[发明专利]一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法和系统

说明书

本申请实施例公开了一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法和系统，所述方法包括：在加工衍射光学元件(DOE)时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合；利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布；利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。从而产生尺寸可控的聚焦圆环光斑。

技术领域

本申请实施例涉及光学技术领域，具体涉及一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法和系统。

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。

在光通信、生物光子学、光镊等应用中，对于微小圆形光斑的需求日益增长。

发明内容

为此，本申请实施例提供一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法和系统，产生聚焦圆环光斑，尺寸可控。

为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法，所述方法包括：

在加工衍射光学元件(DOE)时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合；

利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布；

利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。

可选地，所述在加工衍射光学元件(DOE)时，使用的光刻工艺单次加工精度控制在±5nm之内；

其中对应的加工深度按照如下公式计算：

其中，λ为入射光波长，n为材料折射率，φ为每个相邻台阶的相位差。

可选地，所述进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合，拟合效率和拟合台阶数按照如下公式计算：

其中，η为拟合衍射效率，A为拟合台阶数。

可选地，所述利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布，包括：

在极坐标下，焦平面的场强分布按照如下公式计算：、

其中J_N为N阶贝塞尔函数，此式可由超几何函数求解，其解为：

其中F2为超几何函数。

可选地，聚焦光斑的衍射极限为：

其中，M²为光束的质量因子，f为聚焦镜焦距，λ为波长，D为入射光斑直径；则结合上述公式计算出不同拓扑荷下对应的内外径和衍射极限DL之间的关系。