[发明专利]一种适用于宽波段矢量光场的消色差光瞳滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及激光滤波与激光聚焦的技术领域，具体讲涉及一种适用于宽波段矢量光场的消色差光瞳滤波器。

背景技术

不改变光学通光孔径，通过在光路中使用一种所谓的光瞳滤波器，实现对光的滤波处理，包括对波长(频率)、相位、振幅和偏振态的处理，从而实现出射光场有目的性的调控，是目前光学调控中一类系统的技术和方法。研究与技术人员通过设计各种类型的光瞳滤波器，实现了许多有效的调控光束。

根据滤波后光束聚焦的不同，分为两类滤波器，一类是针对低数值孔径聚焦系统的设计，另一类是针对高数值孔径聚焦系统针的设计。

对低数值孔径的成像或聚焦系统，通过复振幅滤波器的设计，可以实现成像分辨率的提高，或者实现特殊类型的聚焦光场。专利号：200410066745.4、名称为：“三维超分辨复振幅光瞳滤波器”的发明专利，提出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；专利号：ZL200810064991.4，名称为“角十字扇形复振幅光瞳滤波器”的发明专利，提出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，均是基于标量衍射设计理论。对高数值孔径成像或聚焦系统，需要考虑光场偏振态在传输与聚焦过程中的作用，需要使用矢量衍射方法对 滤波器进行设计，滤波对象光束也从普通的偏振光束如线偏振、圆或椭圆偏振光束变为矢量光束。所谓矢量光束，是指光束的传播截面上，偏振态呈现各向异性或局域相异性分布。其中有一种比较特殊的具有柱状轴对称偏振分布的轴对称矢量光束，其偏振态、振幅和相位在光束横截面上均呈轴对称分布。由于它这种特殊的矢量偏

振性质，它经过高数值孔径透镜聚焦后，焦点附近能够得到很强的纵向偏振光场，表现出极强的聚焦能力，已经引起了研究人员的广泛关注。

在先技术“Creation of a needle of longitudinally polarized light invacuum using binary optics,”H.F.Wang,L.P.Shi等,Nat.Photon.,2008，2：501–505，公开了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。在先技术“Three-dimensional focus shaping with cylindrical vector beams”.W.Chen and Q.Zhan，Opt.Commun.2006,265(2):411–417，公开了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。适当调整柱对称矢量光束的参数和二元光学元件的设计参数，实现聚焦区域场强模式整形。但是以上两种方法里，所提出的相位滤波器是基于单一波长的设计，所设计的滤波器仅适用于某一波长光束。

以上所述技术涉及到的光瞳滤波器，只适用于单色光的滤波。而在许多实际应用中，光波具有一定宽度，或者需要根据使用情况变换光束波长，但随入射光波段增加或者波长变更，滤波效果会变差，甚至无法达到预期调控光束目的，在应用上受到一定的限制。

因此，为克服上述技术缺陷，本发明提供一种适用于宽波段的消色差光瞳滤波器。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种适用于宽波段矢量光场的消色差光瞳滤波器；不同波长或具有一定带宽的矢量激光束,通过该滤波器并经大数值孔径透镜聚焦后，均可实现对激光束聚焦特性的有效调控。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种适用于宽波段矢量光场的消色差光瞳滤波器，其特征在于：所述滤波器包括三片重叠设置的分区的双折射延迟波片，每片双折射延迟波片由不同半径的同心圆区及环带区构成，其所述环带区对中心波长相位延迟为多级或零级的半个波长；相邻的所述环带区的光轴方向相互垂直；外侧两片所述双折射延迟波片的最内区光轴方向平行；双折射延迟波片的所述分区包括中心的圆域区和其之外的三个同心环带区；环带结构参数如下所述：滤波后的矢量光束经过大数值孔径系统聚焦获得聚焦区任一点Q(r，φ，z)处的光场分布可表示为

式中，θ为数值孔径角；

其中，为经过透镜折射后的光场，沿着X,Y,Z方向振动的各光场分量表示为