基于变焦镜头的无衍射二维光学晶格周期调节系统的制作方法

本发明涉及一种无衍射二维光学晶格周期的快速连续调节系统，特别是针对于辅助基于空间光调制器的光场调控方法、多核光纤干涉法等产生无衍射二维光学晶格的常用系统。

背景技术：

光学晶格是多束激光交汇干涉产生的周期性势阱图案。早在1989年，贝尔实验室朱棣文等利用两束激光相向传播产生干涉驻波场，首次在实验中实现了一维光学晶格。随后，Grynberg等按一定规则布局多束激光的干涉，成功获得二维光学晶格和三维光学晶格，并且在理论上对于光学晶格的产生条件进行了归纳。然而，波长量级的周期使得光学晶格晶胞之间不易分辨，而且其晶胞形状在各个方向的限制也并不均匀，严重影响了该技术的应用可行性。EricBetzig教授在2005年基于理论设计，创造性地提出了稀疏晶格(SparseLattices)和组合晶格(CompositeLattices)两种新型结构，完成了光学晶格整体的高质量放大，突破了周期在波长量级的限制。此后，光学晶格与无衍射光束的结合，进一步增强了光学晶格周期调节的灵活性，使得其在超分辨显微、光子晶格光刻、微纳操控、面形测量等领域获得了广阔的应用空间。

光学晶格技术的发展离不开其周期调控能力的提升。光学晶格的周期即光场图案中每个晶胞单元之间的间距，该参数对扩展光学晶格应用具有重要影响。目前，光学晶格与无衍射光束结合可产生无衍射二维光学晶格，该种光学晶格的周期调节具有一定灵活性，且具备周期连续调节的理论基础。但是在无衍射二维光学晶格的周期调节过程中，往往需要对光路结构进行调整来满足理论条件，即调整光学元件位置或者替换光学元件。例如，利用基于空间光调制器的光场调控方法可产生无衍射二维光学晶格，若采用常规方法调节无衍射二维光学晶格周期，需更改光路系统中掩膜板尺寸，即替换掩膜板，或者更改位于掩膜板后的透镜焦距，即替换透镜同时为了对焦还要调整透镜位置。这种方法效率低下，每次更改无衍射二维光学晶格周期都要更改光路结构，且光路元件参数的不可连续变化会导致二维光学晶格周期的连续调节难以实现。因此，针对于该种现状，实现无衍射二维光学晶格周期的快速连续调节，可进一步增强对二维光学晶格周期的控制能力，方便其开拓应用领域。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以实现无衍射二维光学晶格周期快速连续调节的系统。技术方案如下：

一种基于变焦镜头的无衍射二维光学晶格周期调节系统，包括激光器、第一半波片、用于扩束的透镜组、分光棱镜、第二半波片、空间光调制器、第一透镜、掩膜版、反射镜、第二透镜、变焦镜头、第三透镜和探测器，激光从激光器出射，经过第一半波片调整偏振方向，透镜组的扩束，再经过分光棱镜与第二半波片到达空间光调制器，空间光调制器对其进行相位调制后返回分光棱镜并反射进入后面光路，通过第一透镜对光束傅里叶变换，在掩膜板处展现频域信息，掩膜板对频域信息滤波只保留基级信息，保留基级信息的光束经反射镜反射后，通过第二透镜在其后干涉形成无衍射二维光学点阵，之后再依次经过将变焦镜头与第三透镜，并在探测器上成像，其中，所述的变焦镜头，其后焦平面的位置在调焦时保持不变，变焦镜头与第三透镜之间的距离为变焦镜头的后焦距与第三透镜前焦距之和；通过对变焦镜头焦距的调节，实现扩束系统放大倍数的连续改变，从而能够实现无衍射二维光学晶格周期的快速连续调节。

优选地，变焦镜头的最大与最小焦距应根据周期调节需求而选定：如果需要对周期进行放大调节，则变焦镜头的最小焦距应小于第三透镜焦距；如果需要对周期进行缩小调节，则变焦镜头的最大焦距应大于第三透镜焦距。

本发明提出了一种含变焦镜头周期调节系统的光路设计方案，实现了无衍射二维光学晶格周期的快速连续调节，所设计的光路系统具有以下有益效果：

(1)对无衍维二维光学晶格周期的调节具有连续性，由于变焦镜头的焦距是可连续调节的，保障了该光路元件参数可以连续变化，方便实现无衍维二维光学晶格周期的连续调节效果。

(2)更为高效，不需对已经搭建好的光路结构做出更改，也不需对光路元件的结构位置进行更改，只需对变焦镜头的焦距在原位进行调节，便可完成无衍射二维光学晶格周期的快速更改，简单易行，提高了调整效率。

(3)含变焦镜头周期调节系统结构简单、易于安装，方便嵌入到各类可以产生无衍射二维光学晶格的系统之中，为系统提供快速连续调节无衍射二维光学晶格周期的能力。

(4)实现了无衍射二维光学晶格的高质量快速连续放大，可帮助该技术应对多种应用与测量情况。

附图说明

图1无衍射二维光学晶格的产生原理图

图2含变焦镜头周期调节系统结构示意图

图3变焦镜头的变焦示意图

图4含变焦镜头周期调节系统调节无衍射二维光学晶格的周期示意图

图5基于空间光调制器的光场调控方法增加含变焦镜头周期调节系统的光路示意图

图6利用含变焦镜头周期调节系统调节无衍射射二维光学晶格周期的效果图(a)未对镜头调焦时的图像(b)对镜头调焦后的图像，无衍射二维光学晶格周期变大

附图标记说明如下：构造的结构光源1、透镜2、探测器3、变焦镜头4、透镜5、激光器6、半波片7、透镜8、透镜9、透镜10、透镜11、分光棱镜12、半波片13、空间光调制器14、透镜15、掩膜板16、反射镜17。

具体实施方式

含变焦镜头周期调节系统可以实现无衍射二维光学晶格周期的快速连续调节，该方法的主要思路在于：无衍射二维光学晶格具备这样特征，二维光学晶格图案平行向前传播，图案不会出现发散或收缩。虽然无衍射光束不是平行光，但是在某些特定的情况下其具有与平行光类似的性质。例如常用平行光扩束系统(两个焦距不等透镜构成的透镜组)可以对平行光产生扩束效果，本发明研究发现其也可对无衍射二维光学晶格实现整体放大也就完成对无衍射二维光学晶格周期的调节。无衍射二维光学晶格的周期由其干涉平面波的波矢方向决定，平行光扩束系统可以对产生无衍射光学晶格的干涉平面波波矢方向进行调节，从而对其产生了类似于平行光束的放大效果。本发明基于此提出如图2所示结构，将平行光扩束系统中的前一透镜替换为变焦镜头，组成新的周期调节系统，通过变焦镜头焦距的快速可连续调节特性便可实现扩束系统放大倍数的快速连续改变，从而完成无衍射二维光学晶格周期的快速连续调节。

图1为无衍射二维光学晶格的产生原理图，将构造的结构光源1置于透镜2的前焦平面上，然后经过透镜2完成干涉，形成无衍射二维光学晶格。在图1中，影响无衍射二维光学晶格周期的因素有两个，一是结构光源1的结构参数，二是透镜2的焦距。利用这两个因素可以实现周期调节，但是较为繁琐。改变结构光源1的构造，不可避免要对光路结构进行更改，例如在基于空间光调制器的光场调控方法中要进行掩膜板形状与尺寸的更换，在多核光纤法也要对光纤的位置进行重新调整。更改透镜2的焦距意味着要更换不同焦距的透镜，此处的透镜2无法利用变焦镜头来代替，因为进入透镜2的光束并非平行光，且为了形成二维光学晶格，透镜2与光源1之间需保持一定距离。而更换不同焦距的透镜，实现重新对焦便要调整透镜的位置。在无衍射二维光学晶格周期调节过程中，如果要不断地对光路结构进行修改，会使得周期调节效率低下，并不方便。

图2为本发明提出的含变焦镜头周期调节系统，光束先经过变焦镜头4，再经过透镜5。普通的平行光扩束系统为两个焦距确定的透镜，其只可对无衍射二维光学晶格进行确定倍数的放大，而含变焦镜头周期调节系统则可放大倍数实现原位快速连续调节。变焦镜头调焦时如图3所示，变焦镜头由于常常和CCD等探测器配合使用，所以其像方焦距f是确定不变的，即像方焦平面的位置是确定的，在调焦过程中仅会使得图中光束汇聚角度α发生变化，这为变焦镜头在扩束系统中与后一透镜的配合提供了方便。变焦镜头与透镜的间距为变焦镜头4像方焦距与透镜5物方焦距之和，调焦时α的变化会引导产生无衍射二维光学晶格的干涉平面波波矢方向发生相应变化，从而使得无衍射二维光学晶格的周期发生改变，这是该系统可实现周期调节的关键所在。

含变焦镜头的扩束系统的使用方法如图4所示，将含变焦镜头周期调节系统直接放置于透镜2之后一定距离处。该距离不宜过短，因为短距离时光束还未完全干涉；也不宜过长，因为实际实验中产生的无衍射光束并非理想情况，无衍射距离是有限的，距离过长干涉图案会消散。该距离应在透镜2的像方焦距附近为宜。其中，透镜2之后已经产生了良好的无衍射二维光学晶格，利用其无衍射性，将含变焦镜头的周期系统嵌入其后，便可实现无衍射二维光学晶格周期的快速连续调节。

图5为增加含变焦镜头周期调节系统的基于空间光调制器的光场调控方法光路，激光从激光器6出射，经过半波片7调整偏振方向，透镜8/9/10/11进行两次扩束，再经过分光棱镜与半波片13到达空间光调制器14，空间光调制器对其进行相位调制后返回分光棱镜并反射进入后面光路，透镜15对光束傅里叶变换，在掩膜板16处展现频域信息，掩膜板16对频域信息滤波只保留基级信息，此处的基级信息就对等同与图1中构造的结构光源1。光束经反射镜17反射后，通过透镜2在其后干涉形成无衍射二维光学点阵。将变焦镜头4与透镜5嵌入系统之中，提供对无衍射二维光学点阵周期的快速连续调节能力，并在探测器3上完成成像。可见，含变焦镜头周期调节系统嵌入无衍射二维光学点阵的生成系统简单易行，具有较强的实用性。

图6为使用含变焦镜头周期调节系统对无衍射二维光学点阵周期调节的一实例数据，将含变焦镜头周期调节系统安装到系统之后，通过手动调节变焦镜头的焦距，便可完成无衍射二维光学晶格周期的调整。其中图6(a)所采集的点阵图案经图形处理计算周期为493.3微米，图6(b)的周期为565.0微米，通过调节变焦镜头实现了二维光学点阵的放大效果。