專利名稱：實現(xiàn)激光遠場衍射光斑超分辨壓縮的位相板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光光束波面整形，特別是指采用超分辨技術(shù)設(shè)計以實現(xiàn)激光遠場衍射光斑超分辨壓縮的位相板。該種位相板還可用于顯微鏡質(zhì)量的改善及光盤存儲容量的提高。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，利用衍射光學(xué)的結(jié)論對遠場衍射光斑進行壓縮，具體地說就是設(shè)計和制造出一種實現(xiàn)激光遠場光斑超分辨壓縮的位相板。
一種實現(xiàn)激光遠場衍射光斑超分辨壓縮的相板，它由各向同性的介質(zhì)構(gòu)成，通過其表面的結(jié)構(gòu)對入射的光束波前進行位相調(diào)制，其特征在于該位相板具有圓環(huán)形的位相分布，位相板的大小與激光發(fā)射衍射極限透鏡的孔徑相當；所述的位相板為二環(huán)二值位相板，令該位相片的外環(huán)的半徑為1時，則其內(nèi)圓環(huán)的半徑為0.3386；當該位相板為三環(huán)二值位相板時，其內(nèi)環(huán)半徑a＝0.0913，b＝0.3600，位相分布為0、Φ、0，而且Φ＝0.9π；所述的位相板為多值位相板；所述的位相板為三環(huán)多值位相板，令外圓環(huán)的半徑為1時，兩內(nèi)環(huán)的半徑a＝0.0913，b＝0.3600，自內(nèi)向外的位相分布為Φ＝0.00π，Φ＝0.06π，Φ＝0.86π。
由衍射光學(xué)的結(jié)論可知，如果位相板位相分布是環(huán)形的，其遠場衍射場光強分布為Ψ(ξ)=Σj=1Nexp(iφj)[αj22J1(αjξ)/αjξ-αj-122J1(αj-1ξ)/αj-1ξ]....(1)]]>式中αj為第j環(huán)帶半徑，取環(huán)帶位相為二值O、Φ0，則遠場衍射場場強可改寫為ψ(ξ)=2J1(ξ)/ξ-[1-exp(iφ0)](-1)N+1Σj=1N-1(-1)j×αj22J1(αjξ)/αjξ...(2)]]>利用公式(2)對多環(huán)二值位相板進行計算，在中央主瓣壓縮G＝0.8的情況下，能量取最大值獲得二環(huán)、三環(huán)、四環(huán)、五環(huán)位相板符合條件的最佳各環(huán)半徑和位相Φ值，其結(jié)論是雙環(huán)位相板當內(nèi)環(huán)位相是1π，半徑r＝0.3386(假定圓形位相板是單位半徑)時，Smax＝0.5940是滿足搜索條件的最佳值。即在中央主瓣壓縮0.8的情況下，能量只剩傳統(tǒng)愛里斑衍射模式下能量的59.40％。
對于三環(huán)二值位相板，α＝0.0913，b＝0.3600，Φ＝0.9π，G＝0.7979，SMAX＝0.5842。對三環(huán)多值位相板最優(yōu)結(jié)果是α＝0.0913，b＝0.3600，φ1＝0.00π，φ2＝0.06π，φ3＝0.86π，Smax＝0.5909，各環(huán)的半徑是與三環(huán)二值位相板參數(shù)相同。其激光的遠場衍射光強分布如圖3所示。
以上參數(shù)為歸一化數(shù)值。在實際工程中可按如上參數(shù)換算出具體數(shù)據(jù)。例如半徑是10毫米的透鏡，位相板上各環(huán)的半徑是0.0913和3.600毫米，各環(huán)位相從內(nèi)至外是φ1＝0.00π，φ2＝0.06π，φ3＝0.86π。
圖2采用超分辨技術(shù)實現(xiàn)壓縮遠場激光衍射主瓣尺寸的光路示意圖。在圖中1代表發(fā)射激光器，2為會聚透鏡，3為位相板，4為光纖納米尺寸掃描測量微米尺度光斑檢測系統(tǒng)。
圖3采用位相修正技術(shù)后激光束遠場光強的分布的改變示意圖。圖中實線是無超分辨位相板時愛里斑的光強分布。虛線是放入位相板后光強的分布，可明顯看出中央主瓣的尺寸在變小。
采用超分辨技術(shù)壓縮激光遠場中央主瓣尺寸的大小的試驗需要精密的測理儀器才能驗證。本發(fā)明采用的試驗驗證如圖2所示。包括有發(fā)射激光器1、會聚透鏡2、超分辨位相板3和納米光纖掃描小光斑測量系統(tǒng)4。由激光器1發(fā)出的已準直的激光，經(jīng)會聚透鏡2和超分辨位相板3，在會聚透鏡2的焦平面上形成激光束的遠場衍射光場，這樣的遠場衍射光場由納米光纖掃描測量系統(tǒng)4測量出來。本實驗驗證系統(tǒng)的關(guān)鍵在于采用了納米光纖掃描測量系統(tǒng)4，它可以以納米掃描精度對激光的遠場光斑精確測量。最右端是納米尺度的光纖探針。所說的光纖的一端為經(jīng)過特殊處理的開口為50納米的小孔，另一端接在光電倍增管中。開口為50納米的光纖一端放在壓電陶瓷管中，這個壓電陶瓷管由計算機控制實現(xiàn)步進為納米級的二維掃描。這樣一來，開口為50納米的光纖就可對二維的微米級激光光斑進行精確的強度測量。由開口為50納米的光纖收集到的光子信號，經(jīng)由光纖傳輸，由光電倍增管探測到并轉(zhuǎn)換為電信號，送入計算機中，可生成激光光斑的二維掃描光強度圖像。首先沒有超分辨位相板時，可探測到由聚焦透鏡2生成的二維愛里斑光強度圖像。加入超分辨位相板3后，可探測到新的光強度圖像，由兩幅圖像可以比較衍射主瓣的壓縮情況。光源采用半導(dǎo)體激光器，其工作波長是650mn。然后擴束、準直。在實驗中所用的透鏡直徑為4mm，數(shù)值孔徑為0.6，其后放置位相板，然后在聚焦光斑處放置光纖掃描頭，利用光纖掃描法來測光斑的大小。在實驗中愛里衍射斑的半徑是0.66μm，采用超分辨技術(shù)后，其光斑變?yōu)?.53μm，壓縮比為0.8，和模擬計算的結(jié)果基本一致。同時說明本發(fā)明可用于遠距離激光通信的載波光束質(zhì)量的提高，光盤存儲容量的提高，共焦顯微分辨率的提高和其它需改變遠場衍射光斑主瓣的各種儀器中。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)激光遠場衍射光斑超分辨壓縮的位相板，它由各向同性的介質(zhì)構(gòu)成，通過其表面的結(jié)構(gòu)對入射的光束波前進行位相調(diào)制，其特征在于該位相板具有圓環(huán)形的位相分布，位相板的大小與激光發(fā)射衍射極限透鏡的孔徑相當。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光遠場衍射光斑超分辨壓縮的位相板，其特征在于所述的位相板二環(huán)二值位相板，令該位相板的外環(huán)的半徑為1時，則其內(nèi)圓環(huán)的半徑為0.3386；當該位相板為三環(huán)二值位相板，其內(nèi)環(huán)半徑a＝0.0913，b＝0.3600，位相分布為O、Φ、O，而且Φ＝0.9π。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光遠場衍射光斑超分辨壓縮的位相板，其特征在于所述的位相板為多值位相板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的激光遠場衍射光斑超分辨壓縮的位相板，其特征在于所述的位相板為三環(huán)多值位相板，令外圓環(huán)的半徑為1時，兩內(nèi)環(huán)的半徑a＝0.0913，b＝0.3600，自內(nèi)向外的位相分布為Φ＝0.00π，Φ＝0.06π，Φ＝0.86π。
全文摘要
一種實現(xiàn)激光遠場衍射光斑超分辨壓縮的位相板，它由各向同性的介質(zhì)構(gòu)成，通過其表面的結(jié)構(gòu)對入射的光束波前進行位相調(diào)制，其特征在于該位相板具有圓環(huán)形的位相分布，位相板的大小與激光發(fā)射衍射極限透鏡的孔徑相當。本發(fā)明可用于遠距離激光通信的載波光束質(zhì)量的提高、光盤存儲容量的提高，共焦顯微分辨率的提高和其它需改變遠場衍射光斑主瓣的各種儀器中。
文檔編號G02B5/30GK1442709SQ0311604
公開日2003年9月17日 申請日期2003年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月28日
發(fā)明者周常河, 賈佳, 劉立人 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所