一種橫向多焦點產(chǎn)生裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種焦點位置、數(shù)量和每個焦點相位均可調的橫向多焦點產(chǎn)生裝置及 方法。
【背景技術】
[0002] 激光經(jīng)過高數(shù)值孔徑的物鏡聚焦產(chǎn)生的光斑在高分辨率熒光成像，激光材料加 工，光學數(shù)據(jù)存儲，微小粒子操控，人工微結構材料制備，表面等離激元激發(fā)等眾多領域具 有非常廣泛的應用，因此，通過對入射激光的振幅，相位，偏振等調制以產(chǎn)生焦點區(qū)域各種 強度分布和偏振分布的光斑一直是一個非常重要的研究方向。目前對產(chǎn)生環(huán)形光斑，鏈狀 光斑，針尖狀光斑，亞波長尺寸光斑，螺旋形光斑，二維陣列光斑以及三維陣列光斑都有廣 泛和深入的研究報道。其中沿光軸的鏈狀光斑屬于縱向多焦點光斑。二維陣列光斑則屬于 橫向有規(guī)則排列的多焦點光斑。而三維陣列光斑則屬于縱向和橫向均為有規(guī)則，周期性排 列的多焦點光斑。二維陣列光斑以及三維陣列光斑通常的產(chǎn)生方法有兩種:經(jīng)過特殊設計 的周期性二維位相光柵和由迭代算法產(chǎn)生的位相圖形對入射聚焦物鏡的激光束進行調制。 前者有與達曼光柵相似的調制光柵以及利用分數(shù)泰伯效應的周期性光柵；后者有利用 Gerchberg-Saxton(GS)迭代算法產(chǎn)生的位相調制圖形。這些方法產(chǎn)生的多焦點二維或三維 陣列光斑在空間排列上比較有規(guī)則，具有周期性特點，焦點的數(shù)量和位置不能任意改變，單 個焦點偏振方向和位相不可控。
[0003] 聚焦光斑的偏振特性在某些應用中具有非常重要的作用。例如，利用不同偏振方 向的光場對不同取向的金納米棒來進行超高分辨率光學成像。在單分子研究中，偶極分子 與光相互作用的熒光激發(fā)效率與光的偏振方向密切相關。因此，目前已有大量對單個焦點， 多焦點光斑以及陣列光斑偏振特性進行調控的研究和報道。2014年報道了通過方位角偏振 光束的相位調制可以實現(xiàn)多個焦點的偏振方向控制【Opt. Lett. 39,6771 (2014)】，但是該方 法缺少靈活性。焦點數(shù)量限制在四個，而且焦點的位置不可調。最近，文獻報道了一種將后 孔徑沿方位角平均分成足夠多的較大扇形區(qū)域，然后又將每個較大的扇形區(qū)域再均分成N 個小的扇形區(qū)域。其中N與所要產(chǎn)生的焦點數(shù)量相等。在對應同一個焦點的小扇形區(qū)域附加 一個使焦點產(chǎn)生所需位置移動的相位以及改變偏振方向的總體7相位突變，就可以實現(xiàn)焦 點位置，數(shù)量，偏振任意可調【Opt .Express ,23(19): 24688-24698(2015)】。
[0004] 隨著納米微結構，微光電器件，人工超材料研究的深入，這類器件和材料的照明與 激發(fā)光路已顯得越來越重要。如表面等離激元開關，表面等離激元邏輯門的照明需要在橫 向同一平面內的多個位相，數(shù)量，位置，偏振可控的微米尺寸聚焦激光光斑。因此，對于產(chǎn)生 不僅數(shù)量，位置，偏振可控，而且單個焦點位相可控的橫向多焦點光斑的研究和方法具有非 常重要的科學意義。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種可同時實現(xiàn)每個焦點的位置，相位可調以 及焦點數(shù)量可控的橫向多焦點產(chǎn)生裝置及方法。
[0006]本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下:一種橫向多焦點產(chǎn)生裝置，包括：
[0007]激光器，用于發(fā)出任意偏振的激光光束；
[0008] 偏振片，用于將任意偏振的激光光束轉換為線偏振的激光光束；
[0009] 擴束及準直系統(tǒng)，用于將線偏振的激光光束進行擴束和準直；
[0010] 空間光調制器，用于將準直擴束后的線偏振激光光束進行相位調制；
[0011] 4F傅里葉變換成像系統(tǒng)，用于將相位調制后的線偏振激光光束成像到物鏡后孔徑 位置；
[0012] 物鏡，用于聚焦相位調制后的激光光束，在焦點區(qū)域將產(chǎn)生橫向多個焦點，且每個 焦點的相位和橫向位置是任意可調。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是:通過對相位調制的線偏振激光光束聚焦，在焦平面區(qū)域產(chǎn) 生橫向多個線偏振焦點，且焦點數(shù)量，以及每個焦點的位相和位置是任意可調的;這樣的多 焦點光斑可以廣泛應用在納米微結構，微光電器件，人工超材料等領域照明和激發(fā)，尤其在 輸出狀態(tài)與干涉相消或增強有關的多輸入端表面等離激元光開關和邏輯門的照明與激發(fā) 方面有很好的應用。
[0014] 本發(fā)明解決上述技術問題的另一技術方案如下：一種橫向多焦點產(chǎn)生方法，包括 以下步驟：
[0015] 步驟S1.激光器發(fā)出任意偏振的激光光束；
[0016] 步驟S2.將任意偏振的激光光束轉換為線偏振的激光光束；
[0017]步驟S3.將線偏振的激光光束進行準直擴束；
[0018] 步驟S4.將準直擴束后的線偏振激光光束利用反射形純相位空間光調制器進行相 位調制；
[0019] 步驟S5.將相位調制后的線偏振光通過4F成像系統(tǒng)成像到聚焦物鏡的后孔徑平 面；
[0020] 步驟S6.物鏡對相位調制的入射線偏振激光光束聚焦，在焦平面區(qū)域將產(chǎn)生多個 焦點，且每個焦點的相位和空間位置任意可調。
[0021] 優(yōu)選的，所述步驟S4利用空間光調制器對激光光束的相位調制使得物鏡后孔徑平 面的相位調制。
[0022] 優(yōu)選的，所述步驟S4的激光光束相位調制的具體實現(xiàn):將物鏡的圓形入射光瞳平 面均分為Μ個面積相同的扇形，每個扇形區(qū)域進一步分為N個面積相等的子扇形區(qū)域，每個 子扇形區(qū)域的頂點為入射光瞳平面的中心，將ΜΧΝ個子扇形區(qū)域進行相位調制。
[0023] 優(yōu)選的，所述扇形的半徑為物鏡后孔徑的半徑R，每個扇形的圓心角為Δφ=2π/Μ， 其中Μ為偶數(shù)。
[0024] 優(yōu)選的，每個所述子扇形區(qū)域的半徑為入射光瞳半徑R，且每個子扇形區(qū)域對應的 圓心角為δ(ρ=Δφ/Ν〇
[0025]優(yōu)選的，相位調制的具體實現(xiàn):其中Δχη、Ayn為第η個焦點的位置移動；Δι])η為第η個焦點的附加相位；
[0026]
[0027] 其中n=l、2、3，"N，m=l、2、3…Μ，ΝΑ為物鏡的數(shù)值孔徑;λ為激光波長，R為物鏡后 孔徑的半徑，m為焦點區(qū)域的折射率。
[0028] 本發(fā)明的有益效果是:通過對相位調制的線偏振激光光束聚焦，在焦平面區(qū)域產(chǎn) 生橫向多個線偏振焦點，且焦點數(shù)量，以及每個焦點的位相和位置是任意可調的;這樣的多 焦點光斑可以廣泛應用在納米微結構，微光電器件，人工超材料等領域照明和激發(fā)，尤其在 輸出狀態(tài)與干涉相消或增強有關的多輸入端表面等離激元光開關和邏輯門的照明與激發(fā) 方面有很好的應用。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明一種橫向多焦點產(chǎn)生裝置的結構示意圖；
[0030] 圖2為M= 16，N=4的二次扇形相位分區(qū)示意圖；
[0031 ]圖3為一個扇形區(qū)域和四個子扇形區(qū)域的示意圖；
[0032]圖4為相位調制灰度圖的不意圖；
[0033]圖5為產(chǎn)生橫向四個焦點的相位調制圖；
[0034] 圖6為橫向四個焦點的強度分布圖；
[0035] 圖7為橫向四個焦點的相位圖；
[0036] 圖8為產(chǎn)生橫向六個焦點的相位調制圖；
[0037] 圖9為橫向六個焦點的強度分布圖；
[0038] 圖10為橫向六個焦點的相位圖。
[0039] 附圖中，各標號所代表的部件列表如下：
[0040] 1、激光器，2、偏振片，3、擴束及準直系統(tǒng)，4、空間光調制器，5、4F傅里葉變換成像 系統(tǒng)，6、物鏡。
【具體實施方式】
[0041] 以下結合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0042] 實施例1:
[0043] 如圖1所示，一種橫向多焦點產(chǎn)生裝置，包括：
[0044] 激光器1，用于發(fā)出任意偏振的激光光束；
[0045] 偏振片2，用于將任意偏振的激光光束轉換為線偏振的激光光束；
[0046] 擴束及準直系統(tǒng)3，用于將線偏振的激光光束進行擴束和準直；
[0047] 空間光調制器4,用于將準直擴束后的線偏振激光光束進行相位調制；
[0048] 4F傅里葉變換成像系統(tǒng)5,用于將相位調制后的線偏振激光光束成像到物鏡后孔 徑位置；
[0049] 物鏡6,用于聚焦相位調制后的激光光束，在焦點區(qū)域將產(chǎn)生橫向多個焦點，且每 個焦點的相位和橫向位置是任意可調。
[0050] 如圖2至圖10所示，一種橫向多焦點產(chǎn)生方法，包括