一种多焦点阵列光斑的发生装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种多焦点阵列光斑的发生装置及方法。
【背景技术】
[0002] 由于近几年纳米光学的快速发展，对紧聚焦光场中聚焦光斑的偏振方向的操控已 经成为一个新的研究方向。在很多的光学现象中对聚焦光的偏振控制非常重要。例如，不 同偏振方向的光可W选择性的与非线性材料进行相互作用，利用运种选择特性可W用纳米 尺度的金粒子棒来进行超高分辨率的光学成像。其次，偶极分子与光相互作用时的激发效 率与光的偏振方向有关，不同偏振方向的光将产生不同的激发强度，因此利用运种效应可 W用于高分辨率的巧光分子成像。除此之外，在高数值孔径物镜聚焦系统中对焦点偏振方 向的控制还提供了一种全新的偏振显微成像技术，运种偏振显微成像技术可广泛应用在多 维数据存储、偏振信息安全加密、非线性成像与基于表面等离子基元的光子器件等。
[0003] 目前，对焦点的偏振方向控制技术主要集中在高数值孔径物镜聚焦区域的一个 焦点上，还没有一种技术能够对多焦点阵列中的每个焦点的偏振方向和空间位置同时进 行任意控制。主要基于两个方面的原因：一方面，对于多焦点阵列光斑的产生，主要基于 液晶空间光调制器对物镜的后焦面上的光场分布进行相位调制的方法。但是，大多数的 调制相位主要基于迭代优化算法得出的，运种基于优化算法得出的相位缺少灵活性，很难 实现对多焦点阵列中的每个焦点的偏振方向进行调制和控制。另一方面，尽管可W通过 两个正交的光场成分的干设叠加，实现在多个衍射级次上的焦点的偏振方向调控【SCi. Rep. 3, 2281 (2013)】，但是运种方法具有复杂的结构，而且只对低数值孔径物镜焦点的偏振 具有调控作用。最近，通过角向偏振光束的聚焦可W实现多个焦点的偏振方向控制【化t. Lett. 39, 6771 (2014)】，但是此技术缺少灵活性，其聚焦的光斑阵列只限制在四个焦点上， 而且每个焦点的空间位置也不可调。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种可同时实现每个焦点的偏振方向可调与 空间位置可调的多焦点阵列光斑的发生装置及方法。 阳〇化]本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种多焦点阵列光斑的发生方法，包 括W下步骤：
[0006] 步骤S1.发出任意偏振的激光光束； 阳007] 步骤S2.将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；
[0008] 步骤S3.将线偏振的激光光束进行准直扩束；
[0009] 步骤S4.将准直扩束后的线偏振激光光束进行相位调制；
[0010] 步骤S5.将相位调制后的线偏振光转换为角向偏振的激光光束；
[0011] 步骤S6.聚焦角向偏振激光光束，在聚焦区域将产生多个焦点的阵列光斑，且每 个焦点的偏振方向和空间位置是任意可调的。
[0012] 进一步，所述步骤S4的激光光束相位调制对应产生聚焦区域后焦面上的纯相位 调制。
[0013] 进一步，所述步骤S4的激光光束相位调制对应产生多个焦点在聚焦区域上纯相 位调制的发生方法，包括W下步骤：
[0014] 步骤S41.将聚焦区域的后焦面对应的入射光瞳平均分为N个面积相同的扇形： Ai、Az......Awi、Aw，其中每个扇形区域的顶点为入射光瞳的中心扇形的半径为入射光瞳半径 R，每个扇形的圆屯、角为Aq)=27i/N，其中N为偶数；
[0015] 步骤S42.确定阵列光斑的数目M，再将每个扇形区域进一步分为M个面积相等的 子扇形区域：Si、S2……Sm1、Sm，其中每个子扇形区域的顶点还是入射光瞳的中屯、，每个子扇 形区域的半径为入射光瞳半径R，且每个子扇形区域对应的圆屯、角为S(p=A(p/M;
[0016] 步骤S43.将NXM个子扇形依次对应填入相应焦点位置的相位分布徊，其中，m= 1，2，……M，获得调制产生M个焦点的空间位置可调的相位分布1^; 阳017] 步骤S44.确定每个焦点的线偏振方向，设焦点的线偏振方向与X轴的夹角为0， 则M个焦点具有M个偏振方向，设其与X轴的夹角分别为Pm= 01、02……Pm;将半径为R的圆形入射光瞳沿直径方向分为对称的两个半圆部分，其中一个半圆里的相位为0,另一 个半圆里的相位为n;旋转对称直径的方向，使其与X轴方向夹角分别为Pm，将获得M个 沿不同对称方向的（0,n)调制的相位分布； 阳01引步骤S45.将M个不同对称方向的（0, 31)调制的相位分布对应填入在NXM个子 扇形区域，获得用于调制产生每个焦点的偏振方向可调的相位分布ih;
[0019] 步骤546.将两种相位分布1^和2叠加，获得纯相位调制1+11>2，此纯相 位调制在聚焦区域的后焦面，将会获得M个多焦点阵列光斑，且每个焦点的偏振方向和空 间位置是任意可调的。
[0020] 进一步，所述步骤S43中的相位值巧m由下式确定；
[0021]
阳02引其中，m:表示第m个聚焦光斑；
[0023] A:是表示从激光器出射的激光波长；
[0024]NA:是表示物镜的数值孔径；
[00巧]R:是表示物镜的入射光瞳的半径； 阳0%] rit:表示物质的折射率；
[0027]AXm:表示第m个聚焦光斑在X方向上偏移中屯、位置的位移量；
[0028]AYm:表不第m个聚焦光斑在y方向上偏移中屯、位置的位移量。
[0029] 进一步，所述步骤S44中焦点的偏振方向与X轴的夹角P取值范围为[02 31 ]。
[0030] 进一步，所述步骤6中多个焦点的阵列光斑的数量可调。
[0031] 进一步，所述步骤6中每个焦点的偏振方向可调为线偏振方向，且每个焦点在聚 焦区域上的线偏振方向是任意可调。
[0032] 本发明的有益效果是：通过对经相位调制的角向偏振的激光光束聚焦后，在聚焦 区域将产生多个焦点的阵列光斑，且每个焦点的偏振方向和空间位置是任意可调的；运种 偏振方向和空间位置可调的多焦点阵列光斑，可W广泛应用在并行激光微纳米加工、并行 激光微粒子操控与捕获、多维光学数据存储与超分辨偏振光学显微成像等领域。
[0033] 本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种多焦点阵列光斑的发生装 置，包括光源发射装置、偏振片、扩束及波面整形器、空间光调制器、偏振转换器和物镜，所 述光源发射装置、偏振片、扩束及波面整形器、空间光调制器、偏振转换器和物镜依次同轴 线并列；
[0034] 所述光源发射装置，用于发出任意偏振的激光光束；
[0035] 所述偏振片，用于将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；
[0036] 所述扩束及波面整形器，用于将线偏振的激光光束进行准直扩束；
[0037] 所述空间光调制器，用于将准直扩束后的线偏振激光光束进行相位调制；
[0038] 所述偏振转换器，用于将相位调制后的线偏振激光光束转换为角向偏振的激光光 束；
[0039] 所述物镜，用于聚焦角向偏振激光光束，在聚焦区域将产生多个焦点的阵列光斑， 且每个焦点的偏振方向和空间位置是任意可调的。
[0040] 优选的，所述空间光调制器对激光光束相位调制使所述物镜对应的聚焦区域后焦 面上产生纯相位调制。
[0041] 优选的，所述物镜中每个焦点的偏振方向可调为线偏振方向，且每个焦点在聚焦 区域上的线偏振方向是任意可调。
[0042] 本发明的有益效果是：通过光源发射装置、偏振片、扩束及波面整形器、空间光调 制器、偏振转换器和物镜的协调运作，叠加调制空间位移变化的多焦点相位和调制偏振方 向的相位，最终得到结合两种调制的纯相位分布，进而调制物镜的后焦面的光场分布后，在 紧聚焦区域得到多个焦点阵列，且每个焦点的空间位置和偏振方向可W任意调节。
【附图说明】
[0043] 图1为本发明一种偏振方向和空间位置可调多焦点阵列光斑发生方法的方法流 程图；
[0044] 图2为本发明一种多焦点阵列光斑的发生装置模块框图；
[0045] 图3为本发明所述扇形相位分区调制产生步骤中第一次分区示意图；
[0046] 图4为本发明所述扇形相位分区调制产生步骤中第二次分区示意图；
[0047] 图5是本发明所述的M= 5个阵列光斑时，填入位置参数的相位分布图； W48] 图6是本发明所述的M= 5个阵列光斑时，填入偏振参数的相位分布图； W例图7是本发明所述的M= 5个阵列光斑两种相位叠加后的分布图；
[0050] 图8是本发明所述的M= 5个阵列光斑的强度分布图；
[0051] 图9是本发明所述的M= 5个阵列光斑的偏振分布图；
[0052] 图10是本发明所述的M= 7个阵列光斑的两种相位叠加后的分布图；
[0053] 图11是本发明所述的M= 7个阵列光斑的强度分布图；
[0054] 图12是本发明所述的M= 7个阵列光斑的偏振分布图。 阳化5] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0056] 1、光源发射装置，2、偏振片，3、扩束及波面整形器，4、空间光调制器，5、偏振转换 器，6、物镜。
【具体实施方式】
[0057] W下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并 非用于限定本发明的范围。
[005引如图1所示，一种多焦点阵列光斑的发生方法，包括W下步骤： 阳059] 步骤S1.发出任意偏振的激光光束；
[0060] 步骤S2.将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；
[0061] 步骤S3