利用柱状矢量光束实现多焦点三维任意移动的装置及方法与流程

本发明涉及柱状矢量光束的紧聚焦特性调控，属于光场的焦场工程领域，特别是利用柱状矢量光束实现多焦点三维任意移动的装置及方法。

背景技术：

1986年，Ashkin等人研究发现利用高数值孔径聚焦单光束可无接触地操控微纳介质粒子，这种单光束光学捕获被称为光镊技术。光镊技术可操控各种微纳粒子，从原子、分子到细胞，并在诸如物理、化学、生物等领域均有广泛的应用价值。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纳粒子稳定地捕获在光强最强处，即光束的焦点位置。为了获得足够大的梯度力，能够将微纳粒子稳定地束缚在光场势阱中，光束需要经过高数值孔径透镜聚焦。当激光束经过高数值孔径透镜聚焦后，如果能使焦点移动就可以操控捕获的微纳粒子一起移动，实现对微纳粒子的实时动态操控。

近年来，柱状矢量光束引起了人们越来越多的关注。矢量光束是指同一时刻同一波阵面上不同位置具有不同偏振态分布的光场。矢量光束具有特定的偏振分布，其焦场具有特殊的光场分布。矢量光束的偏振态调控在光镊技术中也展现出了独特的优势。例如紧聚焦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；而紧聚焦角向偏振光能够捕获折射率比周围介质小的微纳气泡。

为了提高微纳粒子的捕获和操控效率，研究者们通过对入射光束的振幅、偏振态和相位进行调控从而达到调控焦场的目的。例如利用衍射光学元件对柱状矢量光束进行调控可以在焦场区域产生多个焦点[S.Yan,B.Yao,W.Zhao and M.Lei,“Generation of multiple spherical spots with a radially polarized beam in a 4Pi focusing system,”J.Opt.Soc.Am.A 27(9),2033–2037(2010).]；利用4Pi系统和相位板，实现了球形粒子在三维空间里的平移[Z.Li,S.Yan,B.Yao,M.Lei,B.Ma,P.Gao,D.Dan and R.Rupp,“Theoretical prediction of three-dimensional shifting of a spherical focal spot in a 4Pi focusing system,”J.Opt.14(5),055706(2012).]。然而，到目前为止，还没有文献报道能够实现对多焦点在三维空间里的任意移动。

设计利用柱状矢量光束实现多焦点三维任意移动的方法及装置，既能根据需要在焦场区域产生多焦点，也能实现多焦点在三维空间的任意移动。本发明在光镊、生物光学显微成像和光刻等技术中具有非常广阔的应用价值。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供利用柱状矢量光束实现多焦点三维任意移动的装置及方法，通过加载控制振幅信息和相位信息的全息图，改变焦点的个数和位置。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：利用柱状矢量光束实现多焦点三维任意移动的装置，其特征在于，包括依次排列的光源、透射式振幅型空间光调制器、透射式相位型空间光调制器、高数值孔径透镜；与透射式振幅型空间光调制器连接的振幅控制器、与透射式相位型空间光调制器连接的相位控制器；

所述光源向透射式振幅型空间光调制器发出柱状矢量光束，矢量光束依次垂直入射透射式振幅型空间光调制器、透射式相位型空间光调制器和高数值孔径透镜后，获得焦点；

所述透射式振幅型空间光调制器用于调控柱状矢量光束的振幅分布；所述透射式相位型空间光调制器用于调控柱状矢量光束的相位分布；所述高数值孔径透镜用于紧聚焦光束产生焦点；所述振幅控制器用于加载具有振幅信息的全息图；所述相位控制器，用于加载具有相位信息的全息图。

进一步的，通过调控柱状矢量光束的振幅信息和相位信息来调控焦点个数和每个焦点处在三维空间的位置。

进一步的，所述焦点的几何形状、偏振态分布和电场分布完全相同。

利用柱状矢量光束实现多焦点三维任意移动的装置的焦点移动方法，该方法包括以下步骤：

光源将产生的柱状矢量光束依次通过透射式振幅型空间光调制器和透射式相位型空间光调制器；振幅控制器在振幅型空间光调制器上投影全息图，所述全息图附带振幅信息，相位控制器在相位型空间光调制器上投影全息图，所述全息图附带相位信息。带有三维空间位置坐标的振幅信息和相位信息的柱状矢量光束经过高数值孔径透镜聚焦后获得多个焦点；

透射式振幅型空间光调制器上所加载的振幅信息表达式为：

透射式相位型空间光调制器上所加载的相位信息表达式为：

其中：

(ρ,φ)为极坐标系下的径向和角向坐标；

m为产生的焦点个数；

为第i个焦点的空间位移矢量；

为第j个焦点的空间位移矢量；

为波矢；

通过在透射式振幅型空间光调制器(2)上加载相应的全息图，控制柱状矢量光束的振幅信息，获得多个焦点；

通过在透射式相位型空间光调制器(3)上加载相应的全息图，控制柱状矢量光束的相位信息，获得平移的焦点。

有益效果：本发明依据现有技术在产生柱状矢量光束的基础上，通过对矢量光束进行振幅调制和相位调制，然后用高数值孔径透镜紧聚焦，能够在焦场区域获得多个焦点，并且每个焦点的几何形状、偏振态分布和电场分布完全相同。通过动态调控加载在振幅调制器和相位调制器的信息，可以在焦场区域任意移动每个焦点的位置，实时改变矢量光束的振幅信息和相位信息能够使得多个焦点在三维空间中按一定的轨迹运动。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。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明具体实施例一中透射式相位型空间光调制器上加载的全息图；

图3为本发明具体实施例一中得到的三维焦场分布图；

图4为本发明具体实施例二中透射式振幅型空间光调制器和相位型空间光调制器上加载的全息图；

图5为本发明具体实施例二中得到的三维焦场分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为利用柱状矢量光束实现多焦点三维任意移动的方法，包括光源1、透射式振幅型空间光调制器2、透射式相位型空间光调制器3、高数值孔径透镜4、振幅控制器5和相位控制器6。

根据现有技术产生柱状矢量光束，入射的柱状矢量光束1依次经过透射式振幅型空间光调制器2和相位型空间光调制器3。振幅控制器5在振幅型空间光调制器上投影全息图，所述全息图附带振幅信息，相位控制器6在相位型空间光调制器上投影全息图，所述全息图附带相位信息。带有特殊振幅和相位信息的柱状矢量光束经过高数值孔径透镜聚焦后获得多焦点。

通过实时改变光束的振幅信息和相位信息可得到在三维空间内按特定轨迹移动多焦点，获得实时变化的焦场分布。

本发明实际可实现两个功能：一是平移焦点，二是产生多个焦点。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

若仅仅平移焦点，只需要调控柱状矢量光束的相位信息，不需要调制其振幅信息。即只需要在透射式相位型空间光调制器3上加载相应的全息图。例如，将径向偏振光的焦点平移至三维空间位置为处，则加载在相位型空间光调制器上的全息图表达式为：

其相位分布如图2所示。焦点在三维空间里的分布如图3所示，径向偏振光的焦斑中心平移到了空间位置坐标为处，焦点在横截面的偏振分布为径向偏振分布，这说明焦点仅仅是中心位置发生了改变，焦点附近的电场分布没有发生任何改变。

实施例二：

以三个焦点为例，如果需要输入的径向偏振光在三维空间坐标为和处产生三个焦点，则加载在振幅型空间光调制器上的全息图表达式为：

加载在相位型空间光调制器上的全息图表达式为：

加载在矢量光束上的振幅和相位分布如图4所示。焦点在三维空间里的分布如图5所示，径向偏振光产生了三个焦点，并且每个焦点的中心位置分别为和该实施例不仅产生了多焦点，而且每个焦点的中心位置可调，实现了多焦点的三维任意移动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。如实时改变加载在矢量光束上的振幅和相位信息，可以动态地操控焦点的运动轨迹，进而将其运用在多个粒子的动态捕获和粒子输运等领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。