[发明专利]一种多焦点阵列光斑的发生装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多焦点阵列光斑的发生装置及方法。

背景技术

由于近几年纳米光学的快速发展，对紧聚焦光场中聚焦光斑的偏振方向的操控已经成为一个新的研究方向。在很多的光学现象中对聚焦光的偏振控制非常重要。例如，不同偏振方向的光可以选择性的与非线性材料进行相互作用，利用这种选择特性可以用纳米尺度的金粒子棒来进行超高分辨率的光学成像。其次，偶极分子与光相互作用时的激发效率与光的偏振方向有关，不同偏振方向的光将产生不同的激发强度，因此利用这种效应可以用于高分辨率的荧光分子成像。除此之外，在高数值孔径物镜聚焦系统中对焦点偏振方向的控制还提供了一种全新的偏振显微成像技术，这种偏振显微成像技术可广泛应用在多维数据存储、偏振信息安全加密、非线性成像与基于表面等离子基元的光子器件等。

目前，对焦点的偏振方向控制技术主要集中在高数值孔径物镜聚焦区域的一个焦点上，还没有一种技术能够对多焦点阵列中的每个焦点的偏振方向和空间位置同时进行任意控制。主要基于两个方面的原因：一方面，对于多焦点阵列光斑的产生，主要基于液晶空间光调制器对物镜的后焦面上的光场分布进行相位调制的方法。但是，大多数的调制相位主要基于迭代优化算法得出的，这种基于优化算法得出的相位缺少灵活性，很难实现对多焦点阵列中的每个焦点的偏振方向进行调制和控制。另一方面，尽管可以通过两个正交的光场成分的干涉叠加，实现在多个衍射级次上的焦点的偏振方向调控【Sci.Rep.3,2281(2013)】，但是这种方法具有复杂的结构，而且只对低数值孔径物镜焦点的偏振具有调控作用。最近，通过角向偏振光束的聚焦可以实现多个焦点的偏振方向控制【Opt.Lett.39,6771(2014)】，但是此技术缺少灵活性，其聚焦的光斑阵列只限制在四个焦点上，而且每个焦点的空间位置也不可调。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可同时实现每个焦点的偏振方向可调与空间位置可调的多焦点阵列光斑的发生装置及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种多焦点阵列光斑的发生方法，包括以下步骤：

步骤S1.发出任意偏振的激光光束；

步骤S2.将任意偏振的激光光束转换为线偏振的激光光束；

步骤S3.将线偏振的激光光束进行准直扩束；

步骤S4.将准直扩束后的线偏振激光光束进行相位调制；

步骤S5.将相位调制后的线偏振光转换为角向偏振的激光光束；

步骤S6.聚焦角向偏振激光光束，在聚焦区域将产生多个焦点的阵列光斑，且每个焦点的偏振方向和空间位置是任意可调的。

进一步，所述步骤S4的激光光束相位调制对应产生聚焦区域后焦面上的纯相位调制。

进一步，所述步骤S4的激光光束相位调制对应产生多个焦点在聚焦区域上纯相位调制的发生方法，包括以下步骤：

步骤S41.将聚焦区域的后焦面对应的入射光瞳平均分为N个面积相同的扇形：A₁、A₂……A_N-1、A_N，其中每个扇形区域的顶点为入射光瞳的中心，扇形的半径为入射光瞳半径R，每个扇形的圆心角为其中N为偶数；

步骤S42.确定阵列光斑的数目M，再将每个扇形区域进一步分为M个面积相等的子扇形区域：S₁、S₂……S_M-1、S_M，其中每个子扇形区域的顶点还是入射光瞳的中心，每个子扇形区域的半径为入射光瞳半径R，且每个子扇形区域对应的圆心角为

步骤S43.将N×M个子扇形依次对应填入相应焦点位置的相位分布其中，m＝1，2，……M，获得调制产生M个焦点的空间位置可调的相位分布ψ₁；

步骤S44.确定每个焦点的线偏振方向，设焦点的线偏振方向与x轴的夹角为β，则M个焦点具有M个偏振方向，设其与x轴的夹角分别为β_m＝β₁、β₂……β_M；将半径为R的圆形入射光瞳沿直径方向分为对称的两个半圆部分，其中一个半圆里的相位为0，另一个半圆里的相位为π；旋转对称直径的方向，使其与x轴方向夹角分别为β_m，将获得M个沿不同对称方向的(0，π)调制的相位分布；

步骤S45.将M个不同对称方向的(0，π)调制的相位分布对应填入在N×M个子扇形区域，获得用于调制产生每个焦点的偏振方向可调的相位分布ψ₂；