CN111273451A - 一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置及方法，该方法包括如下步骤：激光器输出的高斯光束，由起偏器起偏，经过第一透镜、第二透镜组合而成的4f系统扩束后，入射到空间光调制器，在空间光调制器上加载圆艾里光束的频谱信息，并通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控；经过空间光调制器调制、平面反射镜反射后，再经过第三透镜傅里叶变换之后，在焦平面得到圆艾里光束，在其自聚焦位置用电荷耦合器观测到二维位移后的自聚焦点。本发明可以通过改变空间光调制器所加载不同的相息图，可精细简便地调节产生的圆艾里光束的轨迹，达到改变自聚焦点位置的目的，二维移动自聚焦点的调控范围大精度高。

Description

一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置及方法
技术领域
本发明涉及光场调控技术领域，具体涉及一种大范围高精度二维移动圆艾里光束自聚焦点的装置及方法。
背景技术
圆艾里光束是一种突然自聚焦光束，是2010年，由Nikolaos K.Efremidis提出并产生了圆艾里光束，其在传输过程中会自行进行汇聚到中心，在自聚焦的焦点处光强达到最大可达初始光斑光强的上百倍。而且在自聚焦位置很短的距离内，中心光强就能达到最大值。其场分布为
Figure BDA0002383724300000011
其中Airy(·)是艾里函数，r是圆艾里光束的径向长度，r0是主环的半径，w0是光束的束宽，α是圆艾里光束的衰减因子。
圆艾里光束因为其突然自聚焦特性，能产生更强的光阱刚度，从而在自聚焦位置能对微粒实现更稳定的捕获。使得它在粒子捕获，激光医学治疗等方面具有很大的应用价值而得到研究人员的广泛关注。
本发明的发明人发现，一般的圆艾里光束只能按正常的传输轨迹进行传输，或者机械的改变其传输轨迹，这对于圆艾里光束在光镊应用上有着很大的不便。通过空间光调制器对圆艾里光束的轨迹进行操控，使圆艾里光束自聚焦点可以大范围高精度移动的方法，至今还没有人提出。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置及方法，可以更加稳定、更加方便的操纵圆艾里光束轨迹，达到在二维平面内操控圆艾里光束自聚焦点任意移动。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置，包括激光器、起偏器、第一透镜、第二透镜、空间光调制器、平面反射镜、第三透镜以及电荷耦合器；
激光器输出基模高斯光，经过起偏器起偏后，由第一透镜、第二透镜组成的4f系统来扩束，使入射到空间光调制器时占满液晶屏，在空间光调制器上加载圆艾里光束的频谱信息，并通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控；经过空间光调制器调制、平面反射镜反射后，再经过第三透镜傅里叶变换之后，在焦平面得到圆艾里光束，在其自聚焦位置用电荷耦合器观测到二维位移后的自聚焦点。
进一步地，通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控具体为：
当圆艾里光束的空域上添加倾斜相位因子
Figure BDA0002383724300000021
使圆艾里光束产生倾斜从而实现自聚焦点的x方向移动；当添加倾斜相位因子
Figure BDA0002383724300000022
使圆艾里光束产生倾斜从而实现自聚焦点的y方向移动；其中kx＝a/w0，ky＝a/w0，i为虚数，x为水平坐标，y为垂直坐标，w0是光束的束宽，a为决定倾斜度的系数；控制移动频谱间接控制空域来达到添加倾斜相位因子的目的，根据傅里叶变化的平移性质，当空域加载相位项时，相应的频域变化就是平移，也就是频域平移了kx或ky，平移的最小尺寸也就是空间光调制器的像数大小；通过透镜焦距的不同，改变在焦平面初始圆艾里光束的倾斜角度，根据倾斜角度的不同，以及圆艾里光束在自聚焦过程中聚焦的距离不同，达到实际自聚焦点的大范围移动。
进一步地，所述激光器为Verdi12固体激光器。
进一步地，所述空间光调制器为反射式纯相位液晶空间光调制器。
一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的方法，包括如下步骤：
激光器输出的高斯光束，由起偏器起偏，经过第一透镜、第二透镜组合而成的4f系统扩束后，入射到空间光调制器，在空间光调制器上加载圆艾里光束的频谱信息，并通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控；经过空间光调制器调制、平面反射镜反射后，再经过第三透镜傅里叶变换之后，在焦平面得到圆艾里光束，在其自聚焦位置用电荷耦合器观测到二维位移后的自聚焦点。
进一步地，通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控具体为：
当圆艾里光束的空域上添加倾斜相位因子
Figure BDA0002383724300000031
使圆艾里光束产生倾斜从而实现自聚焦点的x方向移动；当添加倾斜相位因子
Figure BDA0002383724300000032
使圆艾里光束产生倾斜从而实现自聚焦点的y方向移动；其中kx＝a/w0，ky＝a/w0，i为虚数，x为水平坐标，y为垂直坐标，w0是光束的束宽，a为决定倾斜度的系数；控制移动频谱间接控制空域来达到添加倾斜相位因子的目的，根据傅里叶变化的平移性质，当空域加载相位项时，相应的频域变化就是平移，也就是频域平移了kx或ky，平移的最小尺寸也就是空间光调制器的像数大小；通过透镜焦距的不同，改变在焦平面初始圆艾里光束的倾斜角度，根据倾斜角度的不同，以及圆艾里光束在自聚焦过程中聚焦的距离不同，达到实际自聚焦点的大范围移动。
进一步地，所述激光器为Verdi12固体激光器。
进一步地，所述空间光调制器为反射式纯相位液晶空间光调制器。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
利用本发明既可以产生良好的圆艾里光束，又可以实现对圆艾里光束自聚焦点的大范围高精度控制，只需要电脑控制，避免了机械控制的不准确性。
本发明所提供的大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置及方法可以通过改变空间光调制器所加载的不同相息图，可精细简便地调节产生的圆艾里光束的轨迹，达到改变自聚焦点位置的目的。该方法集圆艾里光束的产生及其自聚焦点的二维移动于一体，装置简单，二维移动自聚焦点的调控范围大精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法采用的光路示意图。
图2为本发明方法采用的相息图。(a)为加载kx＝0rad/mm，(b)为加载kx＝28rad/mm。
图3为透镜焦平面和聚焦位置处的光斑图。(a)为透镜焦平面处的圆艾里光束，(b)为kx＝0rad/mm聚焦位置的聚焦光斑图，(c)为kx＝28rad/mm聚焦位置的聚焦光斑图。
图1中：
L：Verdi12固体激光器； H：起偏器；
F1：第一透镜； F2：第二透镜；
LC-SLM：液晶空间光调制器； CGH：相息图；
M：平面反射镜； F3：第三透镜；
AS：光阑； O：输出面；
Q:自聚焦面 CCD：电荷耦合器。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置，包括激光器、起偏器、第一透镜、第二透镜、空间光调制器、平面反射镜、第三透镜以及电荷耦合器；
激光器输出基模高斯光，经过起偏器起偏后，由第一透镜、第二透镜组成的4f系统来扩束，使入射到空间光调制器时占满液晶屏，在空间光调制器上加载圆艾里光束的频谱信息，并通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控；经过空间光调制器调制、平面反射镜反射后，再经过第三透镜傅里叶变换之后，在焦平面得到圆艾里光束，在其自聚焦位置用电荷耦合器观测到二维位移后的自聚焦点。
具体地，通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控具体为：
当圆艾里光束的空域上添加倾斜相位因子
Figure BDA0002383724300000051
使圆艾里光束产生倾斜从而实现自聚焦点的x方向移动；当添加倾斜相位因子
Figure BDA0002383724300000052
使圆艾里光束产生倾斜从而实现自聚焦点的y方向移动；其中kx＝a/w0，ky＝a/w0，i为虚数，x为水平坐标，y为垂直坐标，w0是光束的束宽，a为决定倾斜度的系数。本发明是控制移动频谱间接控制空域来达到添加倾斜相位因子的目的，根据傅里叶变化的平移性质，当空域加载相位项时，相应的频域变化就是平移，也就是频域平移了kx或ky，平移的最小尺寸也就是空间光调制器的像数大小。通过透镜焦距的不同，可以改变在焦平面初始圆艾里光束的倾斜角度，根据倾斜角度的不同，以及圆艾里光束在自聚焦过程中聚焦的距离不同，达到实际自聚焦点的大范围移动。
本实施例中，所述激光器为Verdi12固体激光器。所述空间光调制器为反射式纯相位液晶空间光调制器。
实施例2
如图1，2，3所示，本发明还提供一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的方法，包括步骤如下：
激光器器(Verdi 12固体激光器，工作波长532nm)输出的基模高斯光束经过起偏器起偏后，通过平行竖直放置的平凸透镜对扩束。通过由瑞立柯信息有限公司研发的空间光调制器(1920×1080分辨率)在扩束后的高斯光束上加载包含圆艾里光束平移后的频谱信息以及闪耀光栅的相息图(如图2(b)所示)，经过透镜傅里叶变换之后，因为加了闪耀光栅相位，需要用光阑滤出一级，在其焦平面处可以看到圆艾里光束，在自聚焦面可以看到移动后的自聚焦点。
本实施例中，圆艾里光束的参数选取的是r0＝0.4mm，w0＝0.04mm，α＝0.06。理论计算添加倾斜因子后横向位移x大小，
Figure BDA0002383724300000061
其中kz＝2π/λ。根据前面的参数，算得圆艾里光束的聚集距离zf＝13cm，当选取频谱平移kx＝28rad/mm时，对应其自聚焦点处x＝308μm。
本实施例中，只实验了向右移动的实验，其他方向的实验也是应用相同的原理，也可以达到相同的效果。
本发明实施例所提供的大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的方法可以通过改变空间光调制器所加载的相息图，可精细简便地调节产生的圆艾里光束的轨迹，达到改变自聚焦点位置的目的。该方法集圆艾里光束的产生及其自聚焦点的二维移动于一体，装置简单，二维移动自聚焦点的调控范围大精度高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置，其特征在于，包括激光器、起偏器、第一透镜、第二透镜、空间光调制器、平面反射镜、第三透镜以及电荷耦合器；
激光器输出基模高斯光，经过起偏器起偏后，由第一透镜、第二透镜组成的4f系统来扩束，使入射到空间光调制器时占满液晶屏，在空间光调制器上加载圆艾里光束的频谱信息，并通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控；经过空间光调制器调制、平面反射镜反射后，再经过第三透镜傅里叶变换之后，在焦平面得到圆艾里光束，在其自聚焦位置用电荷耦合器观测到二维位移后的自聚焦点。
2.根据权利要求1所述的大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置，其特征在于，通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控具体为：
当圆艾里光束的空域上添加倾斜相位因子
Figure FDA0002383724290000011
使圆艾里光束产生倾斜从而实现自聚焦点的x方向移动；当添加倾斜相位因子
Figure FDA0002383724290000012
使圆艾里光束产生倾斜从而实现自聚焦点的y方向移动；其中kx＝a/w0，ky＝a/w0，i为虚数，x为水平坐标，y为垂直坐标，w0是光束的束宽，a为决定倾斜度的系数；控制移动频谱间接控制空域来达到添加倾斜相位因子的目的，根据傅里叶变化的平移性质，当空域加载相位项时，相应的频域变化就是平移，也就是频域平移了kx或ky，平移的最小尺寸也就是空间光调制器的像数大小；通过透镜焦距的不同，改变在焦平面初始圆艾里光束的倾斜角度，根据倾斜角度的不同，以及圆艾里光束在自聚焦过程中聚焦的距离不同，达到实际自聚焦点的大范围移动。
3.根据权利要求1所述的大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置，其特征在于，所述激光器为Verdi12固体激光器。
4.根据权利要求1所述的大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置，其特征在于，所述空间光调制器为反射式纯相位液晶空间光调制器。
5.一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的方法，其特征在于，包括如下步骤：
激光器输出的高斯光束，由起偏器起偏，经过第一透镜、第二透镜组合而成的4f系统扩束后，入射到空间光调制器，在空间光调制器上加载圆艾里光束的频谱信息，并通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控；经过空间光调制器调制、平面反射镜反射后，再经过第三透镜傅里叶变换之后，在焦平面得到圆艾里光束，在其自聚焦位置用电荷耦合器观测到二维位移后的自聚焦点。
6.根据权利要求5所述的大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的方法，其特征在于，通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控具体为：
当圆艾里光束的空域上添加倾斜相位因子
Figure FDA0002383724290000021
使圆艾里光束产生倾斜从而实现自聚焦点的x方向移动；当添加倾斜相位因子
Figure FDA0002383724290000022
使圆艾里光束产生倾斜从而实现自聚焦点的y方向移动；其中kx＝a/w0，ky＝a/w0，i为虚数，x为水平坐标，y为垂直坐标，w0是光束的束宽，a为决定倾斜度的系数；控制移动频谱间接控制空域来达到添加倾斜相位因子的目的，根据傅里叶变化的平移性质，当空域加载相位项时，相应的频域变化就是平移，也就是频域平移了kx或ky，平移的最小尺寸也就是空间光调制器的像数大小；通过透镜焦距的不同，改变在焦平面初始圆艾里光束的倾斜角度，根据倾斜角度的不同，以及圆艾里光束在自聚焦过程中聚焦的距离不同，达到实际自聚焦点的大范围移动。
7.根据权利要求5所述的大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的方法，其特征在于，所述激光器为Verdi12固体激光器。
8.根据权利要求5所述的大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的方法，其特征在于，所述空间光调制器为反射式纯相位液晶空间光调制器。
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