[发明专利]一种纳米尺度的均匀光学隧道产生方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及到远场光束聚焦调控领域，尤其涉及到一种纳米尺度的均匀光学隧道的产生方法和装置，在显微物镜视场内产生超大长径比光学隧道。

背景技术

通过对激光束的调制实现在物镜视场内光斑或光场的调控一直是一个非常重要的研究热点。不同的光场或光斑在超分辨率光刻，超高密度光学数据存储，微纳尺度结构激光加工，荧光样品超分辨率成像以及微米甚至纳米尺度物质的操控等众多领域具有特殊的应用。其中比较重要有面包圈环形光斑和椭球状实心光斑。当用两个适当波长的激光器在同一物镜聚焦分别产生同轴的面包圈环形光斑和椭球状实心光斑时，后者可以激发荧光或使材料产生物理化学反应，前者则使得抑制荧光或物理化学反应，从而使得后者激发荧光或产生物理化学反应的区域小于光学衍射极限，实现超分辨率荧光成像，超分辨率光学数据记录或超分辨率激光加工。这也是2014年诺贝尔化学奖获得者Stefan Hell提出的STED超分辨率荧光成像的基本原理。上述超分辨的概念是基于二维横向平面内来讨论的。

然而在超分辨激光加工领域，存在加工超长超细三维深孔的加工需求。在三维超分辨深孔加工中，可以利用STED原理实现二维超分辨，同时在深度这个第三维方向实现高深宽比的结构。这就需要产生超长径比激光光针和超长径比激光光学隧道。目前已有一些超长径比光针的产生方法。如对角向偏振光束进行二个环形分区的相位调制方法实现超长径比光针。而光学隧道的产生方法还未见有报道。

发明内容

为了克服现有技术缺乏产生长径比较高，纵向强度均匀性较好的纳米尺寸光学隧道本发明提出利用反射型纯相位空间光调制器对聚焦光束进行相位调制，产生线偏振涡旋光束，然后利用径向偏振光转换器对相位调制线偏振涡旋光束进行偏振调制，获得相位调制径向偏振涡旋光束，再利用4F傅里叶变换成像系统，将上述光束成像到聚焦物镜的后孔径平面进行聚焦。在焦点位置产生大长径比纳米尺度均匀光学隧道。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

本发明的一种纳米尺度的均匀光学隧道的产生装置，包括：激光器、扩束准直系统、线偏振器、第一分光镜、纯相位空间光调制器、第一计算机、4F傅里叶变换成像系统、第二分光镜、径向偏振光转换器、聚焦物镜、均匀光学隧道、平面反射镜、镜筒透镜、CCD电荷耦合成像器件、第二计算机；

其中，所述激光器发射的任意偏振的激光光束，经所述扩束准直系统进行扩束和准直成平面波，然后经所述线偏振器转换成线偏振光，所述第一分光镜将所述线偏振光反射后垂直入射纯相位空间光调制器的反射面；

所述第一计算机加载光束相位调制图到纯相位空间光调制器上，纯相位空间光调制器将准直扩束后的线偏振激光束进行光束相位调制，从所述纯相位空间光调制器反射回来的光通过所述第一分光镜，并通过所述4F傅里叶变换成像系统和第二分光镜到达所述径向偏振转换器，所述径向偏振光转换器将线偏振涡旋光束转换成相位调制径向偏振涡旋光束，所述聚焦物镜将相位调制径向偏振涡旋光束聚焦产生纳米尺度均匀光学隧道，所述第二分光镜将物镜焦平面上光学隧道通过平面反射镜反射，并通过所述第二分光镜后再反射到所述镜筒透镜，所述镜筒透镜出射的光到达所述CCD电荷耦合成像器件，最后成像在第二计算机上，通过第二计算机的显示器显示出来。

本发明提出了一种纳米尺度的均匀光学隧道的产生方法，通过上述装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：激光器发射激光束，任意偏振的激光束经扩束准直系统和线偏振器后转换为线偏振的扩束准直激光光束，准直激光光束经第一分光镜反射后垂直入射反射型纯相位空间光调制器；

步骤S2：第一计算机将相位图加载到反射型纯相位空间光调制器，纯相位空间光调制器将准直扩束后的线偏振激光束进行光束相位调制；

步骤S3：所述纯相位空间光调制器反射回来的光通过所述第一分光镜，4F傅里叶变换成像系统将相位调制的线偏振涡旋光通过第二分光镜和径向偏振光转换器成像到聚焦物镜的后孔径平面；

步骤S4：所述径向偏振光转换器将线偏振涡旋光束转换成相位调制径向偏振涡旋光束；

步骤S5：所述聚焦物镜将相位调制径向偏振涡旋光束聚焦产生纳米尺度均匀光学隧道；

步骤S6：在焦平面附近放置平面反射镜，将反射面朝向聚焦物镜；

步骤S7：聚焦物镜收集的反射光通过第二分光镜反射到达镜筒透镜，再由镜筒透镜成像在CCD电荷耦合成像器件并显示在第二计算机显示器上。

上述技术方案中，步骤S2的激光光束相位调制包括以下步骤：