一种横向多焦点产生装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种焦点位置、数量和每个焦点相位均可调的横向多焦点产生装置及 方法。
【背景技术】
[0002] 激光经过高数值孔径的物镜聚焦产生的光斑在高分辨率荧光成像，激光材料加 工，光学数据存储，微小粒子操控，人工微结构材料制备，表面等离激元激发等众多领域具 有非常广泛的应用，因此，通过对入射激光的振幅，相位，偏振等调制以产生焦点区域各种 强度分布和偏振分布的光斑一直是一个非常重要的研究方向。目前对产生环形光斑，链状 光斑，针尖状光斑，亚波长尺寸光斑，螺旋形光斑，二维阵列光斑以及三维阵列光斑都有广 泛和深入的研究报道。其中沿光轴的链状光斑属于纵向多焦点光斑。二维阵列光斑则属于 横向有规则排列的多焦点光斑。而三维阵列光斑则属于纵向和横向均为有规则，周期性排 列的多焦点光斑。二维阵列光斑以及三维阵列光斑通常的产生方法有两种:经过特殊设计 的周期性二维位相光栅和由迭代算法产生的位相图形对入射聚焦物镜的激光束进行调制。 前者有与达曼光栅相似的调制光栅以及利用分数泰伯效应的周期性光栅；后者有利用 Gerchberg-Saxton(GS)迭代算法产生的位相调制图形。这些方法产生的多焦点二维或三维 阵列光斑在空间排列上比较有规则，具有周期性特点，焦点的数量和位置不能任意改变，单 个焦点偏振方向和位相不可控。
[0003] 聚焦光斑的偏振特性在某些应用中具有非常重要的作用。例如，利用不同偏振方 向的光场对不同取向的金纳米棒来进行超高分辨率光学成像。在单分子研究中，偶极分子 与光相互作用的荧光激发效率与光的偏振方向密切相关。因此，目前已有大量对单个焦点， 多焦点光斑以及阵列光斑偏振特性进行调控的研究和报道。2014年报道了通过方位角偏振 光束的相位调制可以实现多个焦点的偏振方向控制【Opt. Lett. 39,6771 (2014)】，但是该方 法缺少灵活性。焦点数量限制在四个，而且焦点的位置不可调。最近，文献报道了一种将后 孔径沿方位角平均分成足够多的较大扇形区域，然后又将每个较大的扇形区域再均分成N 个小的扇形区域。其中N与所要产生的焦点数量相等。在对应同一个焦点的小扇形区域附加 一个使焦点产生所需位置移动的相位以及改变偏振方向的总体7相位突变，就可以实现焦 点位置，数量，偏振任意可调【Opt .Express ,23(19): 24688-24698(2015)】。
[0004] 随着纳米微结构，微光电器件，人工超材料研究的深入，这类器件和材料的照明与 激发光路已显得越来越重要。如表面等离激元开关，表面等离激元逻辑门的照明需要在横 向同一平面内的多个位相，数量，位置，偏振可控的微米尺寸聚焦激光光斑。因此，对于产生 不仅数量，位置，偏振可控，而且单个焦点位相可控的横向多焦点光斑的研究和方法具有非 常重要的科学意义。
【发明内容】
[0005] 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位置，相位可调以 及焦点数量可控的横向多焦点产生装置及方法。
[0006]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种横向多焦点产生装置，包括：
[0007]激光器，用于发出任意偏振的激光光束；
[0008] 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；
[0009] 扩束及准直系统，用于将线偏振的激光光束进行扩束和准直；
[0010] 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；
[0011] 4F傅里叶变换成像系统，用于将相位调制后的线偏振激光光束成像到物镜后孔径 位置；
[0012] 物镜，用于聚焦相位调制后的激光光束，在焦点区域将产生横向多个焦点，且每个 焦点的相位和横向位置是任意可调。
[0013] 本发明的有益效果是:通过对相位调制的线偏振激光光束聚焦，在焦平面区域产 生横向多个线偏振焦点，且焦点数量，以及每个焦点的位相和位置是任意可调的;这样的多 焦点光斑可以广泛应用在纳米微结构，微光电器件，人工超材料等领域照明和激发，尤其在 输出状态与干涉相消或增强有关的多输入端表面等离激元光开关和逻辑门的照明与激发 方面有很好的应用。
[0014] 本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种横向多焦点产生方法，包括 以下步骤：
[0015] 步骤S1.激光器发出任意偏振的激光光束；
[0016] 步骤S2.将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；
[0017]步骤S3.将线偏振的激光光束进行准直扩束；
[0018] 步骤S4.将准直扩束后的线偏振激光光束利用反射形纯相位空间光调制器进行相 位调制；
[0019] 步骤S5.将相位调制后的线偏振光通过4F成像系统成像到聚焦物镜的后孔径平 面；
[0020] 步骤S6.物镜对相位调制的入射线偏振激光光束聚焦，在焦平面区域将产生多个 焦点，且每个焦点的相位和空间位置任意可调。
[0021] 优选的，所述步骤S4利用空间光调制器对激光光束的相位调制使得物镜后孔径平 面的相位调制。
[0022] 优选的，所述步骤S4的激光光束相位调制的具体实现:将物镜的圆形入射光瞳平 面均分为Μ个面积相同的扇形，每个扇形区域进一步分为N个面积相等的子扇形区域，每个 子扇形区域的顶点为入射光瞳平面的中心，将ΜΧΝ个子扇形区域进行相位调制。
[0023] 优选的，所述扇形的半径为物镜后孔径的半径R，每个扇形的圆心角为Δφ=2π/Μ， 其中Μ为偶数。
[0024] 优选的，每个所述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 圆心角为δ(ρ=Δφ/Ν〇
[0025]优选的，相位调制的具体实现:其中Δχη、Ayn为第η个焦点的位置移动；Δι])η为第η个焦点的附加相位；
[0026]
[0027] 其中n=l、2、3，"N，m=l、2、3…Μ，ΝΑ为物镜的数值孔径;λ为激光波长，R为物镜后 孔径的半径，m为焦点区域的折射率。
[0028] 本发明的有益效果是:通过对相位调制的线偏振激光光束聚焦，在焦平面区域产 生横向多个线偏振焦点，且焦点数量，以及每个焦点的位相和位置是任意可调的;这样的多 焦点光斑可以广泛应用在纳米微结构，微光电器件，人工超材料等领域照明和激发，尤其在 输出状态与干涉相消或增强有关的多输入端表面等离激元光开关和逻辑门的照明与激发 方面有很好的应用。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明一种横向多焦点产生装置的结构示意图；
[0030] 图2为M= 16，N=4的二次扇形相位分区示意图；
[0031 ]图3为一个扇形区域和四个子扇形区域的示意图；
[0032]图4为相位调制灰度图的不意图；
[0033]图5为产生横向四个焦点的相位调制图；
[0034] 图6为横向四个焦点的强度分布图；
[0035] 图7为横向四个焦点的相位图；
[0036] 图8为产生横向六个焦点的相位调制图；
[0037] 图9为横向六个焦点的强度分布图；
[0038] 图10为横向六个焦点的相位图。
[0039] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0040] 1、激光器，2、偏振片，3、扩束及准直系统，4、空间光调制器，5、4F傅里叶变换成像 系统，6、物镜。
【具体实施方式】
[0041] 以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。
[0042] 实施例1:
[0043] 如图1所示，一种横向多焦点产生装置，包括：
[0044] 激光器1，用于发出任意偏振的激光光束；
[0045] 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；
[0046] 扩束及准直系统3，用于将线偏振的激光光束进行扩束和准直；
[0047] 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；
[0048] 4F傅里叶变换成像系统5,用于将相位调制后的线偏振激光光束成像到物镜后孔 径位置；
[0049] 物镜6,用于聚焦相位调制后的激光光束，在焦点区域将产生横向多个焦点，且每 个焦点的相位和横向位置是任意可调。
[0050] 如图2至图10所示，一种横向多焦点产生方法，包括