[发明专利]利用柱状矢量光束实现多焦点三维任意移动的装置及方法

说明书

本发明公开了利用柱状矢量光束实现多焦点三维任意移动的装置及方法，柱状矢量光束分别经过振幅调制器和相位调制器，携带了振幅信息和相位信息，然后光束通过高数值孔径透镜聚焦，在焦场区域能够获得多个焦点，并且每个焦点的几何形状、偏振态分布和电场分布完全相同。通过在柱状矢量光束上加载特定的振幅信息和相位信息，在焦场区域可以实现每个焦点处在特定位置；通过在柱状矢量光束上加载动态的振幅信息和相位信息，可实现多个焦点在三维空间中按预定的轨迹移动。本发明方法容易实现，装置结构简单，易于调整，制造成本低；装置稳定性好，不需要其他特殊的光学元件。

技术领域

本发明涉及柱状矢量光束的紧聚焦特性调控，属于光场的焦场工程领域，特别是利用柱状矢量光束实现多焦点三维任意移动的装置及方法。

背景技术

1986年，Ashkin等人研究发现利用高数值孔径聚焦单光束可无接触地操控微纳介质粒子，这种单光束光学捕获被称为光镊技术。光镊技术可操控各种微纳粒子，从原子、分子到细胞，并在诸如物理、化学、生物等领域均有广泛的应用价值。光镊的工作原理是利用光场强度空间变化形成的梯度力把微纳粒子稳定地捕获在光强最强处，即光束的焦点位置。为了获得足够大的梯度力，能够将微纳粒子稳定地束缚在光场势阱中，光束需要经过高数值孔径透镜聚焦。当激光束经过高数值孔径透镜聚焦后，如果能使焦点移动就可以操控捕获的微纳粒子一起移动，实现对微纳粒子的实时动态操控。

近年来，柱状矢量光束引起了人们越来越多的关注。矢量光束是指同一时刻同一波阵面上不同位置具有不同偏振态分布的光场。矢量光束具有特定的偏振分布，其焦场具有特殊的光场分布。矢量光束的偏振态调控在光镊技术中也展现出了独特的优势。例如紧聚焦径向偏振光比线偏振光拥有更大的梯度力，并且在光轴方向上不存在散射力；而紧聚焦角向偏振光能够捕获折射率比周围介质小的微纳气泡。

为了提高微纳粒子的捕获和操控效率，研究者们通过对入射光束的振幅、偏振态和相位进行调控从而达到调控焦场的目的。例如利用衍射光学元件对柱状矢量光束进行调控可以在焦场区域产生多个焦点[S.Yan,B.Yao,W.Zhao and M.Lei,“Generation ofmultiple spherical spots with a radially polarized beam in a 4Pi focusingsystem,”J.Opt.Soc.Am.A 27(9),2033–2037(2010).]；利用4Pi系统和相位板，实现了球形粒子在三维空间里的平移[Z.Li,S.Yan,B.Yao,M.Lei,B.Ma,P.Gao,D.Dan and R.Rupp,“Theoretical prediction of three-dimensional shifting of a spherical focalspot in a 4Pi focusing system,”J.Opt.14(5),055706(2012).]。然而，到目前为止，还没有文献报道能够实现对多焦点在三维空间里的任意移动。

设计利用柱状矢量光束实现多焦点三维任意移动的方法及装置，既能根据需要在焦场区域产生多焦点，也能实现多焦点在三维空间的任意移动。本发明在光镊、生物光学显微成像和光刻等技术中具有非常广阔的应用价值。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供利用柱状矢量光束实现多焦点三维任意移动的装置及方法，通过加载控制振幅信息和相位信息的全息图，改变焦点的个数和位置。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：利用柱状矢量光束实现多焦点三维任意移动的装置，其特征在于，包括依次排列的光源、透射式振幅型空间光调制器、透射式相位型空间光调制器、高数值孔径透镜；与透射式振幅型空间光调制器连接的振幅控制器、与透射式相位型空间光调制器连接的相位控制器；

所述光源向透射式振幅型空间光调制器发出柱状矢量光束，矢量光束依次垂直入射透射式振幅型空间光调制器、透射式相位型空间光调制器和高数值孔径透镜后，获得焦点；