一种多焦点阵列光斑的发生装置及方法_2

文档序号:9431396阅读:来源:国知局
.将线偏振的激光光束进行准直扩束;
[0062] 步骤S4.将准直扩束后的线偏振激光光束进行相位调制;
[0063] 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;
[0064] 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。
[0065] 优选的,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。
[0066] 优选的,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:
[0067] 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A;q>=2Tc/N,其中N为偶数;
[0068] 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、角为额p=A巧化 W例步骤S43.将NXM个子扇形依次对应填入相应焦点位置的相位分布%巧中,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^;
[0070] 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= 0 1、0 2……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, 调制的相位分布;
[0071] 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;
[0072] 步骤546.将两种相位分布11)1和il) 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。
[0073] 优选的,所述步骤S43中的相位值恥1由下式确定;
[0074]
阳07引其中,m:表示第m个聚焦光斑;
[0076] A:是表示从激光器出射的激光波长;
[0077] NA:是表示物镜的数值孔径; 阳07引 R:是表示物镜的入射光瞳的半径; 阳0巧]rit:表示物质的折射率;
[0080]AXm:表不第m个聚焦光斑在X方向上偏移中屯、位置的位移量;
[0081]AYm:表示第m个聚焦光斑在y方向上偏移中屯、位置的位移量。
[0082] 优选的,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 ]。
[0083] 优选的,所述步骤6中多个焦点的阵列光斑的数量可调。
[0084] 优选的,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。
[00化]如图2所示,一种多焦点阵列光斑的发生装置,包括光源发射装置1、偏振片2、扩 束及波面整形器3、空间光调制器4、偏振转换器5和物镜6,所述光源发射装置1、偏振片2、 扩束及波面整形器3、空间光调制器4、偏振转换器5和物镜6依次同轴线并列;
[0086] 所述光源发射装置1,用于发出任意偏振的激光光束;
[0087] 所述偏振片2,用于将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束;
[0088] 所述扩束及波面整形器3,用于将线偏振的激光光束进行准直扩束;
[0089] 所述空间光调制器4,用于将准直扩束后的线偏振激光光束进行相位调制;
[0090] 所述偏振转换器5,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;
[0091] 所述物镜6,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。
[0092] 优选的,所述空间光调制器4对激光光束相位调制使所述物镜6对应的聚焦区域 后焦面上产生纯相位调制。
[0093] 优选的,所述物镜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。
[0094] 基于理查德-沃尔夫矢量衍射公式【Proc.R.Soc.LondonSer.A253, 349 (1959); Proc.R.Soc.LondonSer.A253, 358(1959)】,可W计算高数值孔径物镜的紧聚焦场中任一 位置处的光场分布,其公式如下所示: 阳0巧]
[0096] 其中,C为与物镜的焦距和入射光的波长有关的常数,k为波数,a为物镜的最大 孔径角,0为物镜的偏折角,其与物镜的参数有关,其具体表达式为
[0097] 目=arcsin(rNA/I?nt)公式似
[009引其中,R为入射光瞳的半径,NA为物镜的数值孔径,nt为物质的折射率,P( 0 )为 截趾函数,r和d)为物镜后焦面上的平面极坐标分量,X,y和z为直角坐标分量。
[0099] 通过进一步的分析,紧聚焦区域的光场分布可W表述为傅里叶变换的形式【化t. Express14, 11277 (2006)】,即
[0100]
公式(3) 阳101] 其中,F{ ?}表示傅里叶变换算符,C与n为空间频率,GU,n)为物镜透过率 函数,其表达式为
[0102] G(C,n)=P(目化t(目,4)/cos0Xexp(ikzZ)公式(4)
[0103] 从式(4)中可W看出,紧聚焦的光场分布为物镜后焦面上光场分布的傅里叶变 换。因此,基于傅里叶变换的相移定理可W得出,通过在物镜后焦面上添加一个附加的相位 调制可W在聚焦场区域产生一个空间位移,即
[0104]
公式巧)
[0105] 基于式(2)与式(5)得出,用来调制高数值孔径物镜的焦点使其在焦平面上的空 间位置变化的相位分布表达式为
[0106]
公式化) 阳107]其中,Ax与Ay为焦点在焦平面上的空间位置变化。因此,通过公式(6)产生的 相位分布可W用来调制物镜的后焦面,使其产生的焦点在焦平面上的位置可调。
[0108] 将物镜后焦面对应的入射光瞳区域分为多个扇形区域,将具有不同空间位置的相 位分布分布填充在相应的扇形区域内,用此相位分布调制物镜可W得到空间位置可调的多 焦点阵列。
[0109] 对于多焦点阵列光斑中每个焦点偏振方向的调制是基于n阶相位滤波技术 【化t.Lett. 39,6771(2014)】。通过W入射光瞳直径方向为分界线对称分布的(0, 相位 调制技术,打破角向偏振光聚焦光斑的对称性,获得线偏振的聚焦光斑,且线偏振的方向沿 分界线的方向。
[0110] 通过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。 阳111] 实施例2:
[0112]W下W入射光波波长A= 532皿,物镜数值孔径NA= 1. 32,油浸物质的折射率nt =1. 518,入射光瞳半径R= 3mm为例,设计偏振方向和空间位置可调多焦点阵列光斑的具 体实施方案。
[0113] 首先,设计物镜后焦面上的纯相位调制,其具体产生方法主要包括W下步骤:
[0114] 步骤41 :如图3所示,将物镜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、A2……Awi、Aw,其中每个扇形区域的顶点为入射光瞳的中屯、,扇形的半径为入射光 瞳半径R,每个扇形的圆屯、角为A(p=27r/N,其中N为偶数,本实施例中选用N= 72 ; 阳11引步骤42 :如图4所示,确定阵列光斑的数目M,再将每个扇形区域(VA2……Ani、AJ进一步分为M个面积相等的子扇形区域:Si、S2……Smi、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,每个子扇形区域对应的圆 必角为娜=鱼私M,通过控制M的数值可W操控聚焦场焦点的个数,在本实施例中选用M= 5;
[0116]步骤43:将NXM= 360个子扇形依次对应填入相应焦点位置的相位分布9m,其 中,相位值巧m:由下式确定; 阳117]
公式(1)
[0118] 其中,m:表示第m个聚焦光斑;
[0119] A:是表示从激光器出射的激光波长;
[0120]NA:是表示物镜的数值孔径; 阳121] R:是表示物镜的入射光瞳的半径; 阳122] rit:表示物质的折射率;
[0123]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;
[0124] A Ym:表不第m个聚焦光斑在y方向上偏移中屯、位置的位移量。
[0125] 因此,通过公式(1),可W求出任意空间位置焦点的相位分布,进而操控每 个焦点的空间位置。本实施例中位置参数:(AXi,Ayi) = [0, 0] ; (A而,Ay2)=
[1ym, 1ym] ; (AX3,Ay3) = [1ym, -1ym] ; (AX4,Ay4) = [-1ym, 1ym] ; (AXs,AYs
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