一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法和系统与流程

本申请实施例涉及光学
技术领域：
，具体涉及一种基于doe的聚焦圆环光斑产生方法和系统。
背景技术：
：激光束通过高数值孔径物镜聚焦，其光斑形状、位置、相位分布、强度分布、偏振分布与入射激光束的振幅分布、偏振状态、相位调制以及物镜的数值孔径都有关。由于激光经物镜聚焦产生的光斑与很多应用领域有关，因此，研究如何通过改变入射激光束的振幅分布、相位分布、偏振分布实现各种应用所需要的激光聚焦光斑成为一个非常重要的研究领域。在激光直写光刻等领域，激光聚焦光斑通过光与物质材料相互作用来实现的。相互作用的区域越小，其分辨能力、信息密度或加工精细度等就越高。然而，单个光斑的尺寸受衍射极限的限制，只能聚焦到大约半个波长左右。另一方面，激光束通过物镜聚焦形成的环形光斑和圆形实心光斑在捕获微小尺寸颗粒方面可以单独发挥不同的作用。在微粒操控方面，环形光斑的尺寸直接决定了可操控颗粒的大小。由于环形光斑处于光轴上，要想捕获离轴的微粒，需要横向移动微粒与激光光斑的相对位置，要么移动激光束，要么移动样品台。移动激光束是不方便的，移动样品台则需要定位精度很好的样品台和控制系统。现有的光镊系统在捕获不同尺寸的微粒或在捕获离轴的微粒方面缺少灵活性。在光通信、生物光子学、光镊等应用中，对于微小圆形光斑的需求日益增长。技术实现要素：为此，本申请实施例提供一种基于doe的聚焦圆环光斑产生方法和系统，产生聚焦圆环光斑，尺寸可控。为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：根据本申请实施例的第一方面，提供了一种基于doe的聚焦圆环光斑产生方法，所述方法包括：在加工衍射光学元件doe时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合；利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布；利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。可选地，所述在加工衍射光学元件doe时，使用的光刻工艺单次加工精度控制在±5nm之内；其中对应的加工深度按照如下公式计算：其中，λ为入射光波长，n为材料折射率，φ为每个相邻台阶的相位差。可选地，所述进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合，拟合效率和拟合台阶数按照如下公式计算：其中，η为拟合衍射效率，n为拟合台阶数。可选地，所述利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布，包括：在极坐标下，焦平面的场强分布按照如下公式计算：、其中jn为n阶贝塞尔函数，此式可由超几何函数求解，其解为：其中f2为超几何函数。可选地，聚焦光斑的衍射极限为：其中，m2为光束的质量因子，f为聚焦镜焦距，λ为波长，d为入射光斑直径；则结合上述公式计算出不同拓扑荷下对应的内外径和衍射极限dl之间的关系。根据本申请实施例的第二方面，提供了一种基于doe的聚焦圆环光斑产生系统，所述系统包括：涡旋相位曲面台阶化拟合模块，用于在加工衍射光学元件doe时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合；聚焦光斑的能量分布计算模块，用于利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布；聚焦光斑内外径计算模块，用于利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。可选地，所述涡旋相位曲面台阶化拟合模块，具体用于：在加工衍射光学元件doe时，使用的光刻工艺单次加工精度控制在±5nm之内；其中，对应的加工深度按照如下公式计算：其中，λ为入射光波长，n为材料折射率，φ为每个相邻台阶的相位差。可选地，所述涡旋相位曲面台阶化拟合模块，拟合效率和拟合台阶数具体按照如下公式计算：其中，η为拟合衍射效率，n为拟合台阶数。可选地，所述利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布，包括：在极坐标下，焦平面的场强分布按照如下公式计算：其中jn为n阶贝塞尔函数，此式可由超几何函数求解，其解为：其中，f2为超几何函数。可选地，所述聚焦光斑内外径计算模块按照如下公式进行计算：聚焦光斑的衍射极限为：其中，m2为光束的质量因子，f为聚焦镜焦距，λ为波长，d为入射光斑直径；则结合上述公式计算出不同拓扑荷下对应的内外径和衍射极限dl之间的关系。综上所述，本申请实施例提供了一种基于doe的聚焦圆环光斑产生方法和系统，通过在加工衍射光学元件doe时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合；利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布；利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。从而产生尺寸可控的聚焦圆环光斑。附图说明为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。图1为本申请实施例提供的一种基于doe的聚焦圆环光斑产生方法流程示意图；图2为本申请实施例提供的十六台阶化示意图；图3为本申请实施例提供的聚焦镜示意图；图4为本申请实施例提供的一种基于doe的聚焦圆环光斑产生系统框图。具体实施方式以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本申请实施例提供一种基于涡旋相位的衍射光学元件doe对于有限孔径平面的夫琅禾费衍射的方法，实现聚焦圆环光斑，还可以计算出圆环的内外环半径大小。如图1所示，所述方法包括如下步骤：步骤101：在加工衍射光学元件doe时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合。步骤102：利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布。步骤103：利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。在一种可能的实施方式中，所述在加工衍射光学元件doe时，使用的光刻工艺单次加工精度控制在±5nm之内；其中对应的加工深度按照如下公式(1)计算：其中，λ为入射光波长，n为材料折射率，φ为每个相邻台阶的相位差。在一种可能的实施方式中，光束的聚焦是基于菲涅尔衍射公式，再经过涡旋相位调制后，其聚焦光斑可以由超几何函数的形式给出能量分布。在一种可能的实施方式中，在步骤101中，所述进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合，拟合效率和拟合台阶数按照如下公式(2)计算：其中，η为拟合衍射效率，n为拟合台阶数。在一种可能的实施方式中，在步骤102中，所述利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布，包括：在计算光束经过涡旋相位调制后，在焦平面得到的光斑分布，是最初的积分形式，目标为求解积分，由此引进超几何函数来求解。因此，在极坐标下，焦平面的场强分布按照如下公式(3)计算：,其中jn为n阶贝塞尔函数，此式可由超几何函数求解，如公式(4)：其中f2为超几何函数。在一种可能的实施方式中，在步骤103中，聚焦光斑的衍射极限为公式(5)：其中，m2为光束的质量因子，f为聚焦镜焦距，λ为波长，d为入射光斑直径；则结合上述公式计算出不同拓扑荷下对应的内外径和衍射极限dl之间的关系。对于一般涡旋相位，其连续的螺旋相位难以精确加工。而在doe的加工过程中，可以将连续相位曲面台阶化拟合，将连续相位曲面多值化为若干个台阶，台阶数越多，其拟合的相位曲面越精确，其加工过程中使用的光刻工艺，单次加工精度可控制在±5nm之内，这为用台阶化连续相位提供了可能。且拟合效率随着拟合台阶数增加而增加，其关系为公式(2)。由此式可知表2：表2拟合台阶数24816衍射效率40.5％81％94.9％98.6％则在16台阶的拟合近似下，涡旋doe近似为一个连续曲面。一个涡旋doe(衍射光学元件)将连续的降为进行台阶化拟合，假定需要涡旋相位的拓扑荷为1，则十六台阶化示意图如图2所示。如图2所示，每个相邻台阶的相位差φ为π/8；对应的加工深度为公式(1)所示。对于一个半径为r，波长为λ的入射高斯光，经过拓扑荷为n，入射到焦距为f的聚焦镜示意图如图3所示。在一种可能的实施方式中，如公式(5)，计算出不同拓扑荷下对应的内外径和衍射极限dl之间的关系，如表2所示：表2拓扑荷内径外径10.18dl2dl20.5dl3dl30.8dl4.1dl………………综上所述，本申请实施例提供了一种基于doe的聚焦圆环光斑产生方法，通过在加工衍射光学元件doe时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合；利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布；利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。从而产生尺寸可控的聚焦圆环光斑。基于相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种基于doe的聚焦圆环光斑产生系统，如图4所示，所述系统包括：涡旋相位曲面台阶化拟合模块401，用于在加工衍射光学元件doe时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合。聚焦光斑的能量分布计算模块402，用于利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布。聚焦光斑内外径计算模块403，用于利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。可选地，所述涡旋相位曲面台阶化拟合模块401，具体用于：在加工衍射光学元件doe时，使用的光刻工艺单次加工精度控制在±5nm之内；其中，对应的加工深度按照如公式(1)计算。可选地，所述涡旋相位曲面台阶化拟合模块401，拟合效率和拟合台阶数具体按照如公式(2)计算。可选地，所述利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布，包括：在极坐标下，焦平面的场强分布按照如公式(3)计算。其中jn为n阶贝塞尔函数，此式可由超几何函数求解，其解为公式(4)。可选地，所述聚焦光斑内外径计算模块按照如公式(5)进行计算。基于相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种设备，所述设备包括：数据采集装置、处理器和存储器；所述数据采集装置用于采集数据；所述存储器用于存储一个或多个程序指令；所述处理器，用于执行一个或多个程序指令，用以执行所述的方法。基于相同的技术构思，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质中包含一个或多个程序指令，所述一个或多个程序指令用于执行所述的方法。本说明书中上述方法的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。相关之处参见方法实施例的部分说明即可。需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。虽然本申请提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。上述实施例阐明的单元、装置或模块等，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的电子设备、网络pc、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。当前第1页12