[发明专利]一种环形聚焦光斑的实现方法及其实现装置

说明书

本发明公开了一种环形聚焦光斑的实现方法，包括将激光光束扩束准直后转换为线偏振的激光光束；将准直扩束后线偏振激光光束利用反射型纯相位空间光调制器进行激光光束相位调制；将相位调制后线偏振光通过4F成像系统成像到聚焦物镜的后孔径平面；物镜对相位调制的入射线偏振激光光束聚焦，在焦平面区域产生多个位于圆周上的焦点，焦点之间方位角间隔相等；当圆周半径缩小到一个波长λ，产生环形光斑，圆周半径r变化时，环形光斑的尺寸连续变小，直到形成实心光斑；当计算多幅相位调制图时，每幅对应的位置移动变化很小，更新空间光调制器的相位图使得环形光斑连续移动。本发明实现非涡旋平面线偏振光聚焦产生动态的、位置与尺寸精确控制的环形光斑。

技术领域

本发明涉及到光学领域，尤其涉及到一种环形聚焦光斑的实现方法及其实现装置，激光束通过高数值孔径物镜聚焦产生特殊形状，产生在焦平面上位置可控、尺寸可以改变的环形聚焦光斑。

背景技术

激光束通过高数值孔径物镜聚焦，其光斑形状、位置、相位分布、强度分布、偏振分布与入射激光束的振幅分布、偏振状态、相位调制以及物镜的数值孔径都有关。由于激光经物镜聚焦产生的光斑与很多应用领域有关，因此，研究如何通过改变入射激光束的振幅分布、相位分布、偏振分布实现各种应用所需要的激光聚焦光斑成为一个非常重要的研究领域。在激光直写光刻等领域，激光聚焦光斑通过光与物质材料相互作用来实现的。相互作用的区域越小，其分辨能力、信息密度或加工精细度等就越高。然而，单个光斑的尺寸受衍射极限的限制，只能聚焦到大约半个波长左右。

另一方面，激光束通过物镜聚焦形成的环形光斑和圆形实心光斑在捕获微小尺寸颗粒方面可以单独发挥不同的作用。在微粒操控方面，环形光斑的尺寸直接决定了可操控颗粒的大小。由于环形光斑处于光轴上，要想捕获离轴的微粒，需要横向移动微粒与激光光斑的相对位置，要么移动激光束，要么移动样品台。移动激光束是不方便的，移动样品台则需要定位精度很好的样品台和控制系统。现有的光镊系统在捕获不同尺寸的微粒或在捕获离轴的微粒方面缺少灵活性。

环形聚焦光斑尺寸的大小，与涡旋光束的拓扑荷有密切关系。研究表明，通常拓扑和变大，环形聚焦光斑尺寸也变大。而且拓扑荷只有为整数时，聚焦环形光斑才是圆对称的。因此，要想获得直径最小的圆对称环形光斑，拓扑荷为1似乎是最好的选择。然而是否产生环形光斑以及环形光斑的大小，还与入射光束的偏振状态有关。数值模拟研究表明：拓扑荷为1时，径向偏振光束聚焦不会产生环形光斑。只有拓扑荷为2的径向偏振涡旋光束聚焦才能产生环形光斑。而线偏振涡旋光束的聚焦光斑虽然是环形光斑，但却是非圆对称环形光斑。对于角向偏振光束聚焦，即使拓扑为0的非涡旋角向偏振光束，也能产生圆对称环形光斑。

对于圆偏振涡旋光束，只有当拓扑荷为整数时，才能产生圆对称的环形光斑。尽管线偏振光束，是最常遇到的偏振光束，而且产生线偏振光方法比较简单。但是还没有办法使得涡旋线偏振光束聚焦产生圆对称的环形光斑。而且环形光斑的大小只能通过拓扑荷的整数值变化才能改变，这种变化是不连续的。

发明内容

为了克服上述。本发明提出了一种环形聚焦光斑的实现方法及其实现装置，利用纯相位空间光调制器的动态相位调制功能，实现非涡旋平面线偏振光聚焦产生动态的、位置与尺寸能精确控制的圆对称环形光斑。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种环形聚焦光斑的实现方法，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；