專利名稱：一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光束聚焦系統(tǒng)，特別是一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系 統(tǒng)。主要用于光刻技術(shù)、光學(xué)照明、光學(xué)顯微技術(shù)、激光微加工、光學(xué)微操縱、光信息存儲(chǔ) 等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
圓環(huán)形矢量光束是指光束橫截面為圓環(huán)形并且偏振態(tài)呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱特性的光束，由于 具有獨(dú)特的聚焦特性，可廣泛應(yīng)用到光刻技術(shù)、光學(xué)照明、光學(xué)顯微技術(shù)、激光微加工、光 學(xué)微操縱、光信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域。例如，圓環(huán)光束聚焦系統(tǒng)可應(yīng)用于光學(xué)顯微系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)超分 辨效應(yīng)，因?yàn)橐欢ǖ男D(zhuǎn)矢量偏振光束經(jīng)過(guò)聚焦后焦點(diǎn)比同一聚焦系統(tǒng)中線偏振光束聚焦的 焦點(diǎn)的橫向光斑小。圓環(huán)形矢量光束產(chǎn)生和聚焦系統(tǒng)是研究和利用圓環(huán)形矢量光束的必備前 提條件，引起了廣泛關(guān)注?，F(xiàn)有技術(shù)中，有一種可調(diào)式矢量光束整形系統(tǒng)(參見(jiàn)中國(guó)發(fā)明專 利"可調(diào)式矢量光束整形系統(tǒng)"，專利號(hào)ZL200410052913.4)，該可調(diào)式矢量光束整形系統(tǒng) 可以產(chǎn)生一定的矢量光束，具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)，但是，仍然存在一些本質(zhì)不足，主要為1)如 果利用現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束，所需要必備的條件是系統(tǒng)入射光束必須為旋轉(zhuǎn)矢量 偏振光束的特殊形式，比如徑向偏振光束或方位角偏振光束，然而，徑向偏振光束和方位角 偏振光束的產(chǎn)生也屬于旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束產(chǎn)生范疇，其本質(zhì)決定無(wú)法實(shí)現(xiàn)非旋轉(zhuǎn)矢量偏振光 束轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束，本質(zhì)上決定無(wú)法實(shí)現(xiàn)非相干入射光朿向旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束的轉(zhuǎn) 化過(guò)程，對(duì)入射光束要求很高；2)無(wú)法實(shí)現(xiàn)出射光束與入射光束相對(duì)的光束橫向擴(kuò)束效應(yīng)， 難于改變出射光束外形尺寸，限制了應(yīng)用范圍；3)無(wú)法實(shí)現(xiàn)圓環(huán)光形矢量光束，對(duì)聚焦光學(xué) 系統(tǒng)中聚焦物鏡的高數(shù)值孔徑區(qū)域使用效率低；4)不具備波前相位調(diào)節(jié)功能，無(wú)法利用波前 相位優(yōu)化光束聚焦特性。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明公開(kāi)了一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)。所提供的可 調(diào)式矢量圓環(huán)形光束整形裝置，具有可實(shí)現(xiàn)非旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束向旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束的轉(zhuǎn)化、 入射光束要求低、圓環(huán)形矢量光束聚焦、偏振態(tài)和光束橫向尺寸易調(diào)節(jié)、波前相位可調(diào)控等
3特點(diǎn)。
本發(fā)明的基本構(gòu)思光源出射光朿依次經(jīng)過(guò)同對(duì)稱光軸放置的入射擴(kuò)束整形器、外反射 式圓錐面反射鏡、圓柱筒形曲面偏振器、內(nèi)反射式錐面反射鏡、出射擴(kuò)束整形器鏡、兩平行 放置的二分之一波片、空間光調(diào)制器和物鏡；光束被外反射式圓錐面反射鏡反射形成徑向傳 播光束，經(jīng)過(guò)圓柱筒形曲面偏振器時(shí)光束偏振態(tài)被調(diào)節(jié)，而后經(jīng)過(guò)內(nèi)反射式錐面反射鏡反射 后，形成矢量圓環(huán)形光束；通過(guò)調(diào)節(jié)兩二分之一波片的波片光軸夾角可以調(diào)解旋轉(zhuǎn)矢量偏振 光束偏振方向；空間光調(diào)制器控制器調(diào)控空間光調(diào)制器，改變波前相位分布。
一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)，其特征在于入射擴(kuò)束整形器、外反射式圓錐面反射鏡、 圓柱筒形曲面偏振器、內(nèi)反射式錐面反射鏡、出射擴(kuò)束整形器、入射二分之一波片、出射二 分之一波片、空間光調(diào)制器和物鏡同對(duì)稱光軸依次設(shè)置在光源出射光束光路上；空間光調(diào)制 器控制器與空間光調(diào)制器相連接。
所述的外反射式圓錐面反射鏡的反射錐面與內(nèi)反射式圓錐面反射鏡的反射錐面平行，并 且外反射式圓錐面反射鏡的反射錐面和內(nèi)反射式圓錐面反射鏡的反射錐面與對(duì)稱光軸夾角范 圍均為35° 55° 。
所述的圓柱筒形曲面偏振器的圓柱曲面與外反射式圓錐面反射鏡反射形成的徑向傳播光 束垂直。
所述的入射二分之一波片和出射二分之-波片光學(xué)工作平面相平行，并且入射二分之一 波片和出射二分之一波片光學(xué)工作平面與對(duì)稱光軸交角范圍為8(T 90° 。
所述的入射擴(kuò)束整形器為伽利略型擴(kuò)束整形器或開(kāi)普勒型擴(kuò)束整形器的一種。 所述的外反射式圓錐面反射鏡為外圓錐曲面鍍反射膜的外反射式圓錐面反射鏡或反射膜
構(gòu)成的圓錐曲面外反射式反射鏡的一種。
所述的圓柱筒形曲面偏振器為圓柱筒形偏振膜或圓柱曲面殼式偏振元件的一種。 所述的內(nèi)反射式圓錐面反射鏡為內(nèi)圓錐曲面鍍反射膜的內(nèi)反射式圓錐面反射鏡或反射膜
構(gòu)成的圓錐曲面內(nèi)反射式反射鏡的一種。
所述的出射擴(kuò)束整形器為伽利略型擴(kuò)束整形器或開(kāi)普勒型擴(kuò)束整形器的一種。 所述的物鏡為消色差物鏡或復(fù)消色差物鏡或平場(chǎng)消色差物鏡或平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡的一種。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是-1) 本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)非旋轉(zhuǎn)矢量偏振光束向矢量圓環(huán)形光束的轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)對(duì)入射光束的偏 振態(tài)無(wú)限制，對(duì)入射光束要求低，系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣；
2) 可以實(shí)現(xiàn)矢量圓環(huán)形光束聚焦，使用便利，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性和可靠性高；
3) 可以調(diào)節(jié)矢量圓環(huán)形光束的偏振態(tài)分布和出射光束橫向尺寸，調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)單便利。
4) 空間光調(diào)制器控制器調(diào)控空間光調(diào)制器，改變波前相位分布。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
1、光源，2、入射擴(kuò)朿整形器，3、外反射式圓錐面反射鏡，4、圓柱筒形曲面偏振器，5、 內(nèi)反射式錐面反射鏡，6、出射擴(kuò)束整形器，7、入射二分之一波片，8、出射二分之一波片， 9、空間光調(diào)制器，IO物鏡，11、空間光調(diào)制器控制器，0A代表對(duì)稱光軸，一表示光的傳播 方向。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖l所示。入射擴(kuò)束整形器2、外反射式圓錐面 反射鏡3、圓柱筒形曲面偏振器4、內(nèi)反射式錐面反射鏡5、出射擴(kuò)束整形器6、入射二分之 一波片7、出射二分之一波片8、空間光調(diào)制器9和物鏡10同對(duì)稱光軸依次設(shè)置在光源1出 射光束光路上；空間光調(diào)制器控制器11與空間光調(diào)制器9相連接。
外反射式圓錐面反射鏡3的反射錐面與內(nèi)反射式圓錐面反射鏡5的反射錐面平行，并且 外反射式圓錐面反射鏡3的反射錐面和內(nèi)反射式圓錐面反射鏡5的反射錐面與對(duì)稱光軸夾角 范圍均為35° 55° ;光束被外反射式圓錐面反射鏡3反射，形成的徑向傳播光束與圓柱筒 形曲面偏振器4的圓柱曲面垂直；徑向傳播光束經(jīng)過(guò)圓柱筒形曲面偏振器4后被內(nèi)反射式圓 錐面反射鏡5反射形成矢量圓環(huán)形光束；入射二分之一波片7和出射二分之一波片8光學(xué)工 作平面相平行，并且入射二分之一波片7和出射二分之一波片8的光學(xué)工作平面與對(duì)稱光軸 交角范圍為80。 90° 。光源l采用圓偏振激光光源，入射擴(kuò)束整形器2為開(kāi)普勒式擴(kuò)束境， 外反射式圓錐面反射鏡3為反射膜構(gòu)成的圓錐曲面外反射式反射鏡，內(nèi)反射式圓錐面反射鏡5 為反射膜構(gòu)成的圓錐曲面內(nèi)反射式反射鏡，圓柱筒形曲面偏振器4為圓柱筒形偏振膜，出射
5擴(kuò)束整形器6為伽利略型擴(kuò)束鏡，空間光調(diào)制器9采用液晶型可編程空間光調(diào)制器，物鏡IO
采用尼康平場(chǎng)復(fù)消色差顯微物鏡。
本實(shí)施例工作過(guò)程為光源1出射光束經(jīng)過(guò)入射擴(kuò)束整形器2擴(kuò)束整形后，沿對(duì)稱光軸
0A射向外反射式圓錐面反射鏡3;被外反射式圓錐面反射鏡3反射后，由于外反射式圓錐面
反射鏡3反射錐面與對(duì)稱光軸0A成45度夾角，光束轉(zhuǎn)化為徑向傳播光束；徑向傳播光束經(jīng)
過(guò)圓柱筒形曲面偏振器4后光束偏振態(tài)發(fā)生改變，而后經(jīng)過(guò)內(nèi)反射式錐面反射鏡5反射形成
矢量圓環(huán)形光束，由于外反射式圓錐面反射鏡3的反射錐面和內(nèi)反射式圓錐面反射鏡5的反
射錐面平行，矢量圓環(huán)形光束與對(duì)稱光軸OA平行，沿對(duì)稱光軸OA傳播；經(jīng)過(guò)出射擴(kuò)束整形
器6后，再依次經(jīng)過(guò)入射二分之一波片7、出射二分之一波片8和空間光調(diào)制器9和物鏡10，
進(jìn)行聚焦；調(diào)節(jié)入射二分之一波片7和出射二分之一波片8的波片光軸夾角，進(jìn)而調(diào)節(jié)矢量
圓環(huán)形光束偏振態(tài)，外反射式圓錐面反射鏡3和內(nèi)反射式圓錐面反射鏡5在對(duì)稱光軸0,02上位
置的移動(dòng)能夠?qū)劢骨暗氖噶繄A環(huán)形光束橫向尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)物鏡io所需要的入射光
束尺寸。本實(shí)施例成功實(shí)現(xiàn)了圓環(huán)形矢量光束聚焦，具有入射光束要求低、圓環(huán)形矢量光束
聚焦、光束偏振態(tài)和橫向尺寸調(diào)節(jié)便利、波前相位可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1. 一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)，其特征在于入射擴(kuò)束整形器、外反射式圓錐面反射鏡、圓柱筒形曲面偏振器、內(nèi)反射式錐面反射鏡、出射擴(kuò)束整形器、入射二分之一波片、出射二分之一波片、空間光調(diào)制器和物鏡同對(duì)稱光軸依次設(shè)置在光源出射光束光路上；空間光調(diào)制器控制器與空間光調(diào)制器相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)，其特征在于外反射式圓錐面反射鏡的反射錐面與內(nèi)反射式圓錐面反射鏡的反射錐面平行，并且外反射式圓錐面反射鏡的反射錐面和內(nèi)反射式圓錐面反射鏡的反射錐面與對(duì)稱光軸夾角范圍均為35。 55° 。
3. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)，其特征在于圓柱筒形曲面偏振器的圓柱曲面與外反射式圓錐面反射鏡反射形成的徑向傳播光束垂直。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)，其特征在于入射二分之一波片和出射二分之一波片光學(xué)工作平面相平行，并且入射二分之一波片和出射二分之一波片光學(xué)工作平面與對(duì)稱光軸交角范圍為80° 90° 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)，其特征在于所述的入射擴(kuò)束整形器為伽利略型擴(kuò)束整形器或開(kāi)普勒型擴(kuò)束整形器的一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)，其特征在于所述的外反射式圓錐面反射鏡為外圓錐曲面鍍反射膜的外反射式圓錐面反射鏡或反射膜構(gòu)成的圓錐曲面外反射式反射鏡的一種。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)，其特征在于所述的圓柱筒形曲面偏振器為圓柱筒形偏振膜或圓柱曲面殼式偏振元件的一種。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)，其特征在于所述的內(nèi)反射式圓錐面反射鏡為內(nèi)圓錐曲面鍍反射膜的內(nèi)反射式圓錐面反射鏡或反射膜構(gòu)成的圓錐曲面內(nèi)反射式反射鏡的一種。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)，其特征在于所述的出射擴(kuò)束整形器為伽利略型擴(kuò)束整形器或開(kāi)普勒型擴(kuò)束整形器的一種。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)，其特征在于所述的物鏡為消色差物鏡或復(fù)消色差物鏡或平場(chǎng)消色差物鏡或平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡的一種。
全文摘要
一種圓環(huán)形矢量光束聚焦系統(tǒng)，其特征在于入射擴(kuò)束整形器、外反射式圓錐面反射鏡、圓柱筒形曲面偏振器、內(nèi)反射式錐面反射鏡、出射擴(kuò)束整形器、入射二分之一波片、出射二分之一波片、空間光調(diào)制器和物鏡同對(duì)稱光軸依次設(shè)置在光源出射光束光路上；空間光調(diào)制器控制器與空間光調(diào)制器相連接。外反射式圓錐面反射鏡的反射錐面與內(nèi)反射式圓錐面反射鏡的反射錐面平行，并且外反射式圓錐面反射鏡的反射錐面和內(nèi)反射式圓錐面反射鏡的反射錐面與對(duì)稱光軸夾角范圍均為35°～55°。本發(fā)明具有入射光束要求低、矢量圓環(huán)形光束輸出、光束偏振態(tài)和橫向尺寸調(diào)節(jié)便利、波前相位可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B5/30GK101504490SQ200910047850
公開(kāi)日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月20日
發(fā)明者莊松林, 卓 李, 琦 王, 郭漢明, 高秀敏 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)