CN113126290B - 一种用于产生可控多焦点阵列的相位调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于产生可控多焦点阵列的相位调制方法，涉及光学成像技术领域，具体步骤包括如下：根据预期焦点数，构建多区域相位分布图；根据纯相位分布公式，获得各焦点相位参数；通过MATLAB仿真将所述各焦点相位参数填充所述多区域相位分布图，得到多焦点相位图；将所述多焦点相位图加载在空间光调制器上进行相位调制，再利用光束紧聚焦产生多焦点阵列。相对于传统利用迭代的方法产生多焦点，这种方法计算耗时短，具有焦点位置、数量均可控的特点，在光存储、多点微成像、激光微纳加工、光学操纵和捕获等方面具有巨大的应用前景。

Description

一种用于产生可控多焦点阵列的相位调制方法
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，更具体的说是涉及一种用于产生可控多焦点阵列的相位调制方法。
背景技术
传统的激光多焦点产生的方法有利用分束器、微透镜阵列等其他光学元件将一束光束分为多束光束，进而在焦平面上形成二维多焦点阵列。空间光调制器因其能够更方便快捷产生多焦点。目前基于空间光调制器相位调制方法有很多，例如物镜入瞳处的纯相位模式可以利用二维傅里叶变换迭代算法得到，例如GS算法。但是由于存在层间干扰，无法产生具有高均匀性的衍射多个焦斑。2014年，M.Gu等人利用矢量Debye衍射三维傅里叶变换理论实现了消球差的三维多焦点阵列和三维并行记录。同年，Linwei Zhu等人提出三维形状可控的多焦点可以利用二维纯相位调制光栅在高数值孔径物镜后光阑附加上轴向位移纯相位调制来产生。然而，这些理论都需要大量的叠加算法，计算量较大，需要很长的时间甚至有时得不到唯一解。所以，如何制备具有焦点数量、位置可控的高均匀度的多焦点阵列，对本领域技术人员来说是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于产生可控多焦点阵列的相位调制方法，利用构建多区域相位分布图对激光光束进行相位调制，通过光束紧聚焦产生多焦点阵列。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于产生可控多焦点阵列的相位调制方法，具体步骤包括如下：
根据预期焦点数，构建多区域相位分布图；
根据纯相位分布公式，获得各焦点相位参数；
通过MATLAB仿真将所述各焦点相位参数填充所述多区域相位分布图，得到多焦点相位图；
将所述多焦点相位图加载在空间光调制器上进行相位调制，再利用光束紧聚焦产生多焦点阵列。
所述构建多区域相位分布图的具体步骤为：
将入射光束截面区域均等分为N个区域，所述入射光束截面区域分为中心为一个圆形区域和所述圆形区域周围为N-1个扇环，其中N为奇数且大于1；
将每个所述扇环均等分为M个子扇环，每个子扇环的角度为
Figure BDA0003042413150000021
所述圆形区域均等分为M个子区域；
若M为偶数，将所述圆形区域均等分为M个扇形；
若M为奇数，将所述圆形区域均等分为中心为一个子圆形区域和所述子圆形区域周围M-1个第一扇环。
所述圆形区域的半径为
Figure BDA0003042413150000022
其中R为所述入射光束的半径；所述扇环的角度为
Figure BDA0003042413150000023
每个所述扇形的角度为
Figure BDA0003042413150000024
所述子圆形区域的半径为
Figure BDA0003042413150000025
每个所述第一扇环的角度为
Figure BDA0003042413150000026
所述纯相位分布公式为：
Figure BDA0003042413150000027
其中，(x0，y0)为后光阑的直角坐标，λ为激光波长，R为孔径光阑半径，nt为透镜浸没介质折射率，NA为透镜的数值孔径，(Δx，Δy)为焦点位置坐标。
所述子扇环的个数与所述预期焦点数相同。
经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种用于产生可控多焦点阵列的相位调制方法，相比于传统利用迭代的方法产生多焦点，本发明方法计算耗时短，具有焦点位置、数量可控的特点，在光存储、多点微成像、激光微纳加工、光学操纵和捕获等方面具有巨大的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法流程图；
图2(a)-图2(d)为本发明多区域相位分布图划分方法示意图；
图3为本发明光场调制示意图；
图4(a)为本发明4个焦点阵列图；
图4(b)为本发明5个焦点阵列图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。
本发明实施例公开了一种用于产生可控多焦点阵列的相位调制方法，如图1所示，具体步骤为：
步骤一：根据预期焦点数，构建多区域相位分布图。
具体的，多区域相位分布图划分方法如图2(a)-图2(d)所示，构建多区域相位分布图的步骤为：
将入射光束截面区域均等分为N个区域，入射光束截面区域分为中心为一个圆形区域和圆形区域周围为N-1个扇环，其中N为奇数且大于1；圆形区域的半径为
Figure BDA0003042413150000041
其中R为入射光束的半径；扇环的角度为
Figure BDA0003042413150000042
每个扇环区域面积相等；
再将每个扇环均等分为M个子扇环，每个子扇环的角度为
Figure BDA0003042413150000043
圆形区域均等分为M个子区域；子扇环的个数与子区域的个数与预期焦点数相同；
需要进一步说明的是，若M为偶数，将圆形区域均等分为M个扇形，每个扇形的角度为
Figure BDA0003042413150000044
若M为奇数，将圆形区域均等分为中心为一个子圆形区域和子圆形区域周围M-1个第一扇环；子圆形区域的半径为
Figure BDA0003042413150000045
每个第一扇环的角度为
Figure BDA0003042413150000046
步骤二：根据纯相位分布公式，获得各焦点相位参数。
通过傅里叶变换形式可以将激光紧聚焦光场看成是加权的光场的傅里叶变换，根据傅里叶变换位移定理，推导出纯相位分布公式为：
Figure BDA0003042413150000047
其中，(x0，y0)为后光阑的直角坐标，λ为激光波长，R为孔径光阑半径，nt为透镜浸没介质折射率，NA为透镜的数值孔径，(Δx，Δy)为焦点位置坐标。
通过直接改变纯相位分布公式中的位置参数(Δx，Δy)，可以精确控制焦点在2D横向焦平面的任何位置。
设定N-1个扇环中第m块子扇环坐标为(n，m)，其中n的取值范围为2到N，m的取值范围为1到M。
步骤三：通过MATLAB仿真将各焦点相位参数填充多区域相位分布图，得到多焦点相位图。
将M个焦点相位参数依次填充多区域相位分布图，从(n，1)到(n，M)，生成的每个焦点参数在多区域相位分布图中一共出现N次，从而产生多焦点相位图。
步骤四：将多焦点相位图加载在空间光调制器上进行相位调制，再利用光束紧聚焦产生多焦点阵列。
在本实施例中通过实验验证了焦场焦点分布，实验验证光路如图3所示：实验中使用的激光器为800nm飞秒激光，重复频率为80MHz。飞秒激光器出射光束首先经过半波片H0和格兰棱镜P0调节光路中的激光功率；再经过扩束器f1，f2扩束，使光束直径略大于空间光调制器的边长，这样可以保证空间光调制器所有的像素都参与调制；随后，激光经半波片H1和分束器BS调节光束的偏振方向与空间光调制器工作偏振方向一致，入射到空间光调制器SLM上；将计算获得的多焦点相位图以灰度图的形式加载到空间光调制器SLM上，灰度值从0到255变化，对应的相位调制从0到2π；将空间光调制器调制后的光束经过4f系统f3，f4以及光阑组成的缩束、滤波系统，滤除零级光斑，最终进入物镜。通过在物镜下安装反射镜，将聚焦光反射到CCD中对调制获得的光斑阵列进行观察。获得的多焦点阵列图像如图4(a)为4个焦点阵列图像，图4(b)为5个焦点阵列图像。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种用于产生可控多焦点阵列的相位调制方法，其特征在于，具体步骤包括如下：
根据预期焦点数，构建多区域相位分布图；
根据纯相位分布公式，获得各焦点相位参数；
通过MATLAB仿真将所述各焦点相位参数填充所述多区域相位分布图，得到多焦点相位图；
将所述多焦点相位图加载在空间光调制器上进行相位调制，再利用光束紧聚焦产生多焦点阵列；
所述构建多区域相位分布图的具体步骤为：
将入射光束截面区域均等分为N个区域，所述入射光束截面区域分为中心为一个圆形区域和所述圆形区域周围为N-1个扇环，其中N为奇数且大于1；
将每个所述扇环均等分为M个子扇环，所述圆形区域均等分为M个子区域；
若M为偶数，将所述圆形区域均等分为M个扇形；
若M为奇数，将所述圆形区域均等分为中心为一个子圆形区域和所述子圆形区域周围M-1个第一扇环。
2.根据权利要求1所述的一种用于产生可控多焦点阵列的相位调制方法，其特征在于，所述圆形区域的半径为
Figure FDA0004058225120000011
其中R为所述入射光束的半径；所述扇环的角度为
Figure FDA0004058225120000012
3.根据权利要求1所述的一种用于产生可控多焦点阵列的相位调制方法，其特征在于，每个所述子扇环的角度为
Figure FDA0004058225120000013
每个所述扇形的角度为
Figure FDA0004058225120000014
所述子圆形区域的半径为
Figure FDA0004058225120000015
每个所述第一扇环的角度为
Figure FDA0004058225120000016
4.根据权利要求1所述的一种用于产生可控多焦点阵列的相位调制方法，其特征在于，所述纯相位分布公式为：
Figure FDA0004058225120000017
其中，(x0，y0)为后光阑的直角坐标，λ为激光波长，r为孔径光阑半径，nt为透镜浸没介质折射率，NA为透镜的数值孔径，(Δx,Δy)为焦点位置坐标。
5.根据权利要求1所述的一种用于产生可控多焦点阵列的相位调制方法，其特征在于，所述子扇环的个数与所述预期焦点数相同。
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