CN117420677A - 一种焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统和方法，首先激光器发出激光束，经过扩束镜和线偏器，形成线偏振激光束，再经过反射镜反射到反射型相位空间光调制器进行相位调制，之后产生的部分相干光束经过薄透镜、小孔光阑组成的4f系统，得到准直并滤波之后的一级衍射光，再经过径向偏振转换器，将线偏光转换为径向偏振光，即部分相干光束，最后经过一个高数值的聚焦透镜进行聚焦，生成低相干超分辨率紧聚焦光针。本发明方案通过调整部分相干光的关联结构，生成焦深可控的具有高分辨率和优越深宽比的低相干纳米光针光源，可以显著减少或消除由光的干涉和散射引起的图像失真，从而显著提高图像的对比度、清晰度、质量。

Description

一种焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统和 方法

技术领域

本发明属于高分辨率光针领域，具体涉及一种焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统和方法。

背景技术

随着微纳米加工技术的不断进步，微纳米结构已在光学、电子学、生物化学等多个领域得到广泛应用。纳米器件的制造技术不仅要求具备纳米级的加工分辨率，还需要能够实现从平面到曲面、从二维到三维，以及从纳米到微米乃至宏观尺度的超限加工能力。高深宽比的复杂结构被视为提高器件功能密度的关键技术之一。这种高深比结构为微纳结构提供了更长的作用距离，从而优化了光子的操控效果。因此，高深宽比结构在光波导和光耦合应用中展现出卓越的性能。

在显微镜成像领域，高分辨率光针技术能够为研究者提供更为清晰、细致的图像，进而深入观察和分析微观结构及细胞组织的细节。这对于生物学、医学和材料科学的研究具有至关重要的意义。传统的显微镜成像方法往往受限于其有限的焦深，导致只有在特定焦平面上才能获得清晰图像。但高分辨率、长焦深、低相干度的成像技术能够显著扩展焦深范围，使得在更广泛的焦平面内都能获得清晰图像，这对于观察厚样本或获取三维结构信息至关重要。低相干度成像技术能够显著减少或消除光的干涉和散射，从而提高图像的对比度和清晰度。与传统的高相干度成像相比，低相干度成像能够有效降低背景噪声，使透明样本的观察更为清晰。此外，低相干度成像还有助于提升图像质量，减少光学伪影和噪声。尽管如此，目前仍然缺乏有效方法来生成具有可控焦深、低相干度和高分辨率的细长光针。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统和方法。

实现本发明目的的具体技术方案为：

一种焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统，包括激光器、扩束镜、线偏器、反射镜、空间光调制器、第一薄透镜、小孔光阑，第二薄透镜、径向偏振转化器、聚焦透镜；

所述激光器发射激光光束，并依次通过扩束镜、线偏器、反射镜、空间光调制器、第一薄透镜、小孔光阑，第二薄透镜、径向偏振转化器，最后通过聚焦透镜进行聚焦，从而在焦点处形成一个焦深可控的低相干度、高分辨率且具有长焦深的纳米光针；

通过调整光束关联的相干参数，从而实现该低相干超分辨率紧聚焦光针的焦场控制。

进一步的，所述激光光束为拉盖尔高斯光束。

进一步的，所述线偏器的透光轴设置为X轴，以保证激光光束在经过径向偏振转化器后形成径向偏振光。

进一步的，所述空间光调制器对激光光束进行相位调制，其调制的部分相干光场交叉谱密度矩阵为：

其中，r₁＝(x₁,y₁)r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，为输入空间光调制器的初始拉盖尔光强，w₀是光束束腰宽度，δ表示该部分相干函数中的关联结构的关联长度。

进一步的，所述小孔光阑的位置设置在空间光调制器输出的0级衍射光的范围内，从而滤除0级衍射光，所述聚焦透镜的孔径大于0.8。

进一步的，所述通过调整光束关联的相干参数控制低相干超分辨率紧聚焦光针的焦场的过程为：

通过调节激光光束的全局相干度来精确控制光场焦场光针的横向大小，随着全局相干度γ的降低，焦场光针半径不断降低，随着入射光束束腰半径ω₀的不断增大焦场光针半径不断降低。

本发明还提供一种焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成方法，包括以下步骤：

步骤1、激光器发出激光光束，并通过扩束镜使得该激光光束达到所需的光束束腰宽度；

步骤2、激光光束通过线偏器形成偏振激光束后，经过反射镜，将该偏振激光束反射到空间光调制器；

步骤3、空间光调制器对该偏振激光束进行相位调制，并将相位调制后的具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束输出，先后通过第一薄透镜、小孔光阑，第二薄透镜，进行准直滤波；

步骤4、准直滤波后的光束通过径向偏振转化器转化为径向偏振光；

步骤5、径向偏振光通过聚焦透镜进行聚焦，生成低相干超分辨率紧聚焦光针。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明方案最终生成的纳米光针即使在低相干光条件下，也能够实现比完全相干光更高的分辨率。更为值得注意的是，其焦深可以超过10倍的光波长，并且用户可以通过调节相干参数来精确控制焦深的大小。当应用于微纳加工领域时，这种技术能够更有效地制备高深宽比的微纳结构。而在显微成像领域，它可以显著减少或消除由光的干涉和散射引起的图像失真，从而显著提高图像的对比度、清晰度、质量，并减少光学伪影和噪声的影响；

(2)本发明方案能够生成焦深可控的具有高分辨率和优越深宽比的低相干纳米光针，是通过调整部分相干光的关联结构来实现；空间光调制器的应用使得可以灵活地调整光场的相位分布，进而精确控制聚焦光针的焦深，从而大大增强了系统的适应性和操作灵活性。

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统架构示意图。

图2为本发明的焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成方法流程示意图。

图3为本发明的实施例中的低相干超分辨率紧聚焦光针光强在焦平面xy方向光针示意图。

图4为本发明的实施例中的低相干超分辨率紧聚焦光针光强在焦平面纵方向光针示意图。

图5为本发明的实施例中的低相干超分辨率紧聚焦光针在焦平面xy方向光针大小和全局相干长度对应关系示意图。

图6为本发明的实施例中的低相干超分辨率紧聚焦光针焦深和全局相干长度对应关系示意图。

具体实施方式

一种焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统，包括激光器、扩束镜、线偏器、反射镜、空间光调制器、第一薄透镜、小孔光阑，第二薄透镜、径向偏振转化器、聚焦透镜；

所述激光器发射激光光束，并依次通过扩束镜、线偏器、反射镜、空间光调制器、第一薄透镜、小孔光阑，第二薄透镜、径向偏振转化器，最后通过聚焦透镜进行聚焦，从而在焦点处形成一个焦深可控的低相干度、高分辨率且具有长焦深的纳米光针；

其中，通过线偏器，光束被赋予了线性偏振特性，接下来，空间光调制器结合第一薄透镜、小孔光阑，第二薄透镜构成的4f滤波系统对光束的相位和振幅进行精确调节，从而得到一个特定设计的部分相干线性偏振光束；随后，径向偏振转化器将此线性偏振光转化为径向偏振光，此光束进一步通过高数值孔径显微物镜进行聚焦，从而在焦点处形成一个焦深可控的低相干度、高分辨率且具有长焦深的纳米光针；

通过调整光束关联的相干参数，从而实现该低相干超分辨率紧聚焦光针的焦场控制。

进一步的，所述激光光束为拉盖尔高斯光束。

进一步的，所述线偏器的透光轴设置为X轴，以保证激光光束在经过径向偏振转化器后形成径向偏振光。

进一步的，空间光调制器用于对光束进行相位调制，它的工作原理是通过模式展开，将光束划分为一组离散的模式，并在每个模式中添加不同的随机相位，从而形成一张全息图。为了确保所得到的模式互相无关，必须生成足够数量的带有随机相位的全息图。然而，根据具体应用需求，可以适当调整加载到空间光调制器上的全息图数量，利用光的固有相干性，可以抵消部分由于衍射引起的光束扩展，并调整光束的空间光强分布，从而实现不同模式间的非相干叠加。这一过程是通过将全息图以时间序列的方式加载到空间光调制器上，并进行时间统计平均来实现的。这样，可以近似得到连续的交叉谱密度函数结构，进而实现光束的精确整形。

具体来说，空间光调制器对激光光束进行相位调制，其调制的部分相干光场交叉谱密度矩阵为：

其中，r₁＝(x₁,y₁)r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，为输入空间光调制器的初始拉盖尔光强，w₀是光束束腰宽度，δ表示该部分相干函数中的关联结构的关联长度。

为了物理上可实现，CSD矩阵的元素必须以积分表示：

其中H_x和H_y是两个任意核函数；p(v)是非负的权重函数。

权重函数、核函数可以写成如下形式：

其中v表示衡量权重大小的随机变量。

由(2)可知，模式表示的本质是(光谱)空间部分相干场可以分解为完全相干但互不相关的基本模式的总和。因此，具有部分相干场的传播和光-物质相互作用问题,可以通过相干光学进行分析。

式(1)描述的光束经过一个光学系统后，其在透镜焦场附近的电场表达式可由Richards-Wolf积分表示：

其中f表示焦距，z表示据焦点的轴向距离，分别表示入射场函数的聚焦场的x、y分量的远场表示(即透镜表面的场)：

将E_incx＝H_x(r,v),E_incy＝H_y(r,v)带入式子(5)，(6)计算得到传播后的核函数向量H(r,v,z)，在获得焦点区域附近的模式向量后，紧密聚焦的部分相干向量场的互谱密度矩阵可以计算为：

所述小孔光阑的位置设置在空间光调制器输出的0级衍射光的范围内，从而滤除0级衍射光，同时所述聚焦透镜的孔径大于0.8，，以确保聚焦条件为紧聚焦。

所述通过调整光束关联的相干参数控制低相干超分辨率紧聚焦光针的焦场的过程为：

通过调节激光光束的全局相干度来精确控制光场焦场光针的横向大小，随着全局相干度γ的降低，焦场光针半径不断降低，随着入射光束束腰半径ω₀的不断增大焦场光针半径不断降低，通过精确调节光束的全局相干度参数γ，我们可以实现对焦场光针纵向形状的精确控制。随着全局相干度γ的逐渐降低，光针的纵向长度会相应地增加。与此同时，横向光针的半径也会逐渐减小。这种调控机制使得我们能够生成具有可控焦深、低相干性以及超分辨率特性的紧聚焦光针。

本发明还提供一种焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成方法，包括以下步骤：

步骤1、激光器发出激光光束，并通过扩束镜使得该激光光束达到所需的光束束腰宽度；

所述激光器发出的激光光束为拉盖尔高斯光束。

步骤2、激光光束通过线偏器形成偏振激光束后，经过反射镜，将该偏振激光束反射到空间光调制器；

步骤3、空间光调制器对该偏振激光束进行相位调制，并将相位调制后的具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束输出，先后通过第一薄透镜、小孔光阑，第二薄透镜，进行准直滤波；

其中，所述空间光调制器基于部分相干光场交叉谱密度矩阵对激光光束进行相位调制：

其中，r₁＝(x₁,y₁)r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，为输入空间光调制器的初始拉盖尔光强，w₀是光束束腰宽度，δ表示该部分相干函数中的关联结构的关联长度。

步骤4、准直滤波后的光束通过径向偏振转化器转化为径向偏振光；

步骤5、径向偏振光通过聚焦透镜进行聚焦，生成低相干超分辨率紧聚焦光针。

另外，通过调节激光光束的全局相干度控制光场焦场光针的横向大小，随着全局相干度γ的降低，焦场光针半径不断降低，随着入射光束束腰半径ω₀的不断增大焦场光针半径不断降低。

实施例

结合图1和图2，一种焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统，包括激光器7、扩束镜8、线偏器9、反射镜10、空间光调制器11、第一薄透镜12、小孔光阑13，第二薄透镜14、径向偏振转化器15、聚焦透镜16和CCD相机17；

首先激光器7发出的激光束，经过一个扩束镜8，再经过线偏器9，形成一束线偏振激光束，再经过一个反射镜10，使得光束反射到反射型相位空间光调制器11上，产生一束具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束；然后产生的部分相干光束经过第一薄透镜13，小孔光阑14，第二薄透镜15组成的4f系统，得到一束准直并滤波之后的一级衍射光，再经过一个径向偏振转换器16通过计算机控制液晶单元的排布，将线偏光转换为径向偏振光，此光束就是能够对目标进行成像的部分相干光束，其中此4f滤波系统也可以用一个光阑代替；产生的部分相干光束经过一个高数值聚焦透镜16进行聚焦，从而在焦点附近在CCD17上可以观察到低相干高分辨率纳米光针。

其中薄透镜13的焦距和薄透镜15焦距一样，150mm，薄透镜16焦距为3mm。

通过调整光束关联的相干参数，从而实现该低相干超分辨率紧聚焦光针的焦场控制。

进一步的，所述激光光束为拉盖尔高斯光束。

进一步的，所述线偏器9的透光轴设置为X轴，以保证激光光束在经过径向偏振转化器后形成径向偏振光。

进一步的，空间光调制器11用于对光束进行相位调制，它的工作原理是通过模式展开，将光束划分为一组离散的模式，并在每个模式中添加不同的随机相位，从而形成一张全息图。为了确保所得到的模式互相无关，必须生成足够数量的带有随机相位的全息图。然而，根据具体应用需求，可以适当调整加载到空间光调制器上11的全息图数量，利用光的固有相干性，可以抵消部分由于衍射引起的光束扩展，并调整光束的空间光强分布，从而实现不同模式间的非相干叠加。这一过程是通过将全息图以时间序列的方式加载到空间光调制器上，并进行时间统计平均来实现的。这样，可以近似得到连续的交叉谱密度函数结构，进而实现光束的精确整形。

具体来说，空间光调制器11对激光光束进行相位调制，其调制的部分相干光场交叉谱密度矩阵为：

其中，r₁＝(x₁,y₁)r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，为输入空间光调制器11的初始拉盖尔光强，w₀是光束束腰宽度，δ表示该部分相干函数中的关联结构的关联长度。

为了物理上可实现，CSD矩阵的元素必须以积分表示：

其中H_x和H_y是两个任意核函数；p(v)是非负的权重函数。

权重函数、核函数可以写成如下形式：

其中v表示衡量权重大小的随机变量。

由(2)可知，模式表示的本质是(光谱)空间部分相干场可以分解为完全相干但互不相关的基本模式的总和。因此，具有部分相干场的传播和光-物质相互作用问题,可以通过相干光学进行分析。

式(1)描述的光束经过一个光学系统后，其在透镜焦场附近的电场表达式可由Richards-Wolf积分表示：

其中f表示焦距，z表示据焦点的轴向距离，分别表示入射场函数的聚焦场的x、y分量的远场表示(即透镜表面的场)：

将E_incx＝H_x(r,v),E_incy＝H_y(r,v)带入式子(5)，(6)计算得到传播后的核函数向量H(r,v,z)，在获得焦点区域附近的模式向量后，紧密聚焦的部分相干向量场的互谱密度矩阵可以计算为：

所述小孔光阑的位置设置在空间光调制器输出的0级衍射光的范围内，从而滤除0级衍射光，同时所述聚焦透镜的孔径大于0.8，，以确保聚焦条件为紧聚焦。

所述通过调整光束关联的相干参数控制低相干超分辨率紧聚焦光针的焦场的过程为：

通过调节激光光束的全局相干度来精确控制光场焦场光针的横向大小，随着全局相干度γ的降低，焦场光针半径不断降低，随着入射光束束腰半径ω₀的不断增大焦场光针半径不断降低，通过精确调节光束的全局相干度参数γ，我们可以实现对焦场光针纵向形状的精确控制。随着全局相干度γ的逐渐降低，光针的纵向长度会相应地增加。与此同时，横向光针的半径也会逐渐减小。这种调控机制使得我们能够生成具有可控焦深、低相干性以及超分辨率特性的紧聚焦光针。

如图3所示，为本发明低相干高分辨率纳米光针光强在焦平面xy方向理论光强示意图。

如图4所示，为本发明低相干高分辨率纳米光针光强在焦平面纵方向理论光针示意图，参数选取：λ＝632.8nm，高数值孔径显微物镜焦距f＝3mm，ω＝3mm，γ＝0.15，对比两图发现焦平面光针具有低相干高分辨特性。

图5绘制了低相干高分辨率纳米光针光束在焦平面横向光针大小和全局相干度γ的对应关系，可以看出随着全局相干度的不断降低光针大小不断降低。

图6绘制了低相干高分辨率纳米光针光束在焦平面焦深和全局相干度γ的对应关系，可以看出随着全局相干度的不断降低光针的焦深不断拉长。

综上所述，本发明的方案可以实现对低相干高分辨率纳米光针光束在焦平面光针大小和焦深的灵活调控。

以上实施例显示和描述了本发明的基本原理、主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统，其特征在于，包括激光器、扩束镜、线偏器、反射镜、空间光调制器、第一薄透镜、小孔光阑，第二薄透镜、径向偏振转化器、聚焦透镜；

所述激光器发射激光光束，并依次通过扩束镜、线偏器、反射镜、空间光调制器、第一薄透镜、小孔光阑，第二薄透镜、径向偏振转化器，最后通过聚焦透镜进行聚焦，从而在焦点处形成一个焦深可控的低相干度、高分辨率且具有长焦深的纳米光针；

通过调整光束关联的相干参数，从而实现该低相干超分辨率紧聚焦光针的焦场控制。

2.根据权利要求1所述的焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统，其特征在于，所述激光光束为拉盖尔高斯光束。

3.根据权利要求1所述的焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统，其特征在于，所述线偏器的透光轴设置为X轴，以保证激光光束在经过径向偏振转化器后形成径向偏振光。

4.根据权利要求1所述的焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统，其特征在于，所述空间光调制器对激光光束进行相位调制，其调制的部分相干光场交叉谱密度矩阵为：

其中，r₁＝(x₁,y₁)r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，为输入空间光调制器的初始拉盖尔光强，w₀是光束束腰宽度，δ表示该部分相干函数中的关联结构的关联长度。

5.根据权利要求1所述的焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统，其特征在于，所述小孔光阑的位置设置在空间光调制器输出的0级衍射光的范围内，从而滤除0级衍射光，所述聚焦透镜的孔径大于0.8。

6.根据权利要求1所述的焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成系统，其特征在于，所述通过调整光束关联的相干参数控制低相干超分辨率紧聚焦光针的焦场的过程为：

通过调节激光光束的全局相干度来精确控制光场焦场光针的横向大小，随着全局相干度γ的降低，焦场光针半径不断降低，随着入射光束束腰半径ω₀的不断增大焦场光针半径不断降低。

7.一种焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、激光器发出激光光束，并通过扩束镜使得该激光光束达到所需的光束束腰宽度；

步骤2、激光光束通过线偏器形成偏振激光束后，经过反射镜，将该偏振激光束反射到空间光调制器；

步骤3、空间光调制器对该偏振激光束进行相位调制，并将相位调制后的具有特殊统计特性的部分相干线性偏振光束输出，先后通过第一薄透镜、小孔光阑，第二薄透镜，进行准直滤波；

步骤4、准直滤波后的光束通过径向偏振转化器转化为径向偏振光；

步骤5、径向偏振光通过聚焦透镜进行聚焦，生成低相干超分辨率紧聚焦光针。

8.根据权利要求7所述的焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成方法，其特征在于，所述空间光调制器基于部分相干光场交叉谱密度矩阵对激光光束进行相位调制：

其中，r₁＝(x₁,y₁)r₂＝(x₂,y₂)表示源平面上任意两点的位置矢量，为输入空间光调制器的初始拉盖尔光强，w₀是光束束腰宽度，δ表示该部分相干函数中的关联结构的关联长度。

9.根据权利要求7所述的焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成方法，其特征在于，激光器发出的激光光束为拉盖尔高斯光束。

10.根据权利要求7所述的焦深可控的低相干超分辨率紧聚焦光针光源生成方法，其特征在于，通过调节激光光束的全局相干度控制光场焦场光针的横向大小，随着全局相干度γ的降低，焦场光针半径不断降低，随着入射光束束腰半径ω₀的不断增大焦场光针半径不断降低。