[发明专利]用于高数值孔径物镜的圆环达曼光栅

说明书

技术领域

本发明涉及高数值孔径下物镜聚焦光场的整形技术，特别是一种用于高数值孔径物镜的圆环达曼光栅。

背景技术

达曼光栅自发明以来，在激光分束和合束、光开关、并行激光加工等领域得到了人们越来越广泛的关注和重视。达曼光栅的基本思想是通过调节光栅周期内加入的位相转折点的位置，来实现光栅不同级次上的能量重新分布。达曼光栅正是利用这种一系列的位相转折点的调制，以实现设计的衍射级次之间的能量的均匀分布和高效率。从广义上来讲，达曼光栅也属于一种激光整形结构。周常河等『Opt.Lett.28，2174-2176(2003)』首次将这种位相调制思想引入到圆环光栅，提出了圆环达曼光栅。这种圆环达曼光栅可以实现在透镜的聚焦面上多个等强度的环形光斑分布。现在，圆环达曼光栅经过赵帅、Wen等人进一步发展，已经在多个方面取得各种实际的应用：如角度的测量『Appl.Opt.47，5197-5200(2008)』、远距离面积测量『Appl.Opt.49，648-652(2010)』、快速焦距测量『Appl.Opt.46，44-49(2007)』、准直检测『Opt.Commun.279，1-6(2007)』以及光学图像编码『Appl.Opt.48，134-139(2009)，Appl.Opt.50，B38-B45(2011)』等。

然而，上述现有的圆环达曼光栅都是在低数值孔径透镜聚焦的情况下设计的。当聚焦物镜数值孔径进一步的增大(例如NA＞0.5)，原先设计时采用的标量衍射理论就不再适用。众所周知，由于其去偏振效应，高数值孔径物镜的聚焦光场是偏振相关的。这时候，焦面上的聚焦光场也不再是入射光场的二维傅立叶变换(或称之为汉克尔变换)。于是，适用于标量下的圆环达曼光栅的设计方法和理论也不再适用于高数值孔径下的圆环达曼光栅的设计。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于高数值孔径物镜的圆环达曼光栅，将该圆环达曼光栅置于高数值孔径NA＝0.9的聚焦物镜前，在该高数值孔径聚焦物镜的焦面上形成多个等强度的环形光斑。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于高数值孔径物镜的圆环达曼光栅，特点在于其构成是中心对称的同心圆环的多区结构，该多区的相位分布自内向外依次按0、π相间分布，并且其通光孔径与对应的高数值孔径聚焦物镜的通光孔径一致，该圆环达曼光栅的二元相位结构的同心圆环的归一化半径与所述的高数值孔径聚焦物镜的数值孔径相关，并且还与入射光场的偏振态和强度分布有关。

所述的二元相位结构的同心圆环的归一化半径，在圆偏振态平面波入射、数值孔径为0.9的前提下，对应不同级次环形光斑分别为：

1阶1环且中心为暗斑，对应的归一化半径依次为0，0.67212，0.99783和1；

1阶1环且中心为亮斑，对应的归一化半径依次为0，0.55907，0.98823和1；

2阶2环且中心为暗斑，对应的归一化半径依次为0，0.00331，0.21620，0.70375，0.99195和1；

2阶2环且中心为亮斑，对应的归一化半径依次为0，0.18064，0.52809，0.91447，0.99684和1；

3阶3环且中心为暗斑，对应的归一化半径依次为0，0.22775，0.31743，0.60057，0.88606，0.90080，0.91753和1。

本发明的技术效果：

通过利用光刻和干法或湿法刻蚀技术相结合的方法在透明介质表面加工出一系列的同心圆环结构，其中相邻环区的相位延迟从内到外依次为0、π相位相间分布。把数值孔径NA＝0.9和特定入射光场偏振态和强度分布的圆环达曼光栅加入到高数值孔径NA＝0.9的聚焦物镜前，在该高数值孔径聚焦物镜的焦面上形成多个等强度的环形光斑。这些等强度的环形光斑的尺寸在波长量级，而其中心暗斑或环形暗斑的尺寸在亚波长量级，这些波长或亚波长量级的暗斑或亮斑在激光粒子捕获、受激损耗荧光显微技术等领域有着重要的应用前景和实用价值。

附图说明

图1是本发明圆环达曼光栅用于高数值孔径物镜的聚焦示意图：

001-入射光场；100-圆环达曼光栅；200-高数值孔径物镜；300-系统有效通光孔径。

图2是本发明典型的圆环达曼光栅的俯视图。

图3是图2圆环达曼光栅的剖面图。

图4是本发明圆环达曼光栅设计流程图。