專利名稱：一種利用相位板控制焦點位置方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種應用光學技術，特別涉及一種利用相位板控制焦點位置方法。
背景技術：
焦點區(qū)域光強分布由于其性質極大地影響著光學系統(tǒng)的性能，所以一直研究的熱點。隨著物鏡數(shù)值孔徑的增加，由于光束的矢量特性的影響越來越大，在焦點區(qū)域呈現(xiàn)特殊性質，并已經廣泛應用于光信息存儲、光學顯微、平版印刷術，激光加工、光學微操縱、超分辨、光與物質相互作用等光學系統(tǒng)。1986年，Ashkin在實驗上利用線偏振高斯光束經高數(shù)值孔徑物鏡聚焦后對微粒控制，并且提出光鑷的概念。自此之后，研究人員把目光集中在如何產生各種光鑷。例如，通過聚焦柱矢量光束可以產生比線偏振光更大的光梯度力，并且可捕捉金屬微粒；通過波前相位調制，可以在焦點區(qū)域上產生沿光軸的多焦點，而且改變環(huán)與環(huán)的相位差，可以此多焦點沿光軸連續(xù)移動，以此可讓束縛在每個焦點的微粒沿光軸進行傳輸。然而，對于如何自由控制單一焦點位置依然是難點。Shaohui Yan等人在4pi光學系統(tǒng)中通過利用特殊的復合型光瞳濾波器可以使入射光束為徑向偏振光的聚焦光斑沿光軸自由移動(參見文獻“Shifting the spherical focus of a 4Pi focusing system，，Optics Express.19(2)，673-678 (2011).)。而且通過后續(xù)的研究中，該研究人員在相同的光學系統(tǒng)中采用不同的光瞳濾波器讓光斑可以在焦點區(qū)域三維移動。然而，以上兩個方法存在三個不足之處:第一，該方法只針對入射光為徑向偏振光聚焦之后的光斑，對于其他偏振態(tài)的光束不起作用；第二，在4pi光學系統(tǒng)中實現(xiàn)光斑移動，增加了光路調節(jié)的難度，降低了實驗的靈活性，同時限制了該方法的應 用范圍；第三，光斑的位置不能簡單的通過改變光瞳濾器的某個參數(shù)來實現(xiàn)控制，必需重新計算該光瞳濾波器的透過率，這不利于對焦點的連續(xù)控制。

發(fā)明內容
本發(fā)明是針對現(xiàn)在焦點位置控制存在的問題，提出一種利用相位板控制焦點位置方法，具有光學系統(tǒng)簡單，可對任意偏振光聚焦后的光斑在焦平面上連續(xù)移動，光斑移動范圍大的特點。本發(fā)明的技術方案為:一種利用相位板控制焦點位置方法，具體包括如下步驟:
1)任意偏振態(tài)光束作為入射光垂直入射可調擴束鏡，調節(jié)可調擴束鏡，使從可調擴束鏡出射的光束為半徑R的平行出射光束；
2)可調擴束鏡出射的平行光進入與可調擴束鏡同軸的具有相位沿角向余弦分布的相位板,相位板出射光束的相位成余弦分布,相位板透過率為:
，其中，i為虛數(shù)，《為控制相位板的相位變化的范圍參數(shù)，t為該余弦相位變化的角頻
率；#(3為控制余弦變化的起始點；
A可為任意實數(shù)；
3)相位板出射的光進入與可調擴束鏡同軸的高通濾波器，高通濾波器內圓半徑為IV內圓的透過率為O，外圓半徑為R,r0 <r < i 時,其透過率為I ；
4)從高通濾波器出射的光束最后由與可調擴束鏡同軸的物鏡聚焦；
5)調節(jié)具有相位沿角向余弦分布的相位板中的兩個參數(shù)進行對焦點的連續(xù)移動，最終得到需要的焦點位置。所述可調擴束鏡用伽利略型擴束鏡或開普敦型擴束鏡。所述具有相位沿角向余弦分布的相位板用相位型空間光調制進行編碼實現(xiàn)或直接加工鍍膜實現(xiàn)。所述高通濾波器用振幅型空間光調制器進行編碼實現(xiàn)或直接加工鍍膜實現(xiàn)。所述步驟2)中的J可為任意實數(shù)，如當J為O時，該相位板的相位變化范圍為
(-1mn.lmn), a控制相位板的相位變化的起始位置。所述步驟2)中的 為該余弦相位變化的角頻率，其值的變化范圍為0.8到1.2。
所述步驟4)中的物鏡焦平面上焦點位置為Θ),調節(jié)具有相位沿角向余弦分布的相位板中的參數(shù)越大/7也隨之變大與,相同。本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明利用相位板控制焦點位置方法，入射光束可以為任意偏振態(tài)光束，且對任意數(shù)值孔徑的物鏡均有效。此外，本方法避免了采用4pi雙物鏡聚焦光學系統(tǒng)，僅需要采用單一物鏡聚焦光學系統(tǒng)就能達到焦點在焦平面上自由移動，極大地提高了實驗及應用的靈活性和可操作性。


圖1為本發(fā)明實施例聚焦光學系統(tǒng)示意 圖2為本發(fā)明實施例在不同‘時相位板示意 圖3為本發(fā)明實施例高通濾波器示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明方法的實現(xiàn)是通過基于單一物鏡聚焦光學系統(tǒng)，任意偏振態(tài)光束經過可調擴束鏡轉化為平行入射光束，利用具有相位沿角向余弦分布的特殊相位板對該入射光束進行波前相位調制，再經過高通濾波器后由物鏡聚焦，其聚焦后光斑可以通過調節(jié)特殊相位板的兩個參數(shù)在焦平面上自由移動。具有相位沿角向余弦分布的特殊相位板是焦點移動方法的核心光學器件，通過利用對入射光束進行波前相位調制，其焦點在焦平面上可自由移動，然而，由于它對光斑的形狀的影響很大，且主要集中在光波的低頻區(qū)域，所以需要加入高通濾波器對光波的低頻信號進行濾除，經過濾除后的焦點形狀與沒有采用具有相位沿角向正弦分布的特殊相位板進行波前相位調制的聚焦光斑形狀一樣，以此達到焦點在焦平面上無形變的自由移動。如圖1所示實施例聚焦光學系統(tǒng)示意圖。該光學系統(tǒng)主要由可調擴束鏡1、具有相位沿角向余弦分布的相位板2、高通濾波器3及物鏡4構成；入射光束垂直入射可調擴束鏡1，依次經過具有相位沿角向余弦分布的相 位板2、高通濾波器3及物鏡4，最終聚焦與一點。可調擴束鏡1、具有相位沿角向余弦分布的相位板2、高通濾波器3及物鏡4共有一個中心軸。入射光為任意偏振態(tài)光束,在這選線偏振高斯光,其波長為405nm?？烧{擴束鏡I采用伽利略型擴束鏡(當然也可以為開普敦型擴束鏡)。具有相位沿角向余弦分布的相位板2采用相位型空間光調制進行編碼實現(xiàn)或直接加工鍍膜實現(xiàn)，也可用其他實現(xiàn)方法。高通濾波器3采用振幅型空間光調制器進行編碼實現(xiàn)或直接加工鍍膜實現(xiàn)或直接加工鍍膜實現(xiàn)，也可用其他實現(xiàn)方法。物鏡數(shù)值孔徑為0.95。所述具有相位沿角向余弦分布的相位板用相位型空間光調制進行編碼實現(xiàn)或直接加工鍍膜實現(xiàn)?；谏鲜龉鈱W系統(tǒng)，一種利用相位板控制焦點位置方法的具體方法步驟如下，
(I)如圖1所示，入射光為線偏振高斯光，經過可調擴束鏡I后，由于可調擴束鏡I的整形作用，從可調擴束鏡I出射的光束轉化為直徑為6mm的平行出射線偏振高斯光束。(2)具有相位沿角向余弦分布的相位板2,如圖2所示在不同‘時相位板示意圖，
相位板2其透過率可表示為:exp[i*#t2^€os0*f+W + 其中，i為虛數(shù)， 為控制該相位板的相位變化的范圍參數(shù)'t為該余弦相位變化的角頻率，其值的變化范圍為0.8到
1.2 為控制余弦變化的起始點M可為任意實數(shù)，如當J為O時，該相位板的相位變化范
圍為￠-1腳TiI賄r),控制相位板的相位變化的起始位置;在本實施例中，3=1， =ι;該相位板2與可調擴束鏡I共有一個中心軸，平行光束經過此相位板2之后，其光束的相位成余弦分布。(3)高通濾波器3，如圖3所示高通濾波器示意圖，當Γ f 1 時，其透過率為O ;當
r0 <ri I 時，其透過率為I ;其中，化=14| 酒為高通濾波器的內圓半徑，況=$^||為高 通濾波器的外圓半徑，與入射線偏振高斯光束截面尺寸半徑相同；該高通濾波器共有上述中心軸。從相位具有余弦分布的相位板2出射的光束經高通濾波器3后，處于內環(huán)里面的光束將被濾除，而處于外環(huán)的光束可無損的通過，即低頻區(qū)域的光束將被濾掉，而只有高頻區(qū)域光束從高通濾波器3出射。(4)物鏡4，共有上述中心軸；從高通濾波器3出射的光束最后由物鏡4聚焦，現(xiàn)定義在物鏡焦平面上焦點位置可表示為則可通過改變具有相位沿角向余弦分布的相位板2中的兩個參數(shù)進行對焦點的連續(xù)移動，其中， 調節(jié)的大小，《越大^也隨
之變大與f相同；由于該相位板對焦點形狀的影響主要集中于光波的低頻區(qū)域，所以通過加入高通濾波器3可消除光波低頻區(qū)域的影響，最后，移動后的焦點與沒移動的焦點形狀一致，即焦點的位置可通過調節(jié)W1-111來確定，如圖2所示，給出《=1時,不同的& = O
4 =及/2為=貧特殊相位板,則得到在焦平面上焦點的位置分別為(0,47辦，0),
(0.47 βη,Μ 12),(0,47 風露)。綜上所述，本實施例完成了一種利用相位板控制焦點位置方法，與采用4pi雙物鏡聚焦光學系統(tǒng)相比較，本發(fā)明具有光學系統(tǒng)要求簡單，可操作性強，更重要的是，本方法適用于任意偏振光束及對任何數(shù)值孔徑物鏡，且焦點可無形變在物鏡焦平面上自由移動。
權利要求
1.一種利用相位板控制焦點位置方法，其特征在于，具體包括如下步驟: 1)任意偏振態(tài)光束作為入射光垂直入射可調擴束鏡，調節(jié)可調擴束鏡，使從可調擴束鏡出射的光束為半徑R的平行出射光束； 2)可調擴束鏡出射的平行光進入與可調擴束鏡同軸的具有相位沿角向余弦分布的相位板,相位板出射光束的相位成余弦分布,相位板透過率為: ，其中，i為虛數(shù)，《為控制相位板的相位變化的范圍參數(shù)，t為該余弦相位變化的角頻率，力控制余弦變化的起始點，A可為任意實數(shù)； 3)相位板出射的光進入與可調擴束鏡同軸的高通濾波器，高通濾波器內圓半徑為IV內圓的透過率為O，外圓半徑為R，rQ時，其透過率為I ; 4)從高通濾波器出射的光束最后由與可調擴束鏡同軸的物鏡聚焦； 5)調節(jié)具有相位沿角向余弦分布的相位板中的兩個參數(shù)進行對焦點的連續(xù)移動，最終得到需要的焦點位置。
2.根據(jù)權利要求1所述利用相位板控制焦點位置方法，其特征在于，所述可調擴束鏡用伽利略型擴束鏡或開普敦型擴束鏡。
3.根據(jù)權利要求1所述利用相位板控制焦點位置方法，其特征在于，所述具有相位沿角向余弦分布的相位板·用相位型空間光調制進行編碼實現(xiàn)或直接加工鍍膜實現(xiàn)。
4.根據(jù)權利要求1所述利用相位板控制焦點位置方法，其特征在于，所述高通濾波器用振幅型空間光調制器進行編碼實現(xiàn)或直接加工鍍膜實現(xiàn)。
5.根據(jù)權利要求1所述利用相位板控制焦點位置方法，其特征在于，所述步驟2)中的A可為任意實數(shù)，如當J為O時，該相位板的相位變化范圍為d控制相位板的相位變化的起始位置。
6.根據(jù)權利要求1所述利用相位板控制焦點位置方法，其特征在于，所述步驟2)中的t為該余弦相位變化的角頻率，其值的變化范圍為0.8到1.2。
7.根據(jù)權利要求1所述利用相位板控制焦點位置方法，其特征在于，所述步驟4)中的物鏡焦平面上焦點位置為，調節(jié)具有相位沿角向余弦分布的相位板中的參數(shù)越大P Ik隨之變大;與0相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用相位板控制焦點位置方法，通過基于單一物鏡聚焦光學系統(tǒng)，任意偏振態(tài)光束經過可調擴束鏡轉化為平行入射光束，利用具有相位沿角向余弦分布的特殊相位板對該入射光束進行波前相位調制，再經過高通濾波器后由物鏡聚焦，其聚焦后光斑可以通過調節(jié)特殊相位板的兩個參數(shù)在焦平面上自由移動。入射光束可以為任意偏振態(tài)光束，且對任意數(shù)值孔徑的物鏡均有效。此外，本方法避免了采用4pi雙物鏡聚焦光學系統(tǒng)，僅需要采用單一物鏡聚焦光學系統(tǒng)就能達到焦點在焦平面上自由移動，極大地提高了實驗及應用的靈活性和可操作性。
文檔編號G02B27/09GK103235413SQ20131018781
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月21日 優(yōu)先權日2013年5月21日
發(fā)明者郭漢明, 翁曉羽, 王小亞, 譚志華, 莊松林 申請人:上海理工大學