CN109283673B - 一种实现光学焦场自旋方向三维可控的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现光学焦场自旋方向三维可控的装置和方法。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、分束器和高数值孔径物镜组成。该方法将光学焦场拆解为三个沿着特定方向振动的电偶极子，利用电偶极子辐射场逆推方法计算出光场在入射光瞳面的分布，并利用具有两个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所需的入射光场，之后在高数值孔径物镜的聚焦下，将在物镜的焦点附近区域生成自旋方向可控且尺寸在衍射极限的光学焦场。该方法不但能够控制光学焦场的自旋方向，而且能够对光学焦场的椭球率和取向角进行有效的调控。

Description

一种实现光学焦场自旋方向三维可控的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种光场调控装置和方法，尤其涉及一种实现光学焦场自旋方向三维可控的装置和方法。

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，且只能对焦场的自旋取向在特定的平面内进行控制，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：为解决现存的焦场调控技术只能在特定的平面内控制焦场的自旋方向，而无法实现自旋三维任意可控的局限性的问题，本发明提出了一种实现光学焦场三维可控自旋方向的装置，以快速地对焦场偏振态的椭球率和取向角进行有效的三维控制。

相应地，本发明还提供一种实现光学焦场三维可控自旋方向的方法。

技术方案：本发明的实现光学焦场三维可控自旋方向的装置包括：激光器、导光装置、空间光调制器、计算机和物镜；空间光调制器具有两种工作波长，且包括位于其面板上不重合的两个区域处的第一通道空间光调制器和第二通道空间光调制器；计算机用于分别对第一通道空间光调制器和第二通道空间光调制器进行控制；导光装置用于将激光器发出的光束依次导入第一通道空间光调制器和第二通道空间光调制器进行调制，并将经调制的光束入射至物镜的后方孔径进行聚焦。

进一步地，第一通道空间光调制器用于调控光场的共有位相和偏振椭球率，第二通道空间光调制器用于调控光场的振幅和偏振取向角。

进一步地，光导装置包括半波片、第一偏振片、第一分束器、第一透镜、平面镜、第二分束器、1/4波片、第二透镜、第二偏振片、空间滤波器和第三透镜；激光器发出的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通道空间光调制器；经第一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1/4波片，入射至第二通道空间光调制器；经第二通道空间光调制器调制后的光束经过1/4波片并由第二分束器反射后，依次经过第二透镜、第二偏振片、空间滤波器以及第三透镜后入射物镜的后方孔径。

进一步地，第一偏振片和第二偏振片的透振方向平行于平台平面；平面镜放置在第一透镜的焦平面，且第一透镜和平面镜构成第一4f系统；1/4波片的快轴方向与平台平面成45度；第二透镜的物方焦平面与第二通道空间光调制器重合；第二透镜和第三透镜构成第二4f系统，且空间滤波器放置在第二4f系统的焦平面；第二透镜和第三透镜构成望远镜系统，用于对激光光束进行扩束且光斑尺寸与物镜后端的入光孔径相同。

进一步地，物镜为数值孔径在0.75以上的物镜。

本发明的实现光学焦场自旋方向三维可控的方法包括如下步骤：

步骤1、确定所要生成的光学焦场的自旋方向，基于自旋方向计算出光场在入射光瞳面的共有位相、偏振椭球率、振幅和偏振取向角；步骤2、将具有两种工作波长的空间光调制器分成不重合的第一通道空间光调制器和第二通道空间光调制器，根据步骤1计算出的共有位相、偏振椭球率、振幅和偏振取向角确定两个光调制通道的两种工作波长分别所要加载的位相信息；其中，第一通道空间光调制器所要加载的与第一工作波长和第二工作波长对应的位相信息分别用于调控光场的共有位相和偏振椭球率；第二通道空间光调制器所在区域所要加载的与第一工作波长和第二工作波长对应的位相信息分别用于调控光场的振幅和偏振取向角；步骤3、叠加第一工作波长和第二工作波长分别形成的图案，生成包含特定灰度信息的图片，并加载至空间光调制器；步骤4、使入射光分别经过第一通道空间光调制器和第二通道空间光调制器以进行调制；步骤5、用物镜对经调制的入射光进行聚焦；其中，需要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，且入射光场的中心与物镜的入光孔径中心重合。

进一步地，在步骤1中，基于自旋方向计算出光场在入射光瞳面的共有位相、偏振椭球率、振幅和偏振取向角包括如下步骤：步骤11、将自旋方向拆解为振动方向在坐标轴面内的第一电偶极子和振动方向不在坐标轴面内的第二电偶极子，第一和第二电偶极子的振动方向与自旋方向两两垂直且满足右手定则；步骤12、将第二电偶极子进一步拆解为第三和第四电偶极子，第三和第四电偶极子没有位相差、振动方向相互垂直且在坐标轴面内；步骤13、利用电偶极子辐射场逆推方法通过第一、第三和第四电偶极子计算光场在入射光瞳面的共有位相、偏振椭球率、振幅和偏振取向角。

进一步地，在步骤11中：假设所要生成焦场的自旋方向的方向余弦为(cosα,cosβ,cosγ)，其中α、β和γ分别是自旋方向与x、y和z轴的夹角，则第一和第二电偶极子的相位差Δφ＝π/2，强度比η＝1，且第一电偶极子的振动方向在y-z平面内且与z轴负半轴的夹角为tan^-1(cosγ/cosβ)，第二电偶极子的振动方向为自旋方向叉乘第一电偶极子的振动方向。

进一步地，在步骤12中：第三电偶极子沿x轴振动且强度为N₁，第四电偶极子在y-z平面内振动且强度为N₂，与z轴负半轴夹角为θ_B＝π/2+θ_A；其中，

进一步地，步骤13包括如下步骤：

步骤131：基于第一、第三和第四电偶极子确定入射光电场：

其中，E为入射光电场，A和B分别为电场在x、y方向上的分振幅，r和

是极坐标系中的半径和方位角，e_x和e_y分别是沿入射场x和y方向的单位向量；θ为入射光在被物镜聚焦时的入射角，且θ是根据物镜的物理特性决定的；

步骤132：基于确定的入射光的电场确定入射光瞳面的共有位相、偏振椭球率、振幅和偏振取向角：入射光瞳面的共有位相为0，偏振椭球率为A/B，振幅为

且偏振取向角为0。

有益效果：与现有技术相比，本发明提出的实现光学焦场三维可控自旋方向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。

具体来说，本发明的优点包括：

(1)功能性强。不但能够任意地设计焦场的自旋取向，而且能够对其偏振态的椭球率和取向角进行控制。

(2)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和双工作波长，本发明将空间光调制器的面板一分为二，从而利用一台空间光调制器的两个颜色通道即可实现光场的全面控制。

(3)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。

(4)操作简便、灵活高效。利用一台计算机加载一副红色和绿色的混合图即可同时控制空间光调制器的两个区域和两种颜色通道。此外，焦场的自旋取向和偏振椭球率、取向角等参数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为空间光调制器加载拟产生自旋方向为(α,β,γ)＝(60°,60°,45°)的圆偏振焦场(Δφ＝π/2,η＝1)时所生成的入射光场；

图3为图2所示光场经由数值孔径为0.95的物镜聚焦后在焦点附近的强度分布在x'-y'-z'坐标系内的投影，其中z'轴与光子自旋方向重合且x'-y'垂直于自旋方向；

图4为图3所示光场的斯托克斯参量图和自旋密度分布图。

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，一种实现光学焦场三维可控自旋方向的装置，包括激光器1、半波片2、第一偏振片3、第一分束器4、第一通道空间光调制器5、第一透镜6、平面镜7、第二分束器8、1/4波片9、第二通道空间光调制器10、第二透镜11、第二偏振片12、空间滤波器13、第三透镜14以及数值孔径为0.75以上的高数值孔径物镜15。在本实施例中使用的激光器为包括红色和绿色两种工作波长的激光器。

其中，第一通道空间光调制器5和第二通道空间光调制器10为同一个空间光调制器的面板上的不重合的2个区域，设定第一通道空间光调制器5所在区域为区域一，第二通道空间光调制器10所在区域为区域二；空间光调制器的工作波长为红色和绿色；还包括计算机，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反射至第一通道空间光调制器5，该区域所加载的红色和绿色位相信息分别用于调控光场的共有位相和偏振椭球率。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通道空间光调制器10，并通过由1/4波片9和第二偏振片12的组合，该区域所加载的红色和绿色位相信息分别用于调控光场的振幅和偏振取向角。

借助第二透镜11和第三透镜14构成的望远镜系统，高频项和散射光被空间滤波器13滤去，且激光束的光斑尺寸被放大至与高数值孔径物镜15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15的位置使得激光光斑的中心与高数值孔径物镜15入光孔径的中心重合，以确保获得最好的聚焦效果。

利用上述装置实现光学焦场自旋方向三维可控的方法包括如下步骤：

步骤1、确定所要生成的光学焦场的自旋方向，将此拆解为两个具有特定位相差、特定强度比和特定振动方向的电偶极子。

假设所要生成焦场的自旋方向的方向余弦为(cosα,cosβ,cosγ)，其中α、β和γ分别是自旋方向与x、y和z轴的夹角，可将其等效为两个相位差为Δφ＝π/2，强度比为η＝1的电偶极子(记为偶极子P1和P2)，其中偶极子P1的振动方向在y-z平面内且与z轴负半轴的夹角为θ_A＝tan^-1(cosγ/cosβ)，偶极子P1和P2的振动方向与自旋方向两两垂直且满足右手定则。

步骤2、将电偶极子P2进一步拆解为两个没有位相差、振动方向相互垂直的电偶极子(P3和P4)。

其中电偶极子P3沿x轴振动且强度为N₁，电偶极子P4在y-z平面内振动且强度为N₂，与z轴负半轴夹角为θ_B＝π/2+θ_A。其中，N₁，N₂为

步骤3、利用电偶极子P1、P3和P4的辐射场逆推方法计算出入射光的电场E，并根据计算出的电场E确定在入射光瞳面的共有位相、偏振椭球率、振幅和偏振取向角：

其中r和

是极坐标系中的半径和方位角，e_x和e_y分别是沿入射场x和y方向的单位向量，θ为入射光在被物镜聚焦时的入射角，且θ是根据物镜的物理特性决定的。之后，根据A、B和θ确定共有位相、偏振椭球率、振幅和偏振取向角：入射光瞳面的共有位相为0，偏振椭球率为A/B，振幅为

且偏振取向角为0。

步骤4、根据步骤3所计算出的入射光场的振幅、位相和偏振态分布，确定空间光调制器上两个区域所要加载的位相信息，并使入射光分别经过第一通道空间光调制器5和第二通道空间光调制器10以进行调制；其中，第一通道空间光调制器所在区域所加载的红色和绿色位相信息分别用于调控光场的共有位相和偏振椭球率；第二通道空间光调制器所在区域所加载的红色和绿色位相信息分别用于调控光场的振幅和偏振取向角；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。其中，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，并加载至空间光调制器的具体实现方法参见如下文献：W.Han,Y.Yang,W.Cheng,and Q.Zhan,“Vectorial optical field generator forthe creation of arbitrary complex fields,”Opt.Express 21(18),20692(2013)。

步骤5、选择合适焦距的第二透镜和第三透镜，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6、调整高数值孔径物镜的位置，使得入射光场的中心与高数值孔径物镜的入光孔径中心重合，实现对光场的高效聚焦。

图2显示了空间光调制器加载拟产生自旋方向为(α,β,γ)＝(60°,60°,45°)的圆偏振焦场(Δφ＝π/2,η＝1)时所生成的入射光场，其中用偏振椭圆标出了光场的偏振态分布。横坐标表示以毫米为单位的x轴范围，纵坐标表示以毫米为单位的y轴范围。

图3为图2所示光场经由数值孔径为0.95的物镜聚焦后在焦点附近的强度分布在x'-y'-z'坐标系内的投影，其中z'轴与光子自旋方向重合且x'-y'垂直于自旋方向。光场的偏振态分布由偏振椭圆标出。

图4为图3所示光场的斯托克斯参量图和自旋密度分布图。斯托克斯参量常用来描述光场的偏振态，它包含三个参数，其中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。自旋密度用来描述光场的自旋分布，它包含S_x，S_y和S_z三个参数，代表光场在局域坐标系中x'，y'和z'三个方向上的自旋程度。此图中，焦场主瓣的S₃分量远强于其他分量，且主瓣的S_z为-1，证明焦场的偏振态为自旋方向为(α,β,γ)＝(60°,60°,45°)的圆偏振，达到预期设计的目标。

以上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 (4)

1.一种实现光学焦场自旋方向三维可控的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定所要生成的光学焦场的自旋方向，基于所述自旋方向计算出光场在入射光瞳面的共有位相、偏振椭球率、振幅和偏振取向角；基于所述自旋方向计算出光场在入射光瞳面的共有位相、偏振椭球率、振幅和偏振取向角包括如下步骤：

步骤11、将所述自旋方向拆解为振动方向在坐标轴面内的第一电偶极子和振动方向不在坐标轴面内的第二电偶极子，第一和第二电偶极子的振动方向与自旋方向两两垂直且满足右手定则；

步骤12、将第二电偶极子进一步拆解为第三和第四电偶极子，第三和第四电偶极子没有位相差、振动方向相互垂直且在坐标轴面内；

步骤13、利用电偶极子辐射场逆推方法通过第一、第三和第四电偶极子计算光场在入射光瞳面的共有位相、偏振椭球率、振幅和偏振取向角；

步骤2、将具有两种工作波长的空间光调制器分成不重合的第一通道空间光调制器(5)和第二通道空间光调制器(10)，根据步骤1计算出的共有位相、偏振椭球率、振幅和偏振取向角确定两个光调制通道的两种工作波长分别所要加载的位相信息；其中，第一通道空间光调制器(5)所要加载的与第一工作波长和第二工作波长对应的位相信息分别用于调控光场的共有位相和偏振椭球率；第二通道空间光调制器(10)所在区域所要加载的与第一工作波长和第二工作波长对应的位相信息分别用于调控光场的振幅和偏振取向角；

步骤3、叠加第一工作波长和第二工作波长分别形成的图案，生成包含特定灰度信息的图片，并加载至空间光调制器；

步骤4、使入射光分别经过第一通道空间光调制器(5)和第二通道空间光调制器(10)以进行调制；

步骤5、用物镜对经调制的入射光进行聚焦；其中，需要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，且入射光场的中心与物镜的入光孔径中心重合。

2.根据权利要求1所述的实现光学焦场自旋方向三维可控的方法，其特征在于，在步骤11中：

假设所要生成焦场的自旋方向的方向余弦为(cosα,cosβ,cosγ)，其中α、β和γ分别是自旋方向与x、y和z轴的夹角，则第一和第二电偶极子的相位差Δφ＝π/2，强度比η＝1，且第一电偶极子的振动方向在y-z平面内且与z轴负半轴的夹角为θ_A＝tan^-1(cosγ/cosβ)，第二电偶极子的振动方向为自旋方向叉乘第一电偶极子的振动方向。

3.根据权利要求2所述的实现光学焦场自旋方向三维可控的方法，其特征在于，在步骤12中：

第三电偶极子沿x轴振动且强度为N₁，第四电偶极子在y-z平面内振动且强度为N₂，与z轴负半轴夹角为θ_B＝π/2+θ_A；其中，

4.根据权利要求3所述的实现光学焦场自旋方向三维可控的方法，其特征在于，步骤13包括如下步骤：

步骤131：基于第一、第三和第四电偶极子确定入射光电场：

其中，E为入射光电场，A和B分别为电场在x、y方向上的分振幅，r和

是极坐标系中的半径和方位角，e_x和e_y分别是沿入射场x和y方向的单位向量；θ为入射光在被物镜聚焦时的入射角，且θ是根据物镜的物理特性决定的；

步骤132：基于确定的入射光的电场确定入射光瞳面的共有位相、偏振椭球率、振幅和偏振取向角：入射光瞳面的共有位相为0，偏振椭球率为A/B，振幅为

且偏振取向角为0。

Images