专利名称：一种圆环形矢量光束聚焦系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光学技术领域，涉及一种光束聚焦系统，特别是一种圆环形矢量光束聚焦系 统。主要用于光刻技术、光学照明、光学显微技术、激光微加工、光学微操纵、光信息存储 等领域。
背景技术：
圆环形矢量光束是指光束横截面为圆环形并且偏振态呈现旋转轴对称特性的光束，由于 具有独特的聚焦特性，可广泛应用到光刻技术、光学照明、光学显微技术、激光微加工、光 学微操纵、光信息存储等领域。例如，圆环光束聚焦系统可应用于光学显微系统中实现超分 辨效应，因为一定的旋转矢量偏振光束经过聚焦后焦点比同一聚焦系统中线偏振光束聚焦的 焦点的横向光斑小。圆环形矢量光束产生和聚焦系统是研究和利用圆环形矢量光束的必备前 提条件，引起了广泛关注。现有技术中，有一种可调式矢量光束整形系统(参见中国发明专 利"可调式矢量光束整形系统"，专利号ZL200410052913.4)，该可调式矢量光束整形系统 可以产生一定的矢量光束，具有相当的优点，但是，仍然存在一些本质不足，主要为1)如 果利用现有技术产生旋转矢量偏振光束，所需要必备的条件是系统入射光束必须为旋转矢量 偏振光束的特殊形式，比如径向偏振光束或方位角偏振光束，然而，径向偏振光束和方位角 偏振光束的产生也属于旋转矢量偏振光束产生范畴，其本质决定无法实现非旋转矢量偏振光 束转化为旋转矢量偏振光束，本质上决定无法实现非相干入射光朿向旋转矢量偏振光束的转 化过程，对入射光束要求很高；2)无法实现出射光束与入射光束相对的光束横向扩束效应， 难于改变出射光束外形尺寸，限制了应用范围；3)无法实现圆环光形矢量光束，对聚焦光学 系统中聚焦物镜的高数值孔径区域使用效率低；4)不具备波前相位调节功能，无法利用波前 相位优化光束聚焦特性。
发明内容
为克服现有技术的上述不足，本发明公开了一种圆环形矢量光束聚焦系统。所提供的可 调式矢量圆环形光束整形装置，具有可实现非旋转矢量偏振光束向旋转矢量偏振光束的转化、 入射光束要求低、圆环形矢量光束聚焦、偏振态和光束横向尺寸易调节、波前相位可调控等
3特点。
本发明的基本构思光源出射光朿依次经过同对称光轴放置的入射扩束整形器、外反射 式圆锥面反射镜、圆柱筒形曲面偏振器、内反射式锥面反射镜、出射扩束整形器镜、两平行 放置的二分之一波片、空间光调制器和物镜；光束被外反射式圆锥面反射镜反射形成径向传 播光束，经过圆柱筒形曲面偏振器时光束偏振态被调节，而后经过内反射式锥面反射镜反射 后，形成矢量圆环形光束；通过调节两二分之一波片的波片光轴夹角可以调解旋转矢量偏振 光束偏振方向；空间光调制器控制器调控空间光调制器，改变波前相位分布。
一种圆环形矢量光束聚焦系统，其特征在于入射扩束整形器、外反射式圆锥面反射镜、 圆柱筒形曲面偏振器、内反射式锥面反射镜、出射扩束整形器、入射二分之一波片、出射二 分之一波片、空间光调制器和物镜同对称光轴依次设置在光源出射光束光路上；空间光调制 器控制器与空间光调制器相连接。
所述的外反射式圆锥面反射镜的反射锥面与内反射式圆锥面反射镜的反射锥面平行，并 且外反射式圆锥面反射镜的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜的反射锥面与对称光轴夹角范 围均为35° 55° 。
所述的圆柱筒形曲面偏振器的圆柱曲面与外反射式圆锥面反射镜反射形成的径向传播光 束垂直。
所述的入射二分之一波片和出射二分之-波片光学工作平面相平行，并且入射二分之一 波片和出射二分之一波片光学工作平面与对称光轴交角范围为8(T 90° 。
所述的入射扩束整形器为伽利略型扩束整形器或开普勒型扩束整形器的一种。 所述的外反射式圆锥面反射镜为外圆锥曲面镀反射膜的外反射式圆锥面反射镜或反射膜
构成的圆锥曲面外反射式反射镜的一种。
所述的圆柱筒形曲面偏振器为圆柱筒形偏振膜或圆柱曲面壳式偏振元件的一种。 所述的内反射式圆锥面反射镜为内圆锥曲面镀反射膜的内反射式圆锥面反射镜或反射膜
构成的圆锥曲面内反射式反射镜的一种。
所述的出射扩束整形器为伽利略型扩束整形器或开普勒型扩束整形器的一种。 所述的物镜为消色差物镜或复消色差物镜或平场消色差物镜或平场复消色差物镜的一种。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是-1) 本发明可以实现非旋转矢量偏振光束向矢量圆环形光束的转化，系统对入射光束的偏 振态无限制，对入射光束要求低，系统应用范围广；
2) 可以实现矢量圆环形光束聚焦，使用便利，系统结构简单、稳定性和可靠性高；
3) 可以调节矢量圆环形光束的偏振态分布和出射光束横向尺寸，调节方法简单便利。
4) 空间光调制器控制器调控空间光调制器，改变波前相位分布。
图l为本发明的结构示意图。
1、光源，2、入射扩朿整形器，3、外反射式圆锥面反射镜，4、圆柱筒形曲面偏振器，5、 内反射式锥面反射镜，6、出射扩束整形器，7、入射二分之一波片，8、出射二分之一波片， 9、空间光调制器，IO物镜，11、空间光调制器控制器，0A代表对称光轴，一表示光的传播 方向。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
一种圆环形矢量光束聚焦系统，其结构如图l所示。入射扩束整形器2、外反射式圆锥面 反射镜3、圆柱筒形曲面偏振器4、内反射式锥面反射镜5、出射扩束整形器6、入射二分之 一波片7、出射二分之一波片8、空间光调制器9和物镜10同对称光轴依次设置在光源1出 射光束光路上；空间光调制器控制器11与空间光调制器9相连接。
外反射式圆锥面反射镜3的反射锥面与内反射式圆锥面反射镜5的反射锥面平行，并且 外反射式圆锥面反射镜3的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜5的反射锥面与对称光轴夹角 范围均为35° 55° ;光束被外反射式圆锥面反射镜3反射，形成的径向传播光束与圆柱筒 形曲面偏振器4的圆柱曲面垂直；径向传播光束经过圆柱筒形曲面偏振器4后被内反射式圆 锥面反射镜5反射形成矢量圆环形光束；入射二分之一波片7和出射二分之一波片8光学工 作平面相平行，并且入射二分之一波片7和出射二分之一波片8的光学工作平面与对称光轴 交角范围为80。 90° 。光源l采用圆偏振激光光源，入射扩束整形器2为开普勒式扩束境， 外反射式圆锥面反射镜3为反射膜构成的圆锥曲面外反射式反射镜，内反射式圆锥面反射镜5 为反射膜构成的圆锥曲面内反射式反射镜，圆柱筒形曲面偏振器4为圆柱筒形偏振膜，出射
5扩束整形器6为伽利略型扩束镜，空间光调制器9采用液晶型可编程空间光调制器，物镜IO
采用尼康平场复消色差显微物镜。
本实施例工作过程为光源1出射光束经过入射扩束整形器2扩束整形后，沿对称光轴
0A射向外反射式圆锥面反射镜3;被外反射式圆锥面反射镜3反射后，由于外反射式圆锥面
反射镜3反射锥面与对称光轴0A成45度夹角，光束转化为径向传播光束；径向传播光束经
过圆柱筒形曲面偏振器4后光束偏振态发生改变，而后经过内反射式锥面反射镜5反射形成
矢量圆环形光束，由于外反射式圆锥面反射镜3的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜5的反
射锥面平行，矢量圆环形光束与对称光轴OA平行，沿对称光轴OA传播；经过出射扩束整形
器6后，再依次经过入射二分之一波片7、出射二分之一波片8和空间光调制器9和物镜10，
进行聚焦；调节入射二分之一波片7和出射二分之一波片8的波片光轴夹角，进而调节矢量
圆环形光束偏振态，外反射式圆锥面反射镜3和内反射式圆锥面反射镜5在对称光轴0,02上位
置的移动能够对聚焦前的矢量圆环形光束横向尺寸进行调节，以适应物镜io所需要的入射光
束尺寸。本实施例成功实现了圆环形矢量光束聚焦，具有入射光束要求低、圆环形矢量光束
聚焦、光束偏振态和横向尺寸调节便利、波前相位可调控等优点。
权利要求
1. 一种圆环形矢量光束聚焦系统，其特征在于入射扩束整形器、外反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形曲面偏振器、内反射式锥面反射镜、出射扩束整形器、入射二分之一波片、出射二分之一波片、空间光调制器和物镜同对称光轴依次设置在光源出射光束光路上；空间光调制器控制器与空间光调制器相连接。
2. 根据权利要求1所述的一种圆环形矢量光束聚焦系统，其特征在于外反射式圆锥面反射镜的反射锥面与内反射式圆锥面反射镜的反射锥面平行，并且外反射式圆锥面反射镜的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜的反射锥面与对称光轴夹角范围均为35。 55° 。
3. 根据权利要求i所述的一种圆环形矢量光束聚焦系统，其特征在于圆柱筒形曲面偏振器的圆柱曲面与外反射式圆锥面反射镜反射形成的径向传播光束垂直。
4. 根据权利要求1所述的一种圆环形矢量光束聚焦系统，其特征在于入射二分之一波片和出射二分之一波片光学工作平面相平行，并且入射二分之一波片和出射二分之一波片光学工作平面与对称光轴交角范围为80° 90° 。
5. 根据权利要求1所述的一种圆环形矢量光束聚焦系统，其特征在于所述的入射扩束整形器为伽利略型扩束整形器或开普勒型扩束整形器的一种。
6. 根据权利要求1所述的一种圆环形矢量光束聚焦系统，其特征在于所述的外反射式圆锥面反射镜为外圆锥曲面镀反射膜的外反射式圆锥面反射镜或反射膜构成的圆锥曲面外反射式反射镜的一种。
7. 根据权利要求1所述的一种圆环形矢量光束聚焦系统，其特征在于所述的圆柱筒形曲面偏振器为圆柱筒形偏振膜或圆柱曲面壳式偏振元件的一种。
8. 根据权利要求1所述的一种圆环形矢量光束聚焦系统，其特征在于所述的内反射式圆锥面反射镜为内圆锥曲面镀反射膜的内反射式圆锥面反射镜或反射膜构成的圆锥曲面内反射式反射镜的一种。
9. 根据权利要求1所述的一种圆环形矢量光束聚焦系统，其特征在于所述的出射扩束整形器为伽利略型扩束整形器或开普勒型扩束整形器的一种。
10. 根据权利要求1所述的一种圆环形矢量光束聚焦系统，其特征在于所述的物镜为消色差物镜或复消色差物镜或平场消色差物镜或平场复消色差物镜的一种。
全文摘要
一种圆环形矢量光束聚焦系统，其特征在于入射扩束整形器、外反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形曲面偏振器、内反射式锥面反射镜、出射扩束整形器、入射二分之一波片、出射二分之一波片、空间光调制器和物镜同对称光轴依次设置在光源出射光束光路上；空间光调制器控制器与空间光调制器相连接。外反射式圆锥面反射镜的反射锥面与内反射式圆锥面反射镜的反射锥面平行，并且外反射式圆锥面反射镜的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜的反射锥面与对称光轴夹角范围均为35°～55°。本发明具有入射光束要求低、矢量圆环形光束输出、光束偏振态和横向尺寸调节便利、波前相位可调控等优点。
文档编号G02B5/30GK101504490SQ200910047850
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月20日 优先权日2009年3月20日
发明者庄松林, 卓 李, 琦 王, 郭汉明, 高秀敏 申请人:上海理工大学