[发明专利]一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法

说明书

本发明提出了一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法，该装置包含反射镜对、二向色镜、二分之一波片、四分之一波片、聚焦透镜、定制的涡旋光纤、偏振控制器和CCD。定制的涡旋光纤带有布拉格光栅和长周期光栅，用于模式筛选。通过反射镜对控制两束不同波长的光的传播方向，使其通过二向色镜同时耦合进涡旋光纤。涡旋光纤将其中一束光转化为角向偏振光，作为抑制光；同时使另一束光保持为高斯光束，作为激发光。利用光纤的自共轴性，实现两束光严格共轴，角向偏振光会抑制高斯光束除中心以外其他地方的光场与物质的相互作用，从而实现超衍射极限双光束耦合。本发明可广泛应用于显微成像、超衍射极限纳米光刻、粒子捕获等领域。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法。

背景技术

众所周知，跨尺度低成本的纳米加工技术对信息科技革命有着巨大的推动作用，但显微成像、纳米加工等纳米尺寸技术受阿贝衍射极限的限制，单光束激光可获得的特征尺寸大于半波长。1994年德国科学家提出受激辐射抑制(STED)光学超分辨成功的解决了衍射极限问题，使得双光束激光加工、双光束显微成像最近取得了巨大发展。受激辐射抑制(STED)光学超分辨采用一束激光激发聚合反应过程(激发光)，同时用另一束空间重叠的中空环形激光在激发光焦点周围抑制前述聚合反应(抑制光)，是近年来获得广泛关注的圆柱矢量模式类中最成功的应用之一。

尽管有了巨大的发展，但当前实现双光束的几种方法都是使用自由空间光束整形设备来实现所需波长的高斯光束和抑制光束的重叠。通常需要两个不同的激光束精确共对准，实现较为困难。但是基于光纤的方案不仅可以实现双光束的共轴输出，而且具有更低的损耗，因此系统更紧凑、更可靠，便于广泛采用。

双光束光刻利用圆环形状的抑制光束来抑制由写入光束触发的光聚合，从而减小微纳结构的特征尺寸，提高分辨率。虽然聚焦写入光束和抑制光束都致使光斑尺寸受到衍射的限制，但是双光束光刻的特征尺寸和分辨率可以打破两个聚焦光束衍射尺寸的限制。虽然电子束刻蚀可以实现高分辨率，但是电子束刻蚀不能进行3D制作。单光束光刻能够制造三维任意几何形状，然而，光的衍射特性限制了加工的最小尺度。双光束光刻具有通过光抑制策略制造具有纳米特征尺寸和分辨率的三维任意几何形状的优势，可与电子束刻蚀相媲美。在STED显微成像等领域，同样面临着双光束的共轴耦合问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现双光束共轴输出的耦合装置和方法，其利用定制涡旋光纤产生空心抑制光和保持激发光强度分布不变，并输出严格自共轴双光束。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种实现双光束共轴输出的方法，其包括如下步骤：步骤1，将激发光利用第一二分之一波片调整为水平偏振光，利用平行反射镜对控制激发光束的传播方向至二向色镜；

利用第二二分之一波片和四分之一波片的组合方式来调节抑制光的偏振并与激发光偏振匹配，而后利用反射镜对改变其传播方向至二向色镜；

利用二向色镜将抑制光、激发光沿同一方向共轴传播；

步骤2，利用聚焦透镜将两束光同时耦合进单模光纤；

步骤3，利用单模光纤的传输将两光束耦合进布拉格光栅，而后利用长周期光栅配合偏振控制器将两束光进行模式筛选，从抑制光中筛选出角向偏振光，激发光保持强度分布不变，利用涡旋光纤(16)传输角向偏振光和基模高斯光束，最后输出共轴的两束光。

步骤1中，利用脉冲激光器产生的锁模啁啾脉冲激光作为激发光。

步骤2中，聚焦透镜将两个光束的聚焦光斑的大小控制在2μm。

一种实现双光束共轴输出的耦合装置，其包括：

用于将激发光调整为水平偏振光的第一二分之一波片，其光路输出方向设置有将激发光传播至二向色镜的平行反射镜对；