[发明专利]一种环形聚焦光斑的实现方法及其实现装置

权利要求书

1.一种环形聚焦光斑的实现方法,其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:将任意偏振的激光光束扩束准直后转换为线偏振的激光光束；

步骤S2:将准直扩束后的线偏振激光光束利用反射型的纯相位空间光调制器进行激光光束相位调制；

步骤S3:将相位调制后的线偏振光通过4F傅里叶变换成像系统成像到聚焦物镜的后孔径平面；

步骤S4:物镜对相位调制的入射线偏振激光光束聚焦，在焦平面区域将产生多个位于圆周上的焦点，且每个焦点之间方位角间隔相等；

步骤S5:当圆周半径缩小到一个波长λ，产生环形光斑，圆周半径r在0＜r＜λ范围内变化时，环形光斑的尺寸连续变小，直到形成一个实心光斑，通过改变圆周的圆心位置，使环形光斑位置横向发生任意的移动；

步骤S6:当计算多幅相位调制图时，每幅对应的位置移动变化很小，且连续动态更新空间光调制器的相位图使得环形光斑连续移动。

2.根据权利要求1所述的一种环形聚焦光斑的实现方法，其特征在于，所述步骤S2的激光光束相位调制包括以下步骤：

步骤S201:将物镜的圆形后孔径平面均分为M个面积相同的扇形；其中每个扇形区域的顶点为入射后孔径平面的中心，扇形的半径为物镜后孔径平面的半径R，每个扇形的圆心角为其中M为偶数；

步骤S202:确定横向多焦点数目N，再将步骤S201划分的每个扇形区域进一步分为N个面积相等的子扇形区域,其中每个子扇形区域的顶点还是后孔径平面的中心，每个子扇形区域的半径为圆形后孔径平面的半径R，且每个子扇形区域对应的圆心角为Δδ＝2π/(MN)；

步骤S203:将M×N个子扇形区域进行以下相位调制，第m个扇形区域的第n个子扇形区域的相位调制值在坐标x₀,y₀点的相位ψ_mn(x₀,y₀)为：

其中m为小于等于M的正整数，其中N.A.为物镜的数值孔径，λ为波长，n_t为焦点区域的折射率，x₀,y₀为后孔径平面上的直角坐标，Δx_n和Δy_n分别由下两式得到：

其中，x_c,y_c为圆心在x₀,y₀直角坐标系中的坐标值，r为圆周的半径；将ψ_mn(x₀,y₀)绘制成代表0到2π的灰度图；

步骤S204:将绘制的灰度图加载到反射型纯相位空间光调制器的反射面上。

3.根据权利要求2所述的一种环形聚焦光斑的实现方法，其特征在于，所述步骤S202中的横向多焦点数目N在一定范围调节，每个焦点等间距分布在一个圆周上，当半径缩小时，相邻焦点之间间距缩小，直到连接在一起，形成一个环形光斑。

4.根据权利要求3所述的一种环形聚焦光斑的实现方法，其特征在于，所述位于圆周上的等间距焦点连接成一个平滑的圆周环后，进一步缩小半径，以获得不同半径的圆对称聚焦环形光斑。

5.根据权利要求2所述的一种环形聚焦光斑的实现方法，其特征在于，所述环形光斑的圆心通过改变x_c,y_c的数值而改变，环形光斑的位置任意移动。

6.根据权利要求2所述的一种环形聚焦光斑的实现方法，其特征在于，所述环形光斑上每一个点的偏振方向与入射到物镜的激光光束线偏振方向一致。

7.一种根据权利要求1-6任一项所述的环形聚焦光斑的实现方法的实现装置，其特征在于：包括激光器、扩束及准直系统、线偏振起偏器、立方分光镜、纯相位空间光调制器、4F傅里叶变换成像系统、物镜、镜筒透镜、电荷耦合成像器件以及计算机显示器；

所述激光器发出的任意偏振的激光光束，经所述扩束及准直系统进行扩束和准直成平面波，经所述线偏振起偏器转换成线偏振光，所述立方分光镜将所述线偏振光反射，反射后的线偏振光垂直入射空间光调制器的反射面，进入纯相位空间光调制器；

所述计算机加载光束相位调制图到纯相位空间光调制器上，所述纯相位空间光调制器对入射光进行相位调制，从所述纯相位空间光调制器反射回来的光先通过所述立方分光镜，并通过所述4F傅里叶变换成像系统，所述立方分光镜将物镜焦平面上环形光斑反射的光通过物镜后再反射到镜筒透镜，所述4F傅里叶变换成像系统将相位调制后的线偏振激光光束成像到所述物镜的后孔径位置上，并使入射物镜的激光束相位得到调制；

相位调制后的激光束通过所述物镜聚焦后在焦平面处形成N个位于圆周上的等间距焦点，当圆周半径r小于一个波长时,圆对称环形光斑通过在焦平面放置反射镜面将光斑反射进入所述物镜，然后由所述立方分光镜反射进入所述镜筒透镜，出射到所述电荷耦合成像器件，最后成像在计算机上，通过计算机显示器显示出来。