专利名称：一种柱偏振矢量光束紧聚焦光斑的产生方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及柱偏振矢量光束紧聚焦光斑阵列的产生方法，特别是一种动态实时的可任意旋转的柱偏振矢量光束紧聚焦光斑阵列的产生方法及装置。
背景技术：
激光光镊，是运用激光作为技术手段来俘获、操纵控制微小颗粒的一项技术，是一门新兴前沿学科，同样是结合物理、生物、医学的交叉学科。光镊因其对生物微粒的生命活动干扰极小，整个操控体系涉及的细胞生存环境几乎等同于“天然”环境，可以把生物微粒的生命活动变化完整保留并实现无菌、无损伤、实时动态操控，同时光镊技术使得生物医学分子或细胞的生命过程成为人为可控，可以对其生命活动中的任一环节进行人为调节，对其个体行为进行研究。我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》就明确指出基因和蛋白质的操作作为国家的前沿科技，同时对一些交叉学科和新兴学科也列入基础研究领域的重要方向。激光光镊的工作原理是利用光场强度空间变化形成的梯度力把微粒稳定地捕获在光强最强处，即光束的焦点位置，当激光束移动时就可以带动微粒一起运动，实现对微粒的精密操控。如果利用光子的轨道角动量和自旋角动量与被捕获微粒的传递，还可以实现对微粒的旋转。以单光束高斯光镊为例，当一束高度会聚的高斯光场作用于一个透明的微粒时，当微粒的折射率大于周围介质的折射率时，无论是在光的传播方向，还是在垂直于传播方向的平面内，光场强度变化形成的梯度力对会把粒子推向束腰处，形成三维光学势阱。所以要想将粒子稳定地束缚在光场势阱中，必须将激光束高度汇聚从而产生足够强的梯度力。这通常需要使用高数值孔径的显微物镜，把光束紧聚焦成波长量级的光斑来实现。近年来，柱偏振矢量光束引起了人们越来越多的关注。这种光束的光场分布和偏振态分布均关于光轴呈柱对称。其中，最特殊的两类就是径向偏振光和角向偏振光，这两类光束在横截面上的偏振态分别沿着径向和方向角方向分布。由于柱偏振矢量光束独特的偏振特性，这类光束通过高数值孔径透镜后具有非常独特的紧聚焦特性。例如，径向偏振光通 过高数值孔径紧聚焦后，会产生一个空心的圆对称的横向电场分量，以及一个比横向分量强得多且小得多的沿着光轴方向的高斯型纵向分量，从而得到一个非常小的紧聚焦光斑。角向偏振光通过高数值孔径透镜紧聚焦后，则只产生一个空心的圆对称的纯横向分量。这些独特的紧聚焦特性在激光光镊方面具有非常重要的应用价值。例如聚集后的径向偏振光比线偏振光拥有更大的梯度力，并且在光轴方向上不存在散射力；而聚集后的角向偏振光能够捕获折射率比周围介质小的微粒。对于研究柱偏振矢量光束通过高数值孔径透镜紧聚焦的文献非常多。研究者们通过对入射的柱偏振矢量光束进行调控从而达到调控紧聚焦后光斑的目的。调控主要振幅调控、位相调控以及相干性调控三种。主要采用在高数值孔径透镜前面插入光学元件来实现。具体的光学元件主要有环状光瞳、振幅滤波器、二元位相片以及旋转的毛玻璃片等。通过这些调控方式，能够对紧聚焦后的光斑形状进行整形调控，从而达到不同的应用需求，例如聚焦成更小的光斑以提供更大的梯度力，从而更稳定的捕获微粒；产生特殊形状的聚焦光斑，从而捕获不同类型的微粒。进一步的，研究者们还利用涡旋位相片，使得入射的柱偏振矢量光束带有轨道角动量，从而达到聚焦后的光斑能够稳定地旋转微粒的目的。但要注意到，利用这种方法旋转微粒，在需要调整旋转速度时，必须对光路做出较大的调整。
发明内容
本发明的目的是设计一种动态实时的可任意旋转的柱偏振矢量光束紧聚焦光斑阵列的产生方法及装置。为了实现上述目的，本申请提供的技术方案如下—种柱偏振矢量光束紧聚焦光斑的产生方法，将产生的柱偏振矢量光束依次通过第一半波片、第二半波片和显微物镜，获得聚焦光斑，旋转第二半波片控制所述聚焦光斑的旋转速度，定义极坐标系，所述柱偏振矢量光束的表达式为
权利要求
1.一种柱偏振矢量光束紧聚焦光斑的产生方法，其特征在于将产生的柱偏振矢量光束依次通过第一半波片、第二半波片和显微物镜，获得聚焦光斑，旋转第二半波片控制所述聚焦光斑的旋转速度，定义极坐标系，所述柱偏振矢量光束的表达式为
2.根据权利要求I所述的柱偏振矢量光束紧聚焦光斑的产生方法，其特征在于所述第一半波片和第二半波片为相同的半波片且共轴，所述第一半波片和第二半波片紧贴所述显微物镜放置。
3.根据权利要求I所述的柱偏振矢量光束紧聚焦光斑的产生方法，其特征在于所述柱偏振矢量光束的束腰半径为毫米量级。
4.根据权利要求I所述的柱偏振矢量光束紧聚焦光斑的产生方法，其特征在于所述显微物镜的焦距在厘米量级。
5.一种柱偏振矢量光束紧聚焦光斑的产生装置，其特征在于，包括 柱偏振矢量光束发生装置，定义极坐标系，所述柱偏振矢量光束的表达式为
6.根据权利要求5所述的柱偏振矢量光束紧聚焦光斑的产生装置，其特征在于所述第一半波片和第二半波片为相同的半波片且共轴，所述第一半波片和第二半波片紧贴所述显微物镜放置。
7.根据权利要求5所述的柱偏振矢量光束紧聚焦光斑的产生装置，其特征在于所述柱偏振矢量光束的束腰半径为毫米量级。
8.根据权利要求5所述的柱偏振矢量光束紧聚焦光斑的产生装置，其特征在于所述显微物镜的焦距在厘米量级。
全文摘要
本发明公开了一种可任意旋转的柱偏振矢量光束紧聚焦光斑阵列的产生方法及装置。依据现有技术在产生柱偏振矢量光束的基础上，通过让光束通过两个半波片的方法来旋转柱偏振矢量光束的偏振方向。最后再让该光束通过高数值孔径显微物镜进行紧聚焦，从而得到阵列式的聚焦光斑。通过旋转第二半波片，能够轻易地控制聚焦后的光斑阵列的旋转速度。本发明方法容易实现，装置结构简单，易于调整，制造成本低；装置稳定性好，不需要其他特殊的光学元件。
文档编号G02B27/28GK102967928SQ20121053524
公开日2013年3月13日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者董一鸣, 王飞, 刘显龙, 蔡阳健 申请人:苏州大学