[发明专利]基于液晶光学相控阵的光束焦点三维独立控制的方法

说明书

技术领域

本发明属于液晶光学、应用光学和衍射光学交叉技术领域。

背景技术

用液晶光学相控阵形成在三维空间内可编程控制单光束焦点或多光束焦点任意无机械惯量移动的方法，对于三维光镊、激光直写、光互联等领域的应用有重要的意义。尤其，在三维多光镊方面的应用前景很大，运用该项技术可以实现单光光镊对于单个微粒的三维操作，多光镊子对空间不同位置的多个粒子同时捕获，并且对被捕获的各个粒子独立进行的三维操作。

目前，现有实现光束三维控制的方法主要采用：机械驱动的万向反射镜或棱镜与自动变焦镜头组合方法、机械驱动的万向反射镜或棱镜与程控变焦透镜组合方法。这些方法都存在因机械惯量而导致的功耗大、重量大等问题。此外，近年来，还出现采用各种相位恢复算法实现光束三维控制的方法，该方法虽然克服了机械惯量而导致的功耗大、重量大等问题，但是其因为都采用相位恢复算法，所以只能被动方式实现光束三维控制。

发明内容

本发明为了解决现有方法存在因机械惯量而导致的功耗大和重量大的问题，以及控制方式为被动控制的缺陷，而提出了基于液晶光学相控阵的光束焦点三维独立控制的方法。

第一种基于液晶光学相控阵的光束焦点三维独立控制的方法的步骤如下：

步骤一：设置液晶光学相控阵的光栅；首先把一个液晶光学相控阵的有效口径分为n个分口径，其中n为自然数，再在每个分口径上形成二维周期可变闪耀光栅和可变焦透镜相位光栅；

所述的二维周期可变闪耀光栅的相位为：

公式一

公式一中，和分别表示在x方向和y方向的一维周期可变闪耀光栅；

x方向的一维周期可变闪耀光栅的相位为：

(0＜x＜Λ_x)                                                        公式二

其中，θ_x为x方向的一维周期可变闪耀光栅的光束偏转角，Λ_x为x方向的一维周期可变闪耀光栅的光栅周期；

y方向的一维周期可变闪耀光栅的相位为：

(0＜y＜Λ_y)                                                    公式三

其中，θ_y为y方向的一维周期可变闪耀光栅的光束偏转角，Λ_y为y方向的一维周期可变闪耀光栅的光栅周期；

根据公式一、公式二和公式三推导得到，二维周期可变闪耀光栅的相位为：

(0＜x＜Λ_x，0＜y＜Λ_y)                                公式四

可变焦透镜相位光栅的相位为：

公式五

其中，f为透镜的焦距；

步骤二：获得液晶光学相控阵上的复合相位光栅的相位；每个分口径上都具有二维周期可变闪耀光栅和可变焦透镜相位光栅，则每个分口径上的二维周期可变闪耀光栅和可变焦透镜相位光栅复合成一个复合相位光栅，所述的复合相位光栅的相位为：

公式六

根据步骤一中的公式四和公式五推出，复合相位光栅的相位为：

公式七

根据公式七得到每个分口径上的复合相位光栅，由于分口径为n个，所以得到液晶光学相控阵上的n个复合相位光栅；

步骤三：一束平行均匀的单色光入射到加载有步骤二所述的复合相位光栅的液晶光学相控阵上；

每一个分口径上的出射光波的光场为：

公式八

对公式八进行傅立叶变换，获得单色光入射到液晶光学相控阵上所在分口径的焦平面上焦点的坐标(ftanθ_x，ftanθ_y)，并将所述的坐标参数带入到公式七中得到复合相位光栅的相位，并根据所述相位控制修改液晶光学相控阵所在复合相位光栅，从而使液晶光学相控阵分割而成的各分口径相互独立，从而实现了多个焦点的三维独立操控。

第二种基于液晶光学相控阵的光束焦点三维独立控制的方法的步骤如下：

步骤一：设置液晶光学相控阵的光栅；在液晶光学相控阵上形成二维等腰三角形相位光栅和二维透镜相位光栅或透镜阵列光栅，

所述的二维等腰三角形相位光栅的相位透过率函数为x、y两个方向一维等腰三角形相位光栅正交表示为：