专利名称：基于振幅调制与偏振及相位相结合扩展焦深的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光刻、光存储及层析成像领域，具体涉及一种扩展焦深的聚焦方法和装置。
背景技术：
扩展焦深在光盘存储、显微镜成像、光学校准及层析成像等应用领域的研究相继 展开，其中基于波前编码技术(Wavefront Coding, WFC)是90年代才发展起来的扩展光学 系统焦深的新技术，是由Dowski和Cathey在1995年提出的。近几年通过偏振效应来获得 扩展焦深的研究也受到关注，最近相继报道利用径向矢量光束、准双焦双折射透镜与胶接 双透镜等来实现扩展焦深的研究。以上这些方法对光学轴向扩展焦深方面进行了广泛深入 的研究，但以上大多数方法扩展焦深的同时是以牺牲横向分辨率为代价。
发明内容
本发明提供了一种基于选用特殊光模式，振幅调制、位相调制、偏振技术及相干特 性相结合的方法和装置来扩展系统焦深，应用Bessel-Gauss激光作为系统的工作光束，在 空气介质中，扩展后的聚焦斑不但焦深能达到8 λ以上，而且光束质量也有所提高，聚焦光 斑可以达到系统本身的衍射极限以下，且扩展后的光强分布更均勻，更有利于实际应用。一种基于振幅调制与偏振技术及位相板相结合的焦深扩展方法，包括以下步骤(1)将工作光束Bessel-Gauss径向偏振光通过一个中间不透光的环状光阑，将光 束转化为中空径向偏振光束；(2)将步骤(1)中所述的中空径向偏振光束通过分光器分为两束，即第一分光光 束和第二分光光束；(3)将所述的第一分光光束通过一个Ο/π位相板进行Ο/π位相编码后，入射到一 光学合束器件；(4)将所述的第二分光光束通过光学折转器件进行光路折转后，入射到步骤(3) 中所述的光学合束器件，从所述的光学合束器件出射的光线为一合束的同轴光束；(5)将步骤(4)中得到的合束的同轴光束通过消复色差聚焦透镜进行聚焦，在透 镜的焦平面附近得到一个扩展焦深光斑。其中，所述的环状光阑可以用光刻的方式来实现，其不透光部分与全透部分光圈 分界线的半径优选0. 8倍入瞳半径，来获得中空径向偏振光束。其中，所述的第一分光光束和第二分光光束光强之比为0.53 0.47。其中，O/ π位相板可以通过光刻加工或空间光调制器来实现。O/ π位相板对径向 偏振光进行位相编码，其O/ π位相延迟区域间分界线的半径优选0. 955倍入瞳半径。入瞳半径通常为进入光学系统的入射光束圆截面的半径大小。其中，所述的消复色差透镜优选为高数值孔径的消复色差透镜，所述的高数值孔 径优选为NA = 0. 95。
所述的光学折转器件为平面反射镜，根据需要可以设置多个平面反射镜。本发明还提供了一种用于实现上述基于特殊光模式，振幅调制，位相调制、偏振与 相干技术相结合的焦深扩展的装置，包括用于产生Bessel-Gauss径向偏振光的光源；用于将所述Bessel-Gauss径向偏振光转换为空心偏振光束的环状光阑；用于将所述的空心偏振光束分光为第一分光光束和第二分光光束的分光器；用于将第一分光光束进行0/ π位相编码的0/ π圆形位相板；用于对第二分光光束进行光束折转的光学折转器件，由第一反射镜和第二反射镜 构成；用于将经0/ π位相编码后的第一分光光束与光束折转后的第二分光光束进行合 束的光学合束器件；用于进行光束聚焦的高数值孔径的消复色差聚焦透镜。本发明装置中，所述的第一反射镜和第二放射镜优选为金属膜反射镜，以保持入 射光与反射光偏振状态一致。本发明装置中，所述的消复色差透镜优选为高数值孔径的消复色差透镜，所述的 高数值孔径优选为NA = 0. 95。本发明装置中，所述的环状光阑中，不透光部分与全透部分的光圈分界线的半径 优选为0. 8倍入瞳半径。本发明装置中，所述的0/π圆形位相板中，0/π位相延迟区域间分界线的半径优 选为0. 955倍入瞳半径。本发明的工作原理如下Bessel-Gauss径向偏振光工作光束通过一个环状光阑，由于Bessel-Gauss激光 模式为中间部分能量低，外沿部分能量高，所以遮挡中间光束只留下外围环形部分后，能更 好的聚焦为小光斑和长焦深；之后，光束将进一步分成两束，两束光光强为特定比例，其中 一束通过0/π圆形位相板进行位相编码后，与另一束重新汇合成同轴平行的光束。根据光 场的电磁场理论，汇合后的光束将不再是普通的径向偏振光，光束的径向剖面将呈现带有 时间因子的复杂电场分布情况。这样的光束经过高数值孔径的消复色差聚焦透镜后，将在 透镜的像方焦点处产生聚焦效应，根据光的干涉衍射理论，聚焦光斑内的电场强度分布为 经过0/ π位相板进行位相编码的径向偏振光经过同一透镜后的聚焦场与未经过位相编码 的径向偏振光经过同一透镜后的聚焦场内电场强度分布的矢量相加。聚焦场内电场分布可 以通过Debye积分公式计算得到，进而相加得出汇合后的激发光束的聚焦光斑内的电场强 度。根据光的电场强度与光强的关系，可以算出此时的聚焦光斑将为超长焦深实心聚焦光 斑。相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果(1)采用本发明方法和装置得到的聚焦光斑在纵向上达到8倍以上波长的焦深， 横向直径可以压缩到系统本身的衍射极限以下，远好于现有技术聚焦水平。(2)产生的聚焦光斑纵向分量(Ζ向分量)纯度达到了 85%以上，远好于大部分现 有技术，可以方便地利用于扫描近场显微镜、光刻及光存储等领域。(3)本发明方法使用单一波长的相干光作为工作光束，减少了光源数量，节省了系统成本，增加了实用性。(4)采用本发明方法和装置得到的聚焦光斑光强具有平顶效应，强度在纵向上更 加均勻，有利于实际应用。
图1为本发明的用于实现焦深扩展的装置示意图。图2为本发明中所使用的环状光阑的示意图。图3为本发明中所使用的0/π位相板的示意图。图4为仅使用Bessel-Gauss径向偏振光加上环形光振幅调制时的光强剖面对比 图；其中，(a)为xz剖面上沿光轴方向的光强分布图，(b)为yz剖面上沿光轴方向上光强 分布图，(c)为xy剖面上的光强分布图。图5为使用本系统(图1装置)时的聚焦光斑剖面光强对比图；其中，(a)为xz 剖面上沿光轴方向的光强分布图，(b)为η剖面上沿光轴方向上光强分布图，(c)为xy剖 面上的光强分布图。图中环状光阑1 ；分光镜2 ；0/ π相位板3 ；合束镜4 ；第一反射镜5 ；第二反射镜6 ；消 复色差聚焦透镜7 ；工作平面8。
具体实施例方式下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。如图1所示的一种用于实现焦深扩展的装置，包括产生工作光束10的光源、环状 光阑1，分光镜2，0/π位相板3，合束镜4，第一反射镜5，第二反射镜6，消复色差聚焦透镜 7，聚焦后得到的扩展焦深光斑出现在消复色差聚焦透镜7的工作平面8附近。工作光束10为Bessel-Gauss径向偏振光，其光斑的中心能量小，外围能量大，由 偏振光转换器转换得到。径向偏振光每点的偏振方向都是沿着径向方向，所有的偏振方向构成一个发散 束。其中光束内的每一点的光偏振方向(在χ轴的光偏振方向Ρχ、在y轴的光偏振方向Py、 在ζ轴的光偏振方向Pz)可由以下单位矩阵表示
权利要求
一种焦深扩展方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将工作光束Bessel Gauss径向偏振光通过一个中间不透光的环状光阑，将光束转化为中空径向偏振光束；(2)将步骤(1)中所述的中空径向偏振光束通过分光器分为两束，即第一分光光束和第二分光光束；(3)将所述的第一分光光束通过一个0/π位相板进行0/π位相编码后，入射到一光学合束器件；(4)将所述的第二分光光束通过光学折转器件进行光路折转后，入射到步骤(3)中所述的光学合束器件，从所述的光学合束器件出射的光线为一合束的同轴光束；(5)将步骤(4)中得到的合束的同轴光束通过高数值孔径的消复色差聚焦透镜进行聚焦，在透镜的焦平面附近得到一个扩展焦深光斑。
2.如权利要求1所述的焦深扩展方法，其特征在于，所述的第一分光光束和第二分光 光束光强之比为0.53 0.47。
3.如权利要求1所述的焦深扩展方法，其特征在于，所述的环状光阑中，不透光部分与 全透部分的光圈分界线的半径为0. 8倍入瞳半径。
4.如权利要求1所述的焦深扩展方法，其特征在于，所述的0/π位相板中，0/π位相 延迟区域间分界线的半径为0. 955倍入瞳半径。
5.如权利要求1所述的焦深扩展方法，其特征在于，所述的高数值孔径为NA= 0. 95。
6.一种用于实现焦深扩展的装置，其特征在于，包括用于产生Bessel-Gauss径向偏振光的光源；用于将所述Bessel-Gauss径向偏振光转换为空心偏振光束的环状光阑；用于将所述的空心偏振光束分光为第一分光光束和第二分光光束的分光器；用于将第一分光光束进行0/π位相编码的0/π圆形位相板；用于对第二分光光束进行光束折转的光学折转器件，由第一反射镜和第二反射镜构成；用于将经0/ π位相编码后的第一分光光束与经光束折转后的第二分光光束进行合束 的光学合束器件；用于进行光束聚焦的高数值孔径的消复色差聚焦透镜。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的第一反射镜和第二放射镜均为金属 膜反射镜。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的高数值孔径为NA= 0. 95。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的环状光阑中，不透光部分与全透部分 的光圈分界线的半径为0. 8倍入瞳半径。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的0/π圆形位相板中，0/π位相延迟 区域间分界线的半径为0. 955倍入瞳半径。
全文摘要
本发明公开了一种焦深扩展方法，包括将Bessel-Gauss径向偏振光通过一环状光阑调制振幅并分光为两束；将其中一光束进行0～π位相编码后，与经过光学折转后的另一光束入射到同一光学合束器件形成合束的同轴光束，再经透镜聚焦后得到扩展焦深光斑。本发明还公开了一种扩展焦深的装置，包括产生Bessel-Gauss径向偏振光的光源、环状光阑，分束器、0/π位相板、光学折转器件、光学合束器件和消复色差聚焦透镜。该方法和装置中，利用Bessel-Gauss激光作为工作光束，扩展后的聚焦斑的焦深达到8λ以上，聚焦光斑可以达到系统本身的衍射极限以下，且扩展后的光强分布更均匀，更有利于实际应用。
文档编号G02B27/28GK101975991SQ201010298120
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者刘旭, 匡翠方, 库玉龙, 王婷婷, 郝翔 申请人:浙江大学