[发明专利]一种用于产生超长光管场的离散式复振幅光瞳滤波器

说明书

技术领域

本发明属于矢量衍射光学技术领域，特别一种离散化的、具有透射振幅和相移双重设计自由度的全新复振幅光瞳滤波器，用于大数值孔径光学系统对入射角向偏振矢量光束的聚焦，可在聚焦场区构建三维超长的矢量光管场。该矢量光管场在光学粒子捕获和操控方面有重要应用价值。

背景技术

空变偏振光束（Space-variant polarized beam），是指传播截面上偏振态呈现各向异性或局域相异性分布的一种矢量光束。区别于传统的偏振光束，如线偏振或圆偏振光束，这种新颖的矢量光束具有独特的光物理特性，十多年来受到国际光学界的广泛关注。一种典型的空变偏振矢量光束即是所谓的柱对称矢量光束（Cylindrical vector beam）,其截面偏振态呈柱对称分布，如径向偏振光束（偏振态为沿径向振动的状态）、角向偏振光束（偏振态沿切向振动的状态）等。由于偏振态在空间的特殊分布特性，这类矢量光束经大数值孔径聚焦系统后的聚焦光场，也不同于普通偏振光束的聚焦，其不但可以获得聚焦光场强度的特殊分布模式，且可以获得聚焦场偏振态的特殊分布模式。

基于标量衍射理论和低数值孔径系统，在先技术[1](参见云茂金，刘立人等，“三维超分辨复振幅光瞳滤波器”，发明专利申请号：200410066745.4）设计了一种三区的复振幅滤波器，用以实现聚焦区的三维超分辨；在先技术[2]（参见谭久彬、刘涛等，“角十字扇形复振幅光瞳滤波器”，发明专利申请号：200810064991.4）设计了一种角十字扇形复振幅光瞳滤波器，用以实现高质量轴向平顶光强分布。以上两种技术中所涉及的复振幅光瞳滤波器，属于低数值孔径下标量光场衍射的光学技术范畴，均未涉及入射光场偏振态在传输及聚焦过程中的作用。

在先技术[3]（参见Q.Zhan and J.R.Leger，“Focus shaping usingcylindrical vector beams”，Opt.Express,2002,10(7):324–331）提出了一种简单的聚焦整形技术，利用一个由双半波片级联组成的偏振旋转器，通过适当调整半波片的旋转角，将角向偏振光束、径向偏振光束转换成广义的柱对称矢量光束，实现聚焦强度模式的整形。然而，该技术由于仅使用了偏振态调控手段，因此无法获取超长焦深的聚焦光场。

在先技术[4]（参见W.Chen and Q.Zhan，“Three-dimensional focus shaping with cylindrical vector beams”.Opt.Commun.2006,265(2):411–417）将柱对称矢量偏振光束和二元衍射光学元件相结合，提出了一种三维聚焦整形方法。适当调整圆柱矢量光束的参数和衍射光学元件（DOE）的设计参数，实现聚焦区域场强模式整形。该技术使用了光瞳面上偏振态操控和相位调控手段，但由于缺少光瞳面上振幅的有效调控，无法获取本专利申请涉及的特殊聚焦光场。

在先技术[5](参见H.F.Wang,L.P.Shi等,“Creation of a needle of longitudinally polarized light in vacuum using binary optics,”Nat.Photon.,2008，2：501–505）以径向偏振的贝塞尔—高斯入射光，经一个二元衍射光学元件滤波后聚焦，获得了一种沿轴向偏振的聚焦“光针”场。但由于该技术使用的入射光场模式固定，仅结合相位调控，“光针”场质量受到约束，同时限制了其他具有特殊聚焦特性光场的产生。

以上分析表明，目前尽管有某些针对特殊光场的获取方式，但均有其限制所在，故本发明人针对现有技术的种种不足，提出一种可产生特定光场的滤波器结构，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种用于产生超长光管场的离散式复振幅光瞳滤波器，其适用于角向偏振的入射矢量光场，通过对入射光场进行复振幅的调制，经大数值孔径聚焦系统后，能获取超长的中空“光管”场。这种衍射受限的光管场为纯角向偏振的矢量光场，光管横向直径低于半个光波长，轴向长度可达数个波长，可应用于纳尺度粒子的捕获与操控。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：