一种利用涡旋光束实现光束紧聚焦的方法
【专利摘要】一种利用涡旋光束实现光束紧聚焦的方法，本发明涉及光束紧聚焦的方法。本发明是要解决现有技术中光学系统孔径受到设备体积的限制，无法获得优于瑞利衍射极限的聚焦效果的问题，而提出的一种利用涡旋光束实现光束紧聚焦的方法。该方法是通过一、使用方位偏振光入射到螺旋相位板；二、利用螺旋相位板对方位偏振光的相位按角向方位在0～2π的区间内进行线性调制，从而完成空间相位编码形成涡旋光束；三、令已知相位编码的涡旋光束通过高数值孔径聚焦透镜，形成优于瑞利衍射极限的聚焦光斑等步骤实现的。本发明适用于光束紧聚焦领域和超分辨成像领域。
【专利说明】
一种利用涡旋光束实现光束紧聚焦的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及利用涡旋光束实现光束紧聚焦的方法。
【背景技术】
[0002] 光束紧聚焦在光学数据存储、平板印刷及超分辨成像等方面具有极高的应用价 值。而目前的光学聚焦的方法受到经典衍射极限的限制。在此限制下，光束聚焦后的光斑大 小有一个最小值，半径为〇.6U 2/D。其中λ为光波长，D为光学系统数值孔径。从公式可以看 出，要想得到更小的光斑需要增大数值孔径或者减小波长。在实际应用中，数值孔径和波长 都是有限的，不能无限的增加数值孔径或减小波长，如何在数值孔径与波长一定的条件下 获得更小的光斑成为了亟待解决的问题。因此需要找到一种在竖直孔径与波长一定的条件 下，突破衍射极限，实现更小光斑聚焦的方法。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是为了解决现有技术聚焦光斑的大小受到数值孔径和光波长限制 无法获得优于瑞利衍射极限的聚焦效果的问题，而提出的一种利用涡旋光束实现光束紧聚 焦的方法。
[0004] 上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
[0005] 所述利用涡旋光束实现光束紧聚焦的装置具体包括方位偏振光片、0~2π的螺旋 相位板和高数值口径聚焦透镜。
[0006] 步骤一、令方位偏振光入射到螺旋相位板；
[0007] 步骤二、利用螺旋相位板对方位偏振光的相位按角向方位在0~2JI的区间内进行 线性调制，从而完成空间相位编码形成涡旋光束；
[0008] 步骤三、令已知相位编码的涡旋光束通过孔径聚焦透镜，形成优于瑞利衍射极限 的聚焦光斑；
[0009] 所述将涡旋光束入射到孔径聚焦透镜上的电矢量分布有：
[0010]
[0011]其中，Θ为光束与光轴之间的夹角;Α2为包含透镜的特征信息的函数;k是波矢，η为 折射率#为极角坐标;r2为经过透镜后的光束径向坐标;瑪为经过透镜后的光束极角坐标； Z2为传播方向的坐标：
；NA为透镜数值孔径;η为透镜折射率;Ai为光束振幅 项；i为虚部单位；以光轴为z轴，任意两个方向为X和y轴建立坐标系;px，py，pz分别是x、y和z 轴三个方向上的偏振基矢量;孔径聚焦透镜NA>1;
[0012] 将式(2)的积分化简得到：
[0013]
[0014] 式中，％为光束相位，
[0015] Vi = Jm-i(krsin9)+Jm+l (krsinB)
[0016] V2 = Jm-i(krsin9)-Jm+l (krsinB)
[0017] Ω为第一个是立体角，
[0018] Jm+1为m+1阶贝塞尔高斯函数
[0019] m为涡旋光的拓扑数；
[0020] A为积分常数；
[0021] r为径向坐标。
[0022]发明效果
[0023]本发明涉及超分辨成像技术领域，特别是涉及一种利用涡旋光束实现光束紧聚焦 的方法。可以获得突破经典衍射极限的聚焦光斑。本发明公开了一种利用涡旋光束实现光 束超分辨紧聚焦的方法，属于高分辨成像技术领域。它解决了对光束聚焦过程中，光斑聚焦 大小受到经典衍射极限的限制问题。本发明中令特殊偏振光通过螺旋相位板产生涡旋光 束，之后经过大数值孔径的聚焦透镜实现聚焦。涡旋相位调制的聚焦光斑比未经过相位调 制的相比面积缩小近一半，突破了经典衍射极限。本发明提出一种基于涡旋光束实现光束 紧聚焦的方法，可以获得突破经典衍射极限的聚焦光斑。通过光束紧聚焦可以实现对目标 的超分辨成像。本发明通过利用螺旋相位板对入射光进行相位编码，之后用高数值孔径透 镜聚焦，与现有技术相比，本发明可突破经典衍射极限，实现对光束更小聚焦见说明书附图 2〇
【附图说明】
[0024] 图1为【具体实施方式】一提出放入光束超分辨紧聚焦原理图；其中，（1)为方位偏振 光片、（2)为0-2JI的螺旋相位板、（3)高数值口径聚焦透镜
[0025] 图2为【具体实施方式】一提出的不同偏振光聚焦光斑大小示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0026] 一:本实施方式的一种利用涡旋光束实现光束紧聚焦的方法，具体 是按照以下步骤制备的：
[0027] 所述利用涡旋光束实现光束紧聚焦的装置具体包括方位偏振光片、0-2π的螺旋相 位板(VPP-lc)和高数值口径聚焦透镜如图1(GCL-010213);
[0028] 步骤一、令方位偏振光入射到螺旋相位板；
[0029] 步骤二、利用螺旋相位板对方位偏振光的相位按角向方位在0~2JI的区间内进行 线性调制，从而完成空间相位编码形成涡旋光束；
[0030] 步骤三、令已知相位编码的涡旋光束通过孔径聚焦透镜，形成优于瑞利衍射极限 的聚焦光斑；
[0031] 总体思路是偏振光与相位编码的光通过透镜后与其他光相比实现更小光斑聚焦， 达到的效果是光斑更小(突破衍射极限）
[0032] 所述将涡旋光束入射到孔径聚焦透镜上的电矢量分布有：
[0033]
[0034] 其中，Θ为光束与光轴之间的夹角;A2为包含透镜的特征信息的函数;k是波矢，η为 折射率#为极角坐标; r2为经过透镜后的光束径向坐标;钓为经过透镜后的光束极角坐标； Z2为传播方向的坐标
NA为透镜数值孔径;η为透镜折射率;Ai为光束振幅 项；i为虚部单位；以光轴为z轴，任意两个方向为X和y轴建立坐标系;px，py，pz反应了光束的 偏振特性，px，Py，pz分别是xyz三个方向上的偏振基矢量;孔径聚焦透镜NA>1;
[0035] 将式(2)的积分化简得到：
[0036]
[0044] A为积分常数；
[0045] r为径向坐标；
[0046] 实验中可通过调节空间光调制器使得涡旋光的拓扑数m=l，进而使得％、％中的贝 塞尔函数变为零阶，有：
[0047] Vi = J〇(krsin0)+J2(krsin0) ^ J〇(krsin0)
[0048] V2 = Jo(krsin0)-j2(krsin0) ^ J〇(krsin0)
[0049] 这样涡旋光使得贝塞尔函数变为0阶，0阶贝塞尔函数的特性是比起其他阶的函数 有更好的聚焦效果，使光强集中在中心(紧聚焦），而其他阶的函数是空心的，光强分散在周 围
[0050] 对上述方法进行实验研究，实验中分别采用线偏振、圆偏振、径向偏振和方位偏振 为入射光;其中方位偏振光用经过螺旋相位板进行相位编码;实验结果涡旋光束的光斑大 小为〇. 147λ2，径向偏振光为〇. 17λ2，圆偏振光〇. 229λ2，线偏振光为〇. 26λ2;而衍射极限光斑 大小为0.36λ2，结果表明涡旋光束可有效的减小聚焦光斑的大小，突破衍射极限，与其他偏 振光相比有更好的聚焦效果。
[0051 ]本实施方式效果：
[0052]本实施方式涉及超分辨成像技术领域，特别是涉及一种利用涡旋光束实现光束紧 聚焦的方法。可以获得突破经典衍射极限的聚焦光斑。本实施方式公开了一种利用涡旋光 束实现光束超分辨紧聚焦的方法，属于高分辨成像技术领域。它解决了对光束聚焦过程中， 光斑聚焦大小受到经典衍射极限的限制问题。本实施方式中令特殊偏振光通过螺旋相位板 产生涡旋光束，之后经过大数值孔径的聚焦透镜实现聚焦。优于瑞利衍射极限的聚焦光斑 比未经过相位调制的相比面积缩小近一半，突破了经典衍射极限。本实施方式提出一种基 于涡旋光束实现光束紧聚焦的方法，可以获得突破经典衍射极限的聚焦光斑。通过光束紧 聚焦可以实现对目标的超分辨成像。本实施方式通过利用螺旋相位板对入射光进行相位编 码，之后用高数值孔径透镜聚焦，与现有技术相比，本实施方式可突破经典衍射极限，实现 对光束更小聚焦见说明书附图2。
[0053]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤二中利用螺旋相 位板对方位偏振光的相位按角向方位在的区间内进行线性调制。其它步骤及参数 .) J 与【具体实施方式】一相同。
[0054]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是：步骤二中所述相 位编码形成涡旋光束的具体过程为：
[0055] 入射的方位偏振光的电矢量为g，瓦经过螺旋相位板之后电矢量;g1为：
[0056]
[0057] 式中：a(f#)为方位角坐标函数;e是指数函数；
[0058] 由上式可知光束横截面上的相位分布随着径向角度而变化，具有涡旋特性;使得 方位偏振光变为涡旋光束。其它步骤及参数与【具体实施方式】一或二相同。
[0059]【具体实施方式】四：本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同的是：步骤三中八工 为光束的振幅项，则：
[0060]
[0061]其中，β〇为透镜半径与束腰半径之比;Ji为一阶贝塞尔函数。其它步骤及参数与具 体实施方式一至三之一相同。
[0062]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同的是：步骤三中A2 包含透镜结构信特征，则：
[0065] 其中，V( ·)为由透镜弯曲的退偏振产生(透镜的属性)的函数矩阵。其它步骤及参 数与【具体实施方式】一至四之一相同。
[0063]
[0064]
【主权项】
1. 一种利用满旋光束实现光束紧聚焦的方法，其特征在于，所述利用满旋光束实现光 束紧聚焦的装置具体包括方位偏振光片、0~如的螺旋相位板和高数值口径聚焦透镜，该方 法具体是按照W下步骤进行的： 步骤一、令方位偏振光入射到螺旋相位板； 步骤二、利用螺旋相位板对方位偏振光的相位按角向方位在0~231的区间内进行线性 调制，从而完成空间相位编码形成满旋光束； 步骤Ξ、令已知相位编码的满旋光束通过孔径聚焦透镜，形成优于瑞利衍射极限的聚 焦光斑； 所述将满旋光束入射到孔径聚焦透镜上的电矢量分布有：其中，Θ为光束与光轴之间的夹角;A2为包含透镜的特征信息的函数;k是波矢，η为折射 率;0为极角坐标;η为经过透镜后的光束径向坐标；&为经过透镜后的光束极角坐标;Ζ2为 传播方向的坐标ΝΑ为透镜数值孔径;η为透镜折射率;Ai为光束振幅项；i 为虚部单位；W光轴为Z轴，任意两个方向为X和y轴建立坐标系;Px，py，piz分别是x、y和Z轴Ξ 个方向上的偏振基矢量;孔径聚焦透镜NA〉1; 将式(2)的积分化简得到：式中，?V为光束相位， Vi = Jm_i(krsin 白）+Jm+i(krsin9) V2 = Jm_i(krsin 白）一Jm+1 (krsin 白） Vi和V2为中间变量； Ω为第一个是立体角； 功m+1阶贝塞尔高斯函数； m为满旋光的拓扑数； A为积分常数； r为径向坐标。2. 根据权利要求1所述一种利用满旋光束实现光束紧聚焦的方法，其特征在于:步骤二 中利用螺旋相位板对方位偏振光的相位按角向方位在^;7'~^/2^勺区间内进行线性调制。 ·， J3. 根据权利要求1所述一种利用满旋光束实现光束紧聚焦的方法，其特征在于:步骤二 中所述相位编码形成满旋光束的具体过程为： 入射的方位偏振光的电矢量为/,>，A经过螺旋相位板之后电矢量/:'为：式中：α(/-'，的为方位角坐标函数;e是指数函数。4. 根据权利要求3所述一种利用满旋光束实现光束紧聚焦的方法，其特征在于:步骤Ξ 中Ai为光束的振幅项，则：其中，抗为透镜半径与束腰半径之比;Ji为一阶贝塞尔函数。5. 根据权利要求1或2所述一种利用满旋光束实现光束紧聚焦的方法，其特征在于：步 骤Ξ中Ai为光束的振幅项，则：其中，抗为透镜半径与束腰半径之比;Ji为一阶贝塞尔函数。6. 根据权利要求5所述一种利用满旋光束实现光束紧聚焦的方法，其特征在于:步骤Ξ 中A2包含透镜结构信特征，则：其中，V( ·)为由透镜弯曲的退偏振产生函数矩阵。7. 根据权利要求1、2或4所述一种利用满旋光束实现光束紧聚焦的方法，其特征在于： 步骤Ξ中A2包含透镜结构信特征，则：其中，V( ·)为由透镜弯曲的退偏振产生函数矩阵。
【文档编号】G02B27/28GK105974600SQ201610579589
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月21日
【发明人】张子静, 赵远, 马昆, 苏建忠, 王峰
【申请人】哈尔滨工业大学