一種雙焦點距離控制裝置制造方法
【專利摘要】一種控制入射偏振態(tài)光束所產(chǎn)生的雙焦點距離的雙焦點距離控制裝置，包含：沿同一中心軸線依次放置的可調(diào)擴束鏡、振幅型光瞳濾波器、多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板以及物鏡，可調(diào)擴束鏡用于將入射偏振態(tài)光束轉(zhuǎn)換成平行出射偏振光束，得到擴束鏡出射光束，振幅型光瞳濾波器用于將擴束鏡光束的光束振幅沿徑向余弦分布，得到光瞳濾波器出射光束，多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板用于使光瞳濾波器出射光束在環(huán)帶之間相差π相位，得到相位板出射光束，物鏡用于聚焦相位板出射光束產(chǎn)生雙焦點，振幅型光瞳濾波器和多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板的周期參數(shù)相同，通過調(diào)節(jié)振幅型光瞳濾波器和多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板的周期參數(shù)可以調(diào)節(jié)雙焦點距離。
【專利說明】一種雙焦點距離控制裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種利用余弦調(diào)制效應(yīng)控制沿光軸雙焦點距離的裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]光波經(jīng)物鏡聚焦后，其焦點區(qū)域光強分布很大程度上影響著光學(xué)系統(tǒng)的性能，特別是隨著物鏡數(shù)值孔徑的增加，入射光波的矢量特性對焦點區(qū)域光強分布的影響也越來越大，而且呈現(xiàn)出特殊性質(zhì)，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光信息存儲、光學(xué)顯微、平版印刷術(shù)、激光加工、光學(xué)微操縱、超分辨、光與物質(zhì)相互作用等光學(xué)系統(tǒng)。
[0003]近幾年，光鑷技術(shù)在微粒控制領(lǐng)域上應(yīng)用越來越廣泛，研究人員發(fā)現(xiàn)徑向偏振光束經(jīng)物鏡聚焦后，其焦點區(qū)域光強分布由光強軸向分量主要組成，而且其光梯度力比線偏振光的光梯度力大，甚至可以束縛金屬微粒。然而，由于徑向偏振光經(jīng)物鏡聚焦后產(chǎn)生單一焦點，這不利于提高微?？刂频男省榇?，Yiq1ng Zhao等通過對入射徑向偏振光波前相位及振幅進行調(diào)制后，在沿光軸方向產(chǎn)生一條由多焦點組成的可傳輸光鏈(Creat1nof a three-dimens1nal optical chain for controllable particle delivery.0pticsLetters.30 (8)，848-850 (2005).)。雖然上述方法可提高微?？刂频男?，但存在有三點不足，其一，焦點旁瓣嚴(yán)重；其二，焦點移動的距離?。黄淙?，焦點間距離不會發(fā)生改變，減少了微粒控制的靈活性。在后續(xù)的研究中，Qinfeng Xu等通過波前相位調(diào)制，在沿光軸方向上產(chǎn)生兩個焦點，而且可以自由控制焦點的距離(The creat1n of double tight focus bya concentric mult1-belt pure phase filter.0ptics Communicat1ns.285, 1642-1645(2012).)，然而，雙焦點的距離控制的范圍比較小，而且光斑的能量會隨著雙焦點的距離的拉大而變得不同，這不利于讓兩個焦點提供相同的束縛力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種利用余弦調(diào)制效應(yīng)控制沿光軸雙焦點距離的裝置，其結(jié)構(gòu)簡單，可對任意偏振光聚焦后的雙焦點距離進行連續(xù)改變，且具有較大的光斑間距變化范圍，可應(yīng)用于光學(xué)顯微成像、超分辨、微?？刂频确矫妗?br> [0005]為了達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0006]一種控制入射偏振態(tài)光束所產(chǎn)生的雙焦點距離的雙焦點距離控制裝置，具有這樣的特征，包含:可調(diào)擴束鏡、振幅型光瞳濾波器、多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板以及物鏡，其中，可調(diào)擴束鏡、振幅型光瞳濾波器、多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板以及物鏡沿同一中心軸線依次放置，可調(diào)擴束鏡用于將入射偏振態(tài)光束轉(zhuǎn)換成平行出射偏振光束，得到擴束鏡出射光束，振幅型光瞳濾波器用于將擴束鏡光束的光束振幅沿徑向余弦分布，得到光瞳濾波器出射光束，多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板用于使光瞳濾波器出射光束在環(huán)帶之間相差η相位，得到相位板出射光束，物鏡用于聚焦相位板出射光束產(chǎn)生雙焦點，振幅型光瞳濾波器和多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板的周期參數(shù)相同，振幅型光瞳濾波器和多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板構(gòu)成雙焦點距離調(diào)節(jié)部，通過調(diào)節(jié)雙焦點距離調(diào)節(jié)部的周期參數(shù)來完成對雙焦點距離的調(diào)節(jié)。
[0007]進一步，本發(fā)明的控制雙焦點距離的裝置，還可以具有這樣的特征:可調(diào)擴束鏡為伽利略型擴束鏡或開普敦型擴束鏡中的任意一種。
[0008]另外，本發(fā)明的控制雙焦點距離的裝置，還可以具有這樣的特征:物鏡的像空間中的介質(zhì)為空氣，雙焦點距離的調(diào)節(jié)范圍為O至所述入射偏振態(tài)光束的波長的30倍。
[0009]發(fā)明的作用與效果
[0010]根據(jù)本發(fā)明涉及的雙焦點距離控制裝置，入射光束經(jīng)多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板及沿徑向余弦分布的振幅型光瞳濾波器調(diào)制后由物鏡聚焦，在焦點區(qū)域形成雙焦點，雙焦點的間距可通過同步調(diào)節(jié)相位板及振幅型光瞳濾波器的周期進行改變；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；雙焦點間距變化范圍大且連續(xù)可調(diào)，大大提高了實驗及應(yīng)用的靈活性和可操作性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本實施例中的雙焦點距離控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為本實施例中m=30，Θ 0=0時多環(huán)帶同心圓環(huán)形0_π相位板的示意圖；以及
[0013]圖3為本實施例中m=30，Θ 0=0時振幅型光瞳濾波器的示意圖。

【具體實施方式】
[0014]以下實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作具體闡述。
[0015]圖1為本實施例中的雙焦點距離控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]如圖1所示的控制入射偏振態(tài)光束所產(chǎn)生的雙焦點距離的雙焦點距離控制裝置，包含:沿同一中心軸線依次放置的可調(diào)擴束鏡1、振幅型光瞳濾波器2、多環(huán)帶同心圓環(huán)形O- 相位板3以及物鏡4。
[0017]在本實施例的雙焦點距離控制裝置中，任意偏振態(tài)的光束經(jīng)過可調(diào)擴束鏡I整形后轉(zhuǎn)化為平行出射光束，接著通過沿徑向余弦分布的振幅型光瞳濾波器2，使得出射光束的振幅沿徑向余弦分布；再通過與沿徑向余弦分布的振幅型光瞳濾波器2周期相同的多環(huán)帶同心圓環(huán)形O-Ji相位板3，使得出射光束的環(huán)帶與環(huán)帶間相差π相位，以此達到對入射光束進行的波前余弦調(diào)制效應(yīng)，最后通過物鏡4聚焦在焦點區(qū)域上產(chǎn)生雙焦點，且雙焦點間距的中心為物鏡的幾何焦點處。
[0018]通過調(diào)節(jié)沿徑向余弦調(diào)制的周期，可以連續(xù)改變雙焦點的間距，而由于沿徑向余弦調(diào)制既包含了沿徑向振幅呈余弦分布，且余弦函數(shù)在一個周期內(nèi)正負(fù)發(fā)生改變，所以沿徑向的余弦調(diào)制也包括了對入射光束進行沿徑向的與余弦振幅調(diào)制相同周期的多環(huán)帶同心圓環(huán)形O-相位調(diào)制。
[0019]本實施例中的振幅型光瞳濾波器2和多環(huán)帶同心圓環(huán)形0-π相位板3的周期相同，振幅型光瞳濾波器2和多環(huán)帶同心圓環(huán)形0-π相位板3構(gòu)成雙焦點距離調(diào)節(jié)部，通過調(diào)節(jié)雙焦點距離調(diào)節(jié)部的周期可以調(diào)節(jié)雙焦點的距離，雙焦點的距離隨著余弦調(diào)制的周期的減小而增加，雙焦點的距離變化連續(xù)可控。
[0020]本實施例中，入射光束為線偏振高斯光，波長為405nm?？烧{(diào)擴束鏡I采用伽利略型擴束鏡(或開普敦型擴束鏡)。沿徑向余弦分布的振幅型光瞳濾波器2通過振幅型空間光調(diào)制器進行編碼來調(diào)節(jié)光強。多環(huán)帶同心圓環(huán)形0-π相位板3采用相位型空間光調(diào)制器進行編碼實現(xiàn)。物鏡數(shù)值孔徑NA為0.95，物鏡4的像空間中的介質(zhì)為空氣，即折射率為n=l。
[0021]如圖1所示，線偏振高斯光經(jīng)過可調(diào)擴束鏡I后轉(zhuǎn)化為直徑為6_的平行出射線偏振高斯光束。
[0022]沿徑向余弦分布的振幅型光瞳濾波器2與可調(diào)擴束鏡I共有一個中心軸，平行光束經(jīng)過沿徑向余弦分布的振幅型光瞳濾波器2之后，其光束振幅沿徑向余弦分布。
[0023]多環(huán)帶同心圓環(huán)形O-相位板3與沿徑向余弦分布的振幅型光瞳濾波器2共有一個中心軸，從沿徑向余弦分布的振幅型光瞳濾波器2出射的光束經(jīng)過多環(huán)帶同心圓環(huán)形O-Ji相位板后，其光束在環(huán)帶與環(huán)帶間相差η相位，達到對入射光束進行的波前余弦調(diào)制效應(yīng)。
[0024]物鏡4與可調(diào)擴束鏡、振幅型光瞳濾波器、多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板共有同一個中心軸，從多環(huán)帶同心圓環(huán)形0-π相位板3出射的光束最后由物鏡聚焦在物鏡焦點區(qū)域上產(chǎn)生雙焦點，雙焦點距離的中點為物鏡的幾何焦點處。通過同步調(diào)節(jié)多環(huán)帶同心圓環(huán)形O-Ji相位板3及沿徑向余弦分布的振幅型光瞳濾波器2的周期控制參數(shù)可連續(xù)變化調(diào)節(jié)雙焦點的距離。
[0025]在本實施例中，沿徑向余弦分布的振幅型光瞳濾波器2的透過率= 1(308(1110 + 0) |，m為控制周期的參數(shù)，即m越大，周期越??；Θ為光束的會聚角，其變化范圍取決于物鏡4的數(shù)值孔徑，當(dāng)物鏡4數(shù)值孔徑為NA時，則Θ的變化范圍=I O, asin (NA/η) |，其中η為物鏡4像空間的介質(zhì)折射率，Θ的引入反映了此光瞳濾波器2的振幅沿徑向成余弦分布；Qtl為可為任意實數(shù)，用以控制相位板3的相位變化的起始位置。針對像空間中的介質(zhì)是空氣的情況，若考慮沿光軸的光斑的旁瓣，則雙焦點的距離調(diào)節(jié)范圍為(0，30λ)，λ為入射光束的波長;m為振幅型光瞳濾波器2控制周期的參數(shù)，其范圍為[-110,110]。若像空間中的介質(zhì)不是空氣，雙焦點距離的控制范圍不同。
[0026]圖2為本實施例中m=30，Θ 0=0時多環(huán)帶同心圓環(huán)形O-Ji相位板的示意圖。
[0027]圖3為本實施例中m=30，Θ 0=0時振幅型光瞳濾波器的示意圖。
[0028]如圖2、3所示的當(dāng)m=30, Θ C1=O時,多環(huán)帶同心圓環(huán)形O-π相位板3及沿徑向余弦分布的振幅型光瞳濾波器2的相位及振幅分布圖，由于多環(huán)帶同心圓環(huán)形O- π相位板3及沿徑向余弦分布的振幅型光瞳濾波器2兩者變化的周期相同，在此條件下，雙焦點的間距為 5.38 μ m。
[0029]當(dāng)m=0時,雙焦點間距為O,此時雙焦點在物鏡幾何焦點處重合,形成一個焦點。
[0030]實施例的作用與效果
[0031]根據(jù)本實施例涉及的控制雙焦點距離的裝置，具有簡單易用的結(jié)構(gòu)。入射光束經(jīng)多環(huán)帶同心圓環(huán)形0-π相位板及沿徑向余弦分布的振幅型光瞳濾波器調(diào)制后由物鏡聚焦，在焦點區(qū)域形成雙焦點，雙焦點的間距可通過同步調(diào)節(jié)相位板及振幅型光瞳濾波器的周期進行改變；入射光束可以為任意偏振態(tài)光束；任意數(shù)值孔徑的物鏡都適用于本裝置；雙焦點間距變化范圍大且連續(xù)可調(diào)，大大提高了實驗及應(yīng)用的靈活性和可操作性。
【權(quán)利要求】
1.一種調(diào)節(jié)入射偏振態(tài)光束所產(chǎn)生的雙焦點的距離的雙焦點距離控制裝置，其特征在于，包含:可調(diào)擴束鏡、振幅型光瞳濾波器、多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板以及物鏡， 其中，所述可調(diào)擴束鏡、所述振幅型光瞳濾波器、所述多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板以及所述物鏡沿同一中心軸線依次放置， 所述可調(diào)擴束鏡用于將所述入射偏振態(tài)光束轉(zhuǎn)換成平行出射偏振光束，得到擴束鏡出射光束， 所述振幅型光瞳濾波器用于將所述擴束鏡光束的光束振幅沿徑向余弦分布，得到光瞳濾波器出射光束， 所述多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板用于使所述光瞳濾波器出射光束在環(huán)帶之間相差H相位，得到相位板出射光束， 所述物鏡用于聚焦所述相位板出射光束并產(chǎn)生雙焦點， 所述振幅型光瞳濾波器和所述多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板的周期參數(shù)相同， 所述振幅型光瞳濾波器和所述多環(huán)帶同心圓環(huán)形相位板構(gòu)成雙焦點距離調(diào)節(jié)部，通過調(diào)節(jié)所述雙焦點距離調(diào)節(jié)部的周期參數(shù)來完成對所述雙焦點距離的調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙焦點距離調(diào)節(jié)裝置，其特征在于: 其中，所述可調(diào)擴束鏡為伽利略型擴束鏡和開普敦型擴束鏡中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙焦點距離調(diào)節(jié)裝置，其特征在于: 其中，所述物鏡的像空間中的介質(zhì)為空氣， 所述雙焦點距離的調(diào)節(jié)范圍為O至所述入射偏振態(tài)光束的波長的30倍。
【文檔編號】G02B27/28GK104238135SQ201310237588
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月17日
【發(fā)明者】翁曉羽, 郭漢明, 王小亞, 譚志華, 莊松林 申請人:上海理工大學(xué)