CN116880080A - 超分辨光场调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种超分辨光场调制方法，包括：对激光光束进行前处理；对前处理后的所述激光光束进行第一次空间能量分布调制，得到环形能量分布光束；将所述环形能量分布光束进行第二次空间能量分布调制，得到能够实现环形光束聚焦的锥形波前相位分布光束，所述锥形波前相位分布光束在环形聚焦位置前能够实现光束内相互重叠干涉。本发明提供的超分辨光场调制方法，实现超远场以及超分辨，以使得相关光学系统在突破现有超分辨技术瓶颈的基础上，同时实现具有更长工作距离的超远场聚焦。

Description

超分辨光场调制方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种超分辨光场调制方法。

背景技术

光技术中，在光学元件与成像材料之间的距离远大于光束波长的远场光学场景中，由于光束的衍射本质，限制了光学系统所能实现的成像或聚焦分辨率。

现有技术中，基于贝塞尔光学原理，利用锥形波前相位分布的多光束干涉可实现具有超分辨能力的光场调控技术，从而应用于光学显微成像或激光加工技术中。但由于锥形波前相位分布干涉所产生贝塞尔光束的半高宽除了与入射光束波长有关外，还与光学系统的数值孔径(NA)值相关，而现有光学元件在空气中所能实现的最大数值孔径值为0.95，因此计算可得通过现有方式在空气环境中所能实现的光束最小半高宽为0.38倍的波长，对于常规紫外波段至红外波段的光束难以实现几十纳米量级的半高宽。并且，光学元件的数值孔径和光学元件与样品之间的工作距离成反比。为了能够实现具有较小半高宽的贝塞尔光束，现有光学系统常采用具有较大数值孔径的聚焦物镜实现光束的干涉，从而导致现有贝塞尔光学系统的工作距离处于百微米量级，严重限制贝塞尔光束的使用范围以及相关系统的制造、成像效率。

因此，亟需一种超分辨光场调制方法以解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种超分辨光场调制方法，实现超远场以及超分辨，以使得相关光学系统在突破现有超分辨技术瓶颈的基础上，同时实现具有更长工作距离的超远场聚焦。

本发明提供一种超分辨光场调制方法，包括：

对激光光束进行前处理；

对前处理后的所述激光光束进行第一次空间能量分布调制，得到环形能量分布光束；

将所述环形能量分布光束进行第二次空间能量分布调制，得到能够实现环形光束聚焦的锥形波前相位分布光束，所述锥形波前相位分布光束在环形聚焦位置前能够实现光束内相互重叠干涉。

根据本发明提供的超分辨光场调制方法，所述对前处理后的所述激光光束进行第一次空间能量分布调制，包括：

将前处理后的所述激光光束入射至第一光束调制模块，所述第一光束调制模块包括依次设置的第一锥透镜和第二锥透镜，所述第一锥透镜和所述第二锥透镜对入射光束的光矢量方向偏转角度相等，所述第一锥透镜和所述第二锥透镜之间的间距满足：

；

其中，为入射光束的半径，/>为所述第一锥透镜出射光束光矢量方向与主光轴方向之间的夹角。

根据本发明提供的超分辨光场调制方法，所述将所述环形能量分布光束进行第二次空间能量分布调制，包括：

将所述环形能量分布光束入射至第二光束调制模块，所述第二光束调制模块包括依次设置的第三锥透镜和聚焦透镜。

根据本发明提供的超分辨光场调制方法，所述第三锥透镜设置于所述聚焦透镜的入光侧，所述第三锥透镜与所述聚焦透镜之间的间距满足：

；

其中，为入射光束的半径，/>为所述第三锥透镜出射光束光矢量方向与主光轴方向之间的夹角。

根据本发明提供的超分辨光场调制方法，所述环形能量分布光束具有高斯型能量分部特性。

根据本发明提供的超分辨光场调制方法，所述对激光光束进行前处理，包括：

对所述激光光束依次进行准直处理、缩束处理和偏振态调节。

根据本发明提供的超分辨光场调制方法，所述对所述激光光束依次进行准直处理、缩束处理和偏振态调节，包括：

将所述激光光束依次入射至准直模块、第一缩束模块和偏振态调节模块，所述准直模块包括准直透镜，所述第一缩束模块包括至少一个缩束透镜，所述偏振态调节模块包括依次同轴设置的第一半波片和第二半波片。

根据本发明提供的超分辨光场调制方法，还包括光斑形貌质量分析方法，所述光斑形貌质量分析方法，包括：

对经第一次空间能量分布调制得到的所述环形能量分布光束入射至光束质量分析装置；

对经第二次空间能量分布调制得到的所述锥形波前相位分布光束入射至光束质量分析装置。

根据本发明提供的超分辨光场调制方法，所述对经第一次空间能量分布调制得到的所述环形能量分布光束入射至光束质量分析装置，包括：

利用半透射半反射镜将部分经第一次空间能量分布调制得到的所述环形能量分布光束反射或透射至光束质量分析装置。

根据本发明提供的超分辨光场调制方法，在所述环形能量分布光束入射至所述光束质量分析装置之前，利用第二缩束模块对所环形能量分布光束进行缩束处理，所述第二缩束模块包括至少一个缩束透镜。

根据本发明提供的超分辨光场调制方法，所述对经第二次空间能量分布调制得到的所述锥形波前相位分布光束入射至光束质量分析装置，包括：

利用半透射半反射镜将部分经第二次空间能量分布调制得到的所述锥形波前相位分布光束反射或透射至光束质量分析装置。

本发明提供的超分辨光场调制方法，通过将前处理后的激光光束依次进行第一次空间能量分布调制和第二次空间能量分布调制，得到实现环形光束聚焦的锥形波前相位分布光束，该锥形波前相位分布光束在自由空间中传播一定轴向距离后实现多光束叠加干涉，在能够实现纳米级特征形貌分辨率的聚焦光场基础上，突破现有超分辨光学系统对于高NA值聚焦物镜的依赖，实现厘米级的超远场工作距离，大幅提升光学系统的远场光学分辨率以及相关纳米级光学制造的制造效率和制造精度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明实施例提供的超分辨光场调制方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的超分辨光场调制方法中第二次空间能量分布调制得到的锥形波前相位分布光束的示意图；

图3是图2中的锥形波前相位分布光束在环形聚焦位置前实现光束内相互重叠干涉的示意图；

图4是图3中锥形波前相位分布光束的聚焦位置经重叠干涉后所获得光斑的横向归一化光强分布示意图；

图5是用于实施本发明实施例提供的超分辨光场调制方法的远场超分辨光学系统的示意图；

图6是用于实施本发明实施例提供的超分辨光场调制方法的远场超分辨光学系统中第一光束调制模块的示意图；

图7是用于实施本发明实施例提供的超分辨光场调制方法的远场超分辨光学系统中第二光束调制模块的示意图；

图8是远场超分辨光学系统的前处理模块出光侧得到的高斯激光光束的归一化横向光强分布示意图；

图9是远场超分辨光学系统的第二光束调制模块的出光侧得到的锥形波前相位分布光束的归一化横向光强分布示意图；

图10是现有技术中具有贝塞尔函数特性的光束的示意图。

附图标记：

1、激光发射装置；2、准直透镜；3、第一缩束透镜；4、第二缩束透镜；5、第一半波片；6、第二半波片；7、第一锥透镜；8、第二锥透镜；9、第三锥透镜；10、聚焦透镜；11、光学扫描装置；12、运动台；13、第一半透射半反射镜；14、第二半透射半反射镜；15、第三缩束透镜；16、第四缩束透镜；17、第一光束质量分析装置；18、第二光束质量分析装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

目前，根据相关原理得到的光束在聚焦位置处的衍射极限分辨率如表1所示，其中，为入射光束的波长，NA为光学系统的数值孔径(Numerical Aperture)。由表1中可以看出，在远场的工作环境中所能实现的最小聚焦光斑半径约为光束波长的二分之一，严重阻碍了光学成像技术和激光制造技术在纳米领域中的应用。

表1-光束聚焦位置的衍射极限定义

光场空间整形技术是基于光学系统对于光束能量空间分布的重新排布以及基于干涉、衍射等效应实现目标光场能量分布的一种技术手段。贝塞尔光束作为空间光场调制的重要目标之一，如图10所示，通过将平面波调制为锥形波前相位分布，然后通过光束重叠干涉实现一种光场横向能量分布具有贝塞尔函数特性的光束，可实现在较长的轴向传播范围内保持光束不发散（无衍射效应）、遇障碍物可自动重构并恢复光场能量分布（自重构特性），以及聚焦光斑的半峰全宽可突破衍射极限。

理想的零阶贝塞尔光束为由平面波调制干涉形成，在自由空间中光场复振幅分布表示为：

（1）

其中，为贝塞尔光束在主光轴上的光场复振幅幅值，/>和分别为光矢量长度/>的轴向分量和径向分量，/>为入射光束波长，为锥形波前相位与主光轴方向的夹角，/>为第一类0阶贝塞尔函数。理想贝塞尔光束表示在自由空间中该光束光强不随轴向位置的改变而改变，意味着该光束在自由空间中拥有无穷的总能量。

为了能够实现该种具有超分辨能力的光束，现有的光场调制方法提出利用高斯光束入射代替平面波入射，调制产生锥形波前相位分布，然后由光束重叠干涉产生贝塞尔-高斯光束(Bessel-Gauss beams，后续简称为贝塞尔光束)。由高斯光束入射所产生的贝塞尔光束在自由空间中的光场复振幅分布描述为：

（2）

（3）

其中，式(2)表示高斯光束在入射平面上被调制为锥形波前相位分布时的复振幅分布，为入射高斯光束的束腰半径，式(3)表示基于菲涅尔衍射积分公式所获得的由高斯光束入射调制生成的贝塞尔光束在自由空间中任意位置处的复振幅分布。由高斯光束入射调制所产生的零阶贝塞尔光束的中心主瓣的半高宽(FWHM)为：

（4）

利用高斯光束入射所调制产生的贝塞尔光束可实现纳米级分辨率的光学成像以及激光制造技术。

由上述内容可知，基于贝塞尔光学原理，利用锥形波前相位分布的多光束干涉可实现具有超分辨能力的光场调控技术，从而应用于光学显微成像或激光加工技术中。但同时由式(4)可观察到，由锥形波前相位分布干涉所产生贝塞尔光束的半高宽除了与入射光束波长有关外，还与光学系统的数值孔径(NA)值相关，而现有光学元件在空气中所能实现的最大数值孔径值为0.95，因此计算可得通过现有方式在空气环境中所能实现的光束最小半高宽为0.38倍的波长，对于常规紫外波段至红外波段的光束难以实现几十纳米量级的半高宽。

并且，光学元件的数值孔径和光学元件与样品之间的工作距离成反比。为了能够实现具有较小半高宽的贝塞尔光束，现有光学系统常采用具有较大数值孔径的聚焦物镜实现光束的干涉，从而导致现有贝塞尔光学系统的工作距离处于百微米量级，严重限制贝塞尔光束的使用范围以及相关系统的制造、成像效率。

因此，本发明提供一种超分辨光场调制方法以解决现有技术存在的缺陷。

如图1至图4所示，本发明提供一种超分辨光场调制方法，包括：

对具有高斯分布特性的激光光束进行前处理；

对前处理后的具有高斯分布特性的激光光束进行第一次空间能量分布调制，得到具有高斯型能量分布特性的环形能量分布光束；

将具有高斯型能量分布特性的环形能量分布光束进行第二次空间能量分布调制，得到能够实现环形光束聚焦的锥形波前相位分布光束，锥形波前相位分布光束在环形聚焦位置前能够实现光束内相互重叠干涉。

需要说明的是，具体实施过程中，可以采用激光器直接发射具有高斯分布特性的激光光束，也可以采用激光发射装置发射其它类型的激光，再经过光场调制得到具有高斯分布特性的激光光束。

本发明提供的超分辨光场调制方法，通过将前处理后的具有高斯型能量分布特性的激光光束依次进行第一次空间能量分布调制和第二次空间能量分布调制，得到实现环形光束聚焦的锥形波前相位分布光束，该锥形波前相位分布光束在自由空间中传播一定轴向距离后实现多光束叠加干涉（如图2和图3所示），在能够实现纳米级特征形貌分辨率的聚焦光场基础上，突破现有超分辨光学系统对于高NA值聚焦物镜的依赖，实现厘米级的超远场工作距离，大幅提升光学系统的远场光学分辨率以及相关纳米级光学制造的制造效率和制造精度。光束聚焦位置经重叠干涉后所获得光斑的横向归一化光强分布如图4所示，其光束中心光强的半高宽突破了现有光学系统所能实现的最小半高宽。

在本发明具体的实施例中，对前处理后的具有高斯分布特性的激光光束进行第一次空间能量分布调制，具体包括：

将前处理后的具有高斯分布特性的激光光束入射至第一光束调制模块，第一光束调制模块包括依次设置的第一锥透镜7和第二锥透镜8，第一锥透镜7和第二锥透镜8对入射光束的光矢量方向偏转角度相等，第一锥透镜7和第二锥透镜8之间的间距满足：

；

其中，为入射光束的半径，/>为第一锥透镜7出射光束光矢量方向与主光轴方向之间的夹角。

作为示例，当采用激光器作为具有高斯分布特性的激光光束的发生装置时，此时为具有高斯分布特性的激光光束的束腰半径。具体地，在本发明实施例中，第一锥透镜7和第二锥透镜8的底角相同，且第一锥透镜7和第二锥透镜8的圆锥面相对设置。激光光束通过第一锥透镜7和第二锥透镜8的调制作用，能够获得具有高斯型能量分布特性的环形能量分布准直光束，该环形能量分布光束依旧体现入射高斯光束能量分布特性，并且该环形能量分布光束为准直光束，拥有远距离传输时光强分布保持不变的特性，利用环形能量分布光斑区域内能量峰值位置的径向坐标较大的特点实现了厘米级的远场聚焦，提升远场聚焦精度。在一些实施例中，第一光束调制模块还可以包括能够实现相同光场能量分布及光束传输特性的光束调制系统。作为示例：包括但不限于反射式锥透镜光学系统、非球面透镜组、计算全息法光学系统、空间光调制器以及基于超表面的相位调制元件。

在本发明具体的实施例中，将具有高斯型能量分布特性的环形能量分布光束进行第二次空间能量分布调制，具体包括：

将具有高斯型能量分布特性的环形能量分布光束入射至第二光束调制模块，第二光束调制模块包括依次设置的第三锥透镜9和聚焦透镜10。

其中，第三锥透镜9和聚焦透镜10构成Axicon-Lens（锥透镜-聚焦透镜）光学系统，准直环形能量分布光束入射第二光束调制模块后获得光矢量方向与主光轴方向夹角不均匀的锥形波前相位分布光束。通过环形能量分布光斑区域内能量峰值位置的径向坐标较大的特点，在Axicon-Lens光学系统中实现了远场聚焦，经仿真与计算可证明该系统可实现厘米级的远场聚焦，提升远场聚焦精度。在一些实施例中，第二光束调制模块还可以包括能够实现相同光场能量分布及光束传输特性的光束调制系统。作为示例：包括但不限于非球面透镜组、计算全息法光学系统、空间光调制器以及基于超表面的相位调制元件。

在本发明实施例中，第三锥透镜9设置于聚焦透镜10的入光侧，第三锥透镜9与聚焦透镜10之间的间距满足：

；

其中，为入射光束的半径，/>为第三锥透镜9出射光束光矢量方向与主光轴方向之间的夹角。

通过形成轴向距离较小的Axicon-Lens光学系统，可在准直光束入射时实现光斑半径较小且光斑能量集中的聚焦干涉聚焦光场。并且由于在系统参数不变时，系统中光场聚焦位置与Axicon-Lens光学系统之间的距离恒定，以及得益于Axicon-Lens光学系统的轴向长度较小，因此可通过在系统工作过程中改变所组成的Axicon-Lens光学系统的轴向位置实现光场的动态聚焦功能。

在本发明具体的实施例中，对具有高斯分布特性的激光光束进行前处理，具体包括：

对具有高斯分布特性的激光光束依次进行准直处理、缩束处理和偏振态调节。

通过件具有高斯分布特性的激光光束进行准直处理、缩束处理和偏振态调节，能够使经激光发射装置1发出的具有高斯分布特性的激光光束的激光性能参数满足使用要求。前处理还可以调整具有高斯分布特性的激光光束的功率以及偏振态等参数，根据不同工况选取不同的前处理手段即可。

在本发明进一步的实施例中，对具有高斯分布特性的激光光束依次进行准直处理、缩束处理和偏振态调节，包括：

将具有高斯分布特性的激光光束依次入射至准直模块、第一缩束模块和偏振态调节模块，准直模块包括准直透镜2，第一缩束模块包括至少一个缩束透镜，偏振态调节模块包括依次同轴设置的第一半波片5和第二半波片6。能够将激光发射装置1出射的激光光束依次进行准直处理、缩束处理和偏振态调节，使其直径和偏振态参数满足后续的光场调制需求。需要说明的是，第一缩束模块可以仅采用一个缩束透镜，也可以采用多个缩束透镜，在采用多个缩束透镜的情况下，多个缩束透镜同轴设置。

本发明一些实施例提供超分辨光场调制方法还包括光斑形貌质量分析方法，光斑形貌质量分析方法，包括：

对经第一次空间能量分布调制得到的环形能量分布光束入射至光束质量分析装置；

对经第二次空间能量分布调制得到的锥形波前相位分布光束入射至光束质量分析装置。

通过设置光斑形貌质量分析方法，能够分别对第一次空间能量分布调制和第二次空间能量分布调制所获得的光斑能量分布进行检测，并以此进行反馈调节，以获得目标光场分布。

在本发明进一步实施例中，对经第一次空间能量分布调制得到的环形能量分布光束入射至光束质量分析装置，具体包括：

利用半透射半反射镜将部分经第一次空间能量分布调制得到的环形能量分布光束反射或透射至光束质量分析装置。

利用半透射半反射镜将部分经第一次空间能量分布调制得到的环形能量分布光束反射或透射至光束质量分析装置，余下的一半环形能量分布光束则可以透射或反射至其他光束处理模块，其结构简单，实用性强。

在本发明进一步实施例中，在环形能量分布光束入射至光束质量分析装置之前，利用第二缩束模块对所环形能量分布光束进行缩束处理，第二缩束模块包括至少一个缩束透镜。能够对进入光束质量分析装置的光束进行缩束处理，使其直径满足光束质量分析需求。需要说明的是，第二缩束模块可以仅采用一个缩束透镜，也可以采用多个缩束透镜，在采用多个缩束透镜的情况下，多个缩束透镜同轴设置。

在本发明具体的实施例中，对经第二次空间能量分布调制得到的锥形波前相位分布光束入射至光束质量分析装置，具体包括：

利用半透射半反射镜将部分经第二次空间能量分布调制得到的锥形波前相位分布光束反射或透射至光束质量分析装置。

同样地，利用半透射半反射镜将部分经第二次空间能量分布调制得到的锥形波前相位分布光束反射或透射至光束质量分析装置，余下的一半锥形波前相位分布光束则可以透射或反射至其他光束处理模块，其结构简单，实用性强。

下面对用于实施本发明提供的超分辨光场调制方法的远场超分辨光学系统进行具体说明，下文描述的远场超分辨光学系统可与上文描述的超分辨光场调制方法相互参照对应。

如图5所示，远场超分辨光学系统包括激光发射装置1、光束前处理模块、第一光束调制模块、第二光束调制模块、光斑形貌质量分析模块和精密运动模块。

具体地，激光发射装置1采用激光器，激光器可出射基模高斯光束，光斑能量分布为高斯型能量分布且具有较好的光斑质量。

光束前处理模块包括同轴设置的准直模块、缩束模块和偏振态调节模块，准直模块包括准直透镜2，缩束模块包括依次同轴设置的第一缩束透镜3和第二缩束透镜4，偏振态调节模块包括依次同轴设置的第一半波片5和第二半波片6。

如图6所示，第一光束调制模块包括依次同轴设置的第一锥透镜7和第二锥透镜8，第一锥透镜7和第二锥透镜8对入射光束的光矢量方向偏转角度相等，第一锥透镜7和第二锥透镜8之间的间距满足：

；

其中，为入射光束的半径，/>为第一锥透镜7出射光束光矢量方向与主光轴方向之间的夹角。

如图7所示，第二束调制模块包括依次同轴设置的第三锥透镜9和聚焦透镜10，第三锥透镜9设置于聚焦透镜10的入光侧，第三锥透镜9与聚焦透镜10之间的间距满足：

；

其中，为入射光束的半径，/>为第三锥透镜9出射光束光矢量方向与主光轴方向之间的夹角。

光斑形貌质量分析模块包括第一光束质量分析装置17、第二光束质量分析装置18、第一半透射半反射镜13、第二半透射半反射镜14和第二缩束模块，第二所述模块包括依次同轴设置的第三缩束透镜15和第四缩束透镜16。第一半透射半反射镜13设置于第一光束调制模块和第二束调制模块之间，第二半透射半反射镜14设置于聚焦透镜10的出光侧，第一光束质量分析装置17设置于第一半透射半反射镜13的反射光出射侧，第三缩束透镜15和第四缩束透镜16依次设置于第一半透射半反射镜13和第一光束质量分析装置17之间，第二光束质量分析装置18设置于第二半透射半反射镜14的反射光出射侧。

精密运动模块包括光学扫描装置11和运动台12，光学扫描装置11设置于第二半透射半反射镜14的透射光出光侧，运动台12设置于光学扫描装置11的出光侧。运动台12用于调节目标扫描平面与聚焦光斑之间的相对运动，光学扫描装置11的作用为通过改变光束的传播方向来实现光束在目标平面上相对位置的改变，作为示例，光学扫描装置11包括但不限于激光振镜系统和激光转镜系统等。具体地，在本发明实施例中，运动台12采用精密运动台12，能够调节设置于精密运动台12上的目标扫描平面与聚焦光斑之间的相对运动。通过在光束调制模块与聚焦平面之间设置光学扫描装置11，能够实现聚焦光斑在目标扫描平面上的大幅面快速扫描。

下面就远场超分辨光学系统实施超分辨光场调制方法的流程进行具体说明，请参照图5至图9。

如图5所示，激光发射装置1（激光器）发射激光，依次经准直透镜2、第一缩束透镜3、第二缩束透镜4、第一半波片5和第二半波片6进行前处理，得到直径和参数均满足需要的具有高斯型能量分布特性的激光光束，所获得的具有高斯型能量分布特性的激光光束的能量横向归一化分布如图8所示，具有高斯型能量分布特性的激光光束再入射至第一锥透镜7和第二锥透镜8进行第一次空间能量分布调制，得到具有高斯型能量分布特性的环形能量分布光束。具有高斯型能量分布特性的环形能量分布光束的一半经第一半透射半反射镜13透射至第三锥透镜9和聚焦透镜10进行第二次空间能量分布调制，得到能够实现环形光束聚焦的锥形波前相位分布光束，所获得的锥形波前相位分布光束的归一化横向光强分布如图9所示；另一半经第一半透射半反射镜13反射至第一光束质量分析装置17，用于分析第一光束调制模块出射光束的能量分布形式。经聚焦透镜10出射的光束一半经第二半透射半反射镜14透射至光学扫描装置11；另一半经第二半透射半反射镜14反射至第二光束质量分析装置18，用于分析第二光束调制模块出射光束的能量分布形式。

通过以上实施方式的描述可知，本发明提供的超分辨光场调制方法至少具备如下优点：

通过将具有高斯型能量分布特性的环形能量分布光束实现环形聚焦及锥形波前相位分布，利用贝塞尔光束调制原理中的光束内重叠干涉实现一种具有超分辨能力的聚焦光场。由于所提出光场实现方法是基于聚焦高斯光束的会聚球面波干涉形成，因此相比于现有贝塞尔光束能够实现更小聚焦光斑的中心主瓣半高宽，实现更小光学特征分辨率。并且基于高斯光束的传播特性，所述超分辨光场调制方法所需的具有高斯型能量分布特性的环形能量分布可通过具有更大环形光斑半径以及束腰半径的高斯型能量分布环形光斑在自由空间中长距离传输得到，因此相比于现有具有超分辨能力的贝塞尔光场，能够实现更长工作距离的超远场聚焦。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种超分辨光场调制方法，其特征在于，包括：

对激光光束进行前处理；

对前处理后的所述激光光束进行第一次空间能量分布调制，得到环形能量分布光束；

将所述环形能量分布光束进行第二次空间能量分布调制，得到能够实现环形光束聚焦的锥形波前相位分布光束，所述锥形波前相位分布光束在环形聚焦位置前能够实现光束内相互重叠干涉。

2.根据权利要求1所述的超分辨光场调制方法，其特征在于，所述对前处理后的所述激光光束进行第一次空间能量分布调制，包括：

将前处理后的所述激光光束入射至第一光束调制模块，所述第一光束调制模块包括依次设置的第一锥透镜和第二锥透镜，所述第一锥透镜和所述第二锥透镜对入射光束的光矢量方向偏转角度相等，所述第一锥透镜和所述第二锥透镜之间的间距满足：

；

其中，为入射光束的半径，/>为所述第一锥透镜出射光束光矢量方向与主光轴方向之间的夹角。

3.根据权利要求1所述的超分辨光场调制方法，其特征在于，所述将所述环形能量分布光束进行第二次空间能量分布调制，包括：

将所述环形能量分布光束入射至第二光束调制模块，所述第二光束调制模块包括依次设置的第三锥透镜和聚焦透镜。

4.根据权利要求3所述的超分辨光场调制方法，其特征在于，所述第三锥透镜设置于所述聚焦透镜的入光侧，所述第三锥透镜与所述聚焦透镜之间的间距满足：

；

其中，为入射光束的半径，/>锥透镜出射光束光矢量方向与主光轴方向之间的夹角。

5.根据权利要求1所述的超分辨光场调制方法，其特征在于，所述环形能量分布光束具有高斯型能量分部特性。

6.根据权利要求1所述的超分辨光场调制方法，其特征在于，所述对激光光束进行前处理，包括：

对所述激光光束依次进行准直处理、缩束处理和偏振态调节。

7.根据权利要求6所述的超分辨光场调制方法，其特征在于，所述对所述激光光束依次进行准直处理、缩束处理和偏振态调节，包括：

将所述激光光束依次入射至准直模块、第一缩束模块和偏振态调节模块，所述准直模块包括准直透镜，所述第一缩束模块包括至少一个缩束透镜，所述偏振态调节模块包括依次同轴设置的第一半波片和第二半波片。

8.根据权利要求1至7任一项所述的超分辨光场调制方法，其特征在于，还包括光斑形貌质量分析方法，所述光斑形貌质量分析方法，包括：

对经第一次空间能量分布调制得到的所述环形能量分布光束入射至光束质量分析装置；

对经第二次空间能量分布调制得到的所述锥形波前相位分布光束入射至光束质量分析装置。

9.根据权利要求8所述的超分辨光场调制方法，其特征在于，所述对经第一次空间能量分布调制得到的所述环形能量分布光束入射至光束质量分析装置，包括：

利用半透射半反射镜将部分经第一次空间能量分布调制得到的所述环形能量分布光束反射或透射至光束质量分析装置。

10.根据权利要求9所述的超分辨光场调制方法，其特征在于，在所述环形能量分布光束入射至所述光束质量分析装置之前，利用第二缩束模块对所环形能量分布光束进行缩束处理，所述第二缩束模块包括至少一个缩束透镜。

11.根据权利要求8所述的超分辨光场调制方法，其特征在于，所述对经第二次空间能量分布调制得到的所述锥形波前相位分布光束入射至光束质量分析装置，包括：

利用半透射半反射镜将部分经第二次空间能量分布调制得到的所述锥形波前相位分布光束反射或透射至光束质量分析装置。