[发明专利]一种利用相位板控制焦点位置方法有效

专利信息
申请号: 201310187817.X 申请日: 2013-05-21
公开(公告)号: CN103235413A 公开(公告)日: 2013-08-07
发明(设计)人: 郭汉明;翁晓羽;王小亚;谭志华;庄松林 申请(专利权)人: 上海理工大学
主分类号: G02B27/09 分类号: G02B27/09;G02B27/28
代理公司: 上海申汇专利代理有限公司 31001 代理人: 吴宝根
地址: 200093 *** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 一种 利用 相位 控制 焦点 位置 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种应用光学技术,特别涉及一种利用相位板控制焦点位置方法。

背景技术

焦点区域光强分布由于其性质极大地影响着光学系统的性能,所以一直研究的热点。随着物镜数值孔径的增加,由于光束的矢量特性的影响越来越大,在焦点区域呈现特殊性质,并已经广泛应用于光信息存储、光学显微、平版印刷术,激光加工、光学微操纵、超分辨、光与物质相互作用等光学系统。

1986年,Ashkin在实验上利用线偏振高斯光束经高数值孔径物镜聚焦后对微粒控制,并且提出光镊的概念。自此之后,研究人员把目光集中在如何产生各种光镊。例如,通过聚焦柱矢量光束可以产生比线偏振光更大的光梯度力,并且可捕捉金属微粒;通过波前相位调制,可以在焦点区域上产生沿光轴的多焦点,而且改变环与环的相位差,可以此多焦点沿光轴连续移动,以此可让束缚在每个焦点的微粒沿光轴进行传输。然而,对于如何自由控制单一焦点位置依然是难点。Shaohui Yan等人在4pi光学系统中通过利用特殊的复合型光瞳滤波器可以使入射光束为径向偏振光的聚焦光斑沿光轴自由移动(参见文献“Shifting the spherical focus of a 4Pi focusing system” Optics Express. 19(2), 673-678 (2011).)。而且通过后续的研究中,该研究人员在相同的光学系统中采用不同的光瞳滤波器让光斑可以在焦点区域三维移动。然而,以上两个方法存在三个不足之处:第一,该方法只针对入射光为径向偏振光聚焦之后的光斑,对于其他偏振态的光束不起作用;第二,在4pi光学系统中实现光斑移动,增加了光路调节的难度,降低了实验的灵活性,同时限制了该方法的应用范围;第三,光斑的位置不能简单的通过改变光瞳滤器的某个参数来实现控制,必需重新计算该光瞳滤波器的透过率,这不利于对焦点的连续控制。

发明内容

本发明是针对现在焦点位置控制存在的问题,提出一种利用相位板控制焦点位置方法,具有光学系统简单,可对任意偏振光聚焦后的光斑在焦平面上连续移动,光斑移动范围大的特点。

本发明的技术方案为:一种利用相位板控制焦点位置方法,具体包括如下步骤:

1)任意偏振态光束作为入射光垂直入射可调扩束镜,调节可调扩束镜,使从可调扩束镜出射的光束为半径R的平行出射光束;

2)可调扩束镜出射的平行光进入与可调扩束镜同轴的具有相位沿角向余弦分布的相位板,相位板出射光束的相位成余弦分布,相位板透过率为:

,其中,i为虚数,m为控制相位板的相位变化的范围参数,t为该余弦相位变化的角频率;                                                为控制余弦变化的起始点;A可为任意实数;

3)相位板出射的光进入与可调扩束镜同轴的高通滤波器,高通滤波器内圆半径为r0,内圆的透过率为0,外圆半径为R,时,其透过率为1;

4)从高通滤波器出射的光束最后由与可调扩束镜同轴的物镜聚焦;

5)调节具有相位沿角向余弦分布的相位板中的两个参数进行对焦点的连续移动,最终得到需要的焦点位置。

所述可调扩束镜用伽利略型扩束镜或开普敦型扩束镜。

所述具有相位沿角向余弦分布的相位板用相位型空间光调制进行编码实现或直接加工镀膜实现。

所述高通滤波器用振幅型空间光调制器进行编码实现或直接加工镀膜实现。

所述步骤2)中的A可为任意实数,如当A为0时,该相位板的相位变化范围为,A控制相位板的相位变化的起始位置。

所述步骤2)中的t为该余弦相位变化的角频率,其值的变化范围为0.8到1.2。

所述步骤4)中的物镜焦平面上焦点位置为,调节具有相位沿角向余弦分布的相位板中的参数mm越大也随之变大;与相同。

本发明的有益效果在于:本发明利用相位板控制焦点位置方法,入射光束可以为任意偏振态光束,且对任意数值孔径的物镜均有效。此外,本方法避免了采用4pi双物镜聚焦光学系统,仅需要采用单一物镜聚焦光学系统就能达到焦点在焦平面上自由移动,极大地提高了实验及应用的灵活性和可操作性。

附图说明

图1为本发明实施例聚焦光学系统示意图;

图2为本发明实施例在不同时相位板示意图;

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