2I，3I，……nI的n个焦点。
2.根据权利要求1所述的产生位置和强度独立可控多个聚焦光斑的方法，其特征在于：所述步骤S3和S4的激光光束相位调制通过以下步骤实现：
S31，所述相位调制由Matlab绘制256阶黑白灰度图，并加载到纯相位空间光调制器；
S32，将扩束准直的线偏振激光束入射到纯相位空间光调制器；
S33，经纯相位空间光调制器反射的光波通过4F傅里叶变换成像系统将相位调制后的波面成像到物镜后孔径位置。
3.根据权利要求1或2所述的产生位置和强度独立可控多个聚焦光斑的方法，其特征在于：使用激光器(1)、偏振片(2)、扩束准直系统(3)、立方分束器(4)、反射纯相位空间光调制器(5)、4F傅里叶变换成像系统(6)和物镜(7)；
所述激光器(1)，用于发出任意偏振的激光光束；
所述偏振片(2)，用于将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；
所述扩束准直系统(3)，用于将线偏振的激光光束进行扩束和准直；
所述立方分束器(4)，用于分光；
所述空间光调制器(5)，用于将准直扩束后的线偏振激光光束进行相位调制；
所述4F傅里叶变换成像系统(6)，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；
所述物镜(7)，用于聚焦相位调制后的激光光束。
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