CN109212774B - 一种可调谐的超分辨高纵横比的纵向偏振光针阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可调谐的超分辨高纵横比的纵向偏振光针阵列，包括由飞秒激光器、扩束装置、空间光调制器设备、偏振转换器设备、高数值孔径物镜和焦平面探测器组成的设备主体，其特征包括如下步骤：首先飞秒激光器发射的光波经过有两个透镜与孔径光阑组成的扩束系统后变成平行光；使平行光在经过由空间光调制器编码的三元混合滤波器与多分复用滤波器；经过反射后由经偏振转换器设备后通过调节偏振电压将线偏振光变成径向偏振光；高数值孔径物镜使得入射光场的偏振发生一个去偏振的过程，从而使得纵向偏振与横向偏振发生重新分布，最终在焦平面探测器的聚焦区域得到超分辨纵向偏振的光针阵列。
Description
技术领域
本发明涉及一种可调谐的超分辨高纵横比的纵向偏振光针阵列。
背景技术
随着大数据时代的来临，信息的记录与存储已成为人们社会活动中不可或缺的环节，数字信息存储技术可存取大量的数据信息，有效地缓解了信息量飞速膨胀带来的压力，然而，当前可用的储存容量与产生的数据信息量之间存在着巨大的鸿沟，严重地阻碍了经济的发展和社会的进步，因此，开发高密度、大容量、高速度、小体积和低成本的存储技术刻不容缓，光存储技术是采用激光辐照介质，激光与存储介质相互作用，导致介质的性质发生变化而将信息存储下来的，具有密度高，容量大，速度快与信噪比高等优点，由于整个存储过程需采用全光手段作用于介质，所以有效地调节激发光场的特性产生超分辨的光斑是目前提高光存储技术的关键难题之一。
为了充分发挥光子作为信息载体的独特优势，光场调控至关重要。随着研究的不断深入和各种需求的驱动，标量光场已经显现出局限性，对光场的矢量特性进行有效调控将进一步丰富光与物质的相互作用，深入挖掘激光应用潜能。光场的偏振态作为光场调控的一个新自由度，逐渐成为研究者们关注的热点。特别是空间非均匀偏振的矢量光场(低阶模式为径/角向偏振光场)的产生与调控，不仅提供了光束聚焦、成像、传播与操控的新原理与新模型，而且为光与物质的相互作用提供了新现象与新效应，因而为提高光存储技术的性能提供了良好的契机。但现有实现的纵向偏振光针应用于光存储与光加工密度低，效率低，速度慢等缺点。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种可调谐的超分辨高纵横比的纵向偏振光针阵列，将原来的多环形0/π相位(或振幅)滤波器改进成相位/振幅混合滤波器与多环形相位滤波器的结合，这种复杂滤波器参数可以利用粒子群算法进行优化，0/π相位与振幅(三元)混合滤波器可当成特殊的混合偏振滤波器调制径向偏振贝塞尔高斯光束实现单个超分辨长聚焦深度的纵向偏振光场，而多环形滤波器作为设计的多分复用衍射元件可以把以上的单个光针移动到指定的三维空间位置，从而实现可调谐的超分辨纵向光针阵列；改进的方法与原来的方法相比，同时调控相位与振幅可有效地减少横向光针尺寸，增长纵向聚焦深度，提高纵横比，且还可以有效提高无衍射区域的均匀性；更重要地，原理上我们可以根据需求把单个光针多路复用到三维空间的任意位置，从而在三维空间可实现平行的多层高密度的光存储。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种可调谐的超分辨高纵横比的纵向偏振光针阵列，包括飞秒激光器、扩束装置、空间光调制器设备、偏振转换器设备、高数值孔径物镜和焦平面探测器组成，所述飞秒激光器采用的光源为脉宽350fs，波长为532nm，重复频率为1MHz，在经过有两个透镜与孔径光阑组成的扩束系统后变成平行光，在使平行光经过空间光调制器编码的三元混合滤波器与多分复用滤波器，经过反射后由经偏振转换器设备后通过调节偏振电压可以将线偏振光变成径向偏振光；所述高数值孔径物镜与焦平面探测器可以实现光针阵列的组成，其中：高数值孔径物镜(NA＝0.95)由于焦距较短(2mm)，会使得入射光场的偏振发生一个去偏振的过程，从而使得纵向偏振与横向偏振发生重新分布，最终在焦平面探测器的聚焦区域得到想要的超分辨纵向偏振的光针阵列。
实验步骤如下：首先飞秒激光通过扩束后经过偏振转换器，经过偏振转换器后在CCD上可以检测远场光场的分布，当没有检偏器时，径向偏振光是对称的中空光场，当在CCD前加上检偏器后，光场在沿着检偏器偏振的方向出现对称的扇形场分布，而垂直与检偏器的方向出现消光现象，无论检偏器如何旋转整个光场都不会消光，证明了径向偏振光的圆柱对称性。
在者通过空间光调制器编码选择合适的三元混合滤波器，通过粒子群算法，研究循环次数对不同环形滤波器调制的径向偏振光场横向半高全宽与聚焦深度的影响，发现随着迭代次数的增加，半高全宽(FWHM)与聚焦深度(DOF)都随之减少，当迭代次数达到一定值的时候(500时)，其横向半高全宽与纵向聚焦深度几乎都不变，确定为最佳迭代次数值，在最优条件下，五环形的滤波器调制的紧聚焦的径向偏振光场的横向半高全宽最小，纵向聚焦深度最长，相对三环与四环形三元混合滤波器而言，五环形三元混合滤波器是最适合调制径向偏振光场的衍射光学元件。
比较不同环形三元混合滤波器调制径向偏振光的情况下的聚焦光场的分布，得出当N＝3,4,5时，纵向偏振场的横向半高全宽分别为0.418λ，0.420λ和0.416λ；聚焦深度分别为7.37λ，8.54λ和10.8λ，光束质量(纵向偏振场能量相对于总场能量的比值)分别为81.1％，80.0％和81.2％，得到无衍射超分辨纵向偏振光针的沿着轴向的均匀性均高于95％，表明实现了高质量的超分辨纯纵向光针。
五环形三元混合滤波器调制的超分辨纵向偏振光针光场分布情况，纵向偏振场占主导地位，径向偏振场占总场的11％，其横向半高全宽为0.416λ，纵向聚焦深度为10.8λ，纵横比为26，且旁瓣的值小于15％，从三维光针图样中可得出我们实现了高质量(高纵横比与高均匀性)的超分辨纯纵向偏振的光针。
五环形三元混合滤波器与多环形滤波器结合调制径向偏振光场实现的多个光针场分布与相位图，根据设计不同的多分复用滤波器可实现四个光针与五个光针，四个光针的坐标位置为分别为(-4.5λ，-4.5λ)，(-4.5λ，+4.5λ)，(+4.5λ，-4.5λ)，(+4.5λ，+4.5λ)，五个光针的坐标位置分别为：(-5.5λ，-5.5λ)，(-5.5λ，+5.5λ)，(0，0)，(+5.5λ，-5.5λ)，(+5.5λ，+5.5λ)，且光针阵列中每条光针的性能都基本等同于单个光针(性能包括横向半高全宽、纵向聚焦深度、纵横比、光束质量、均匀性与旁瓣)，当然我们可以根据需要设计出复杂的光针阵列，但是要考虑到光针之间的相互作用会对阵列的性能产生极大的影响，如果距离太小容易产生串扰，从而影响整个阵列的均匀性；如果距离太大，在准连续的多层的光存储应用中会受限，所以应该优化参数控制每条光针的位置，调制径向偏振光场的多分复用滤波器类似于一个准周期的光栅结构。
附图说明
图1是本发明的产生超分辨纵向偏振光针阵列的原理图。
图2是本发明的偏振转换器调制所得径向偏振矢量光场的实验测量与理论模拟结果。
图3是本发明的粒子群算法循环次数对不同环形滤波器调制的径向偏振光场横向半高全宽与聚焦深度的影响。
图4是本发明的聚焦区域中经三元混合滤波器调制的纵向偏振光针的归一化强度分布。
图5是本发明的三环形三元混合滤波器调制的紧聚焦径向偏振贝塞尔高斯光束。
图6是本发明的四环形三元混合滤波器调制的紧聚焦径向偏振贝塞尔光束。
图7是本发明的五环形三元混合滤波器调制的紧聚焦径向偏振贝塞尔高斯光束聚焦区域中经三元混合滤波器调制的纵向偏振光针的归一化强度分布曲线。
图8是本发明的五环形三元混合滤波器调制的超分辨纵向偏振光针的总场分布。
图9是本发明的五环形三元混合滤波器调制的超分辨纵向偏振光针的轴向场分布。
图10是本发明的五环形三元混合滤波器调制的超分辨纵向偏振光针的径向场成分。
图11是本发明的五环形三元混合滤波器调制的超分辨纵向偏振光针横向成分光针强度表面的3D立体图。
图12是本发明的四个光针阵列光场强度分布图及其相位图。
图13是本发明的五个光针阵列光场强度分布图及其相位图。
图14是本发明的产生超分辨纵向偏振光针的三元混合光学元件的参数(N＝3，4，5)。
图中：1、飞秒激光器，2、扩束装置，3、空间光调制器设备，4、偏振转换器设备，5、高数值孔径物镜，6、焦平面探测器。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。
如附图1-14所示，本发明提供一种可调谐的超分辨高纵横比的纵向偏振光针阵列，包括飞秒激光器1、扩束装置2、空间光调制器设备3、偏振转换器设备4、高数值孔径物镜5和焦平面探测器6组成，所述飞秒激光器采用的光源为脉宽350fs，波长为532nm，重复频率为1MHz，在经过有两个透镜与孔径光阑组成的扩束系统2后变成平行光，在使平行光经过空间光调制器编码的三元混合滤波器与多分复用滤波器，经过反射后由经偏振转换器设备4后通过调节偏振电压可以将线偏振光变成径向偏振光；所述高数值孔径物镜5与焦平面探测器6可以实现光针阵列的组成，其中：高数值孔径物镜5(NA＝0.95)由于焦距较短(2mm)，会使得入射光场的偏振发生一个去偏振的过程，从而使得纵向偏振与横向偏振发生重新分布，最终在焦平面探测器6的聚焦区域得到想要的超分辨纵向偏振的光针阵列。
实验步骤如下：首先飞秒激光通过扩束后经过偏振转换器，经过偏振转换器后在CCD上可以检测远场光场的分布，从图2(a5)中可以看出，当没有检偏器时，径向偏振光是对称的中空光场，当在CCD前加上检偏器后(图2(a1)-(a5))，光场在沿着检偏器偏振的方向出现对称的扇形场分布，而垂直与检偏器的方向出现消光现象，无论检偏器如何旋转整个光场都不会消光，证明了径向偏振光的圆柱对称性。
在者通过空间光调制器编码选择合适的三元混合滤波器，图3描述了根据粒子群算法，研究循环次数对不同环形滤波器调制的径向偏振光场横向半高全宽与聚焦深度的影响，发现随着迭代次数的增加，半高全宽(FWHM)与聚焦深度(DOF)都随之减少，当迭代次数达到一定值的时候(500时)，其横向半高全宽与纵向聚焦深度几乎都不变，确定为最佳迭代次数值。从图中也观察到在最优条件下，五环形的滤波器调制的紧聚焦的径向偏振光场的横向半高全宽最小，纵向聚焦深度最长，相对三环与四环形三元混合滤波器而言，五环形三元混合滤波器是最适合调制径向偏振光场的衍射光学元件。
图4-图7比较不同环形三元混合滤波器调制径向偏振光的情况下的聚焦光场的分布，得出当N＝3,4,5时，纵向偏振场的横向半高全宽分别为0.418λ，0.420λ和0.416λ；聚焦深度分别为7.37λ，8.54λ和10.8λ，光束质量(纵向偏振场能量相对于总场能量的比值)分别为81.1％，80.0％和81.2％，并且从图中可以观察得到无衍射超分辨纵向偏振光针的沿着轴向的均匀性均高于95％，表明实现了高质量的超分辨纯纵向光针。
图5-图11给出了五环形三元混合滤波器调制的超分辨纵向偏振光针光场分布，从图5-图10得出纵向偏振场占主导地位，径向偏振场占总场的11％，其横向半高全宽为0.416λ，纵向聚焦深度为10.8λ，纵横比为26，且旁瓣的值小于15％。从图11的三维光针图样中可得出我们实现了高质量(高纵横比与高均匀性)的超分辨纯纵向偏振的光针。
图12-图13为五环形三元混合滤波器与多环形滤波器结合调制径向偏振光场实现的多个光针场分布与相位图。从图中得出根据设计不同的多分复用滤波器可实现四个光针与五个光针，四个光针的坐标位置为分别为(-4.5λ，-4.5λ)，(-4.5λ，+4.5λ)，(+4.5λ，-4.5λ)，(+4.5λ，+4.5λ)，五个光针的坐标位置分别为：(-5.5λ，-5.5λ)，(-5.5λ，+5.5λ)，(0，0)，(+5.5λ，-5.5λ)，(+5.5λ，+5.5λ)，且光针阵列中每条光针的性能都基本等同于单个光针(性能包括横向半高全宽、纵向聚焦深度、纵横比、光束质量、均匀性与旁瓣)。当然我们可以根据需要设计出复杂的光针阵列，但是要考虑到光针之间的相互作用会对阵列的性能产生极大的影响，如果距离太小容易产生串扰，从而影响整个阵列的均匀性；如果距离太大，在准连续的多层的光存储应用中会受限。所以应该优化参数控制每条光针的位置。从图12中的(a5)与图13中的(b5)可以看出，调制径向偏振光场的多分复用滤波器类似于一个准周期的光栅结构。
图14比较了不同环混合滤波器调制径向偏振光在聚焦区域光场的横向半高全宽、纵向聚焦深度与光束质量。
上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。
本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。
Claims (2)
1.一种可调谐的超分辨高纵横比的纵向偏振光针阵列，包括由飞秒激光器、扩束装置、空间光调制器设备、偏振转换器设备、高数值孔径物镜和焦平面探测器组成的设备主体，其特征包括如下步骤：
(1)首先飞秒激光器发射的光波在经过有两个透镜与孔径光阑组成的扩束系统后变成平行光；
(2)在在使平行光经过由空间光调制器编码的三元混合滤波器与多分复用滤波器组成的混合衍射元件；
(3)经过反射后由经偏振转换器设备后通过调节偏振电压将线偏振光变成径向偏振光；
(4)高数值孔径物镜使得入射光场的偏振发生一个去偏振的过程，从而使得纵向偏振与横向偏振发生重新分布，最终在焦平面探测器的聚焦区域得到想要的超分辨纵向偏振的光针阵列；
在于步骤(2)中，空间光调制器编码对三元混合滤波器的选择，通过粒子群算法，研究循环次数对不同环形滤波器调制的径向偏振光场横向半高全宽与聚焦深度的影响，发现随着迭代次数的增加，半高全宽(FWHM)与聚焦深度(DOF)都随之减少，当迭代次数达到一定值的时候，其横向半高全宽与纵向聚焦深度几乎都不变，确定为最佳迭代次数值，在最优条件下，五环形的滤波器调制的紧聚焦的径向偏振光场的横向半高全宽最小，纵向聚焦深度最长，相对三环与四环形三元混合滤波器而言，五环形三元混合滤波器是最适合调制径向偏振光场的衍射光学元件；
比较不同环形三元混合滤波器调制径向偏振光的情况下的聚焦光场的分布，得出当N＝3,4,5时，纵向偏振场的横向半高全宽分别为0.418λ，0.420λ和0.416λ；聚焦深度分别为7.37λ，8.54λ和10.8λ，光束质量分别为81.1％，80.0％和81.2％，得到无衍射超分辨纵向偏振光针的沿着轴向的均匀性均高于95％，表明实现了高质量的超分辨纯纵向光针；
五环形三元混合滤波器调制的超分辨纵向偏振光针光场分布情况，纵向偏振场占主导地位，径向偏振场占总场的11％，其横向半高全宽为0.416λ，纵向聚焦深度为10.8λ，纵横比为26，且旁瓣的值小于15％，从三维光针图样中可得出我们实现了高质量的超分辨纯纵向偏振的光针；
五环形三元混合滤波器与多环形滤波器结合调制径向偏振光场实现的多个光针场分布与相位图，根据设计不同的多分复用滤波器可实现四个光针与五个光针，四个光针的坐标位置为分别为(-4.5λ，-4.5λ)，(-4.5λ，+4.5λ)，(+4.5λ，-4.5λ)，(+4.5λ，+4.5λ)，五个光针的坐标位置分别为：(-5.5λ，-5.5λ)，(-5.5λ，+5.5λ)，(0，0)，(+5.5λ，-5.5λ)，(+5.5λ，+5.5λ)，且光针阵列中每条光针的性能都基本等同于单个光针(性能包括横向半高全宽、纵向聚焦深度、纵横比、光束质量、均匀性与旁瓣)。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐的超分辨高纵横比的纵向偏振光针阵列，其特征在于步骤(1)中，所述飞秒激光器采用的光源为脉宽350fs，波长为532nm，重复频率为1MHz，飞秒激光通过扩束后经过偏振转换器，经过偏振转换器后在CCD上可以检测远场光场的分布，当没有检偏器时，径向偏振光是对称的中空光场，当在CCD前加上检偏器后，光场在沿着检偏器偏振的方向出现对称的扇形场分布，而垂直与检偏器的方向出现消光现象，无论检偏器如何旋转整个光场都不会消光，证明了径向偏振光的圆柱对称性。
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- 2018-10-09 CN CN201811172941.8A patent/CN109212774B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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