本發(fā)明涉及柱狀矢量光束的緊聚焦特性調控，屬于光場的焦場工程領域，特別是利用柱狀矢量光束實現(xiàn)多焦點三維任意移動的裝置及方法。

背景技術：

1986年，Ashkin等人研究發(fā)現(xiàn)利用高數(shù)值孔徑聚焦單光束可無接觸地操控微納介質粒子，這種單光束光學捕獲被稱為光鑷技術。光鑷技術可操控各種微納粒子，從原子、分子到細胞，并在諸如物理、化學、生物等領域均有廣泛的應用價值。光鑷的工作原理是利用光場強度空間變化形成的梯度力把微納粒子穩(wěn)定地捕獲在光強最強處，即光束的焦點位置。為了獲得足夠大的梯度力，能夠將微納粒子穩(wěn)定地束縛在光場勢阱中，光束需要經(jīng)過高數(shù)值孔徑透鏡聚焦。當激光束經(jīng)過高數(shù)值孔徑透鏡聚焦后，如果能使焦點移動就可以操控捕獲的微納粒子一起移動，實現(xiàn)對微納粒子的實時動態(tài)操控。

近年來，柱狀矢量光束引起了人們越來越多的關注。矢量光束是指同一時刻同一波陣面上不同位置具有不同偏振態(tài)分布的光場。矢量光束具有特定的偏振分布，其焦場具有特殊的光場分布。矢量光束的偏振態(tài)調控在光鑷技術中也展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。例如緊聚焦徑向偏振光比線偏振光擁有更大的梯度力，并且在光軸方向上不存在散射力；而緊聚焦角向偏振光能夠捕獲折射率比周圍介質小的微納氣泡。

為了提高微納粒子的捕獲和操控效率，研究者們通過對入射光束的振幅、偏振態(tài)和相位進行調控從而達到調控焦場的目的。例如利用衍射光學元件對柱狀矢量光束進行調控可以在焦場區(qū)域產(chǎn)生多個焦點[S.Yan,B.Yao,W.Zhao and M.Lei,“Generation of multiple spherical spots with a radially polarized beam in a 4Pi focusing system,”J.Opt.Soc.Am.A 27(9),2033–2037(2010).]；利用4Pi系統(tǒng)和相位板，實現(xiàn)了球形粒子在三維空間里的平移[Z.Li,S.Yan,B.Yao,M.Lei,B.Ma,P.Gao,D.Dan and R.Rupp,“Theoretical prediction of three-dimensional shifting of a spherical focal spot in a 4Pi focusing system,”J.Opt.14(5),055706(2012).]。然而，到目前為止，還沒有文獻報道能夠實現(xiàn)對多焦點在三維空間里的任意移動。

設計利用柱狀矢量光束實現(xiàn)多焦點三維任意移動的方法及裝置，既能根據(jù)需要在焦場區(qū)域產(chǎn)生多焦點，也能實現(xiàn)多焦點在三維空間的任意移動。本發(fā)明在光鑷、生物光學顯微成像和光刻等技術中具有非常廣闊的應用價值。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供利用柱狀矢量光束實現(xiàn)多焦點三維任意移動的裝置及方法，通過加載控制振幅信息和相位信息的全息圖，改變焦點的個數(shù)和位置。

技術方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：利用柱狀矢量光束實現(xiàn)多焦點三維任意移動的裝置，其特征在于，包括依次排列的光源、透射式振幅型空間光調制器、透射式相位型空間光調制器、高數(shù)值孔徑透鏡；與透射式振幅型空間光調制器連接的振幅控制器、與透射式相位型空間光調制器連接的相位控制器；

所述光源向透射式振幅型空間光調制器發(fā)出柱狀矢量光束，矢量光束依次垂直入射透射式振幅型空間光調制器、透射式相位型空間光調制器和高數(shù)值孔徑透鏡后，獲得焦點；

所述透射式振幅型空間光調制器用于調控柱狀矢量光束的振幅分布；所述透射式相位型空間光調制器用于調控柱狀矢量光束的相位分布；所述高數(shù)值孔徑透鏡用于緊聚焦光束產(chǎn)生焦點；所述振幅控制器用于加載具有振幅信息的全息圖；所述相位控制器，用于加載具有相位信息的全息圖。

進一步的，通過調控柱狀矢量光束的振幅信息和相位信息來調控焦點個數(shù)和每個焦點處在三維空間的位置。

進一步的，所述焦點的幾何形狀、偏振態(tài)分布和電場分布完全相同。

利用柱狀矢量光束實現(xiàn)多焦點三維任意移動的裝置的焦點移動方法，該方法包括以下步驟：

光源將產(chǎn)生的柱狀矢量光束依次通過透射式振幅型空間光調制器和透射式相位型空間光調制器；振幅控制器在振幅型空間光調制器上投影全息圖，所述全息圖附帶振幅信息，相位控制器在相位型空間光調制器上投影全息圖，所述全息圖附帶相位信息。帶有三維空間位置坐標的振幅信息和相位信息的柱狀矢量光束經(jīng)過高數(shù)值孔徑透鏡聚焦后獲得多個焦點；

透射式振幅型空間光調制器上所加載的振幅信息表達式為：

透射式相位型空間光調制器上所加載的相位信息表達式為：

其中：

(ρ,φ)為極坐標系下的徑向和角向坐標；

m為產(chǎn)生的焦點個數(shù)；

為第i個焦點的空間位移矢量；

為第j個焦點的空間位移矢量；

為波矢；

通過在透射式振幅型空間光調制器(2)上加載相應的全息圖，控制柱狀矢量光束的振幅信息，獲得多個焦點；

通過在透射式相位型空間光調制器(3)上加載相應的全息圖，控制柱狀矢量光束的相位信息，獲得平移的焦點。

有益效果：本發(fā)明依據(jù)現(xiàn)有技術在產(chǎn)生柱狀矢量光束的基礎上，通過對矢量光束進行振幅調制和相位調制，然后用高數(shù)值孔徑透鏡緊聚焦，能夠在焦場區(qū)域獲得多個焦點，并且每個焦點的幾何形狀、偏振態(tài)分布和電場分布完全相同。通過動態(tài)調控加載在振幅調制器和相位調制器的信息，可以在焦場區(qū)域任意移動每個焦點的位置，實時改變矢量光束的振幅信息和相位信息能夠使得多個焦點在三維空間中按一定的軌跡運動。本發(fā)明方法容易實現(xiàn)，裝置結構簡單，易于調整，制造成本低；裝置穩(wěn)定性好，不需要其他特殊的光學元件。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置結構示意圖；

圖2為本發(fā)明具體實施例一中透射式相位型空間光調制器上加載的全息圖；

圖3為本發(fā)明具體實施例一中得到的三維焦場分布圖；

圖4為本發(fā)明具體實施例二中透射式振幅型空間光調制器和相位型空間光調制器上加載的全息圖；

圖5為本發(fā)明具體實施例二中得到的三維焦場分布圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1所示為利用柱狀矢量光束實現(xiàn)多焦點三維任意移動的方法，包括光源1、透射式振幅型空間光調制器2、透射式相位型空間光調制器3、高數(shù)值孔徑透鏡4、振幅控制器5和相位控制器6。

根據(jù)現(xiàn)有技術產(chǎn)生柱狀矢量光束，入射的柱狀矢量光束1依次經(jīng)過透射式振幅型空間光調制器2和相位型空間光調制器3。振幅控制器5在振幅型空間光調制器上投影全息圖，所述全息圖附帶振幅信息，相位控制器6在相位型空間光調制器上投影全息圖，所述全息圖附帶相位信息。帶有特殊振幅和相位信息的柱狀矢量光束經(jīng)過高數(shù)值孔徑透鏡聚焦后獲得多焦點。

通過實時改變光束的振幅信息和相位信息可得到在三維空間內按特定軌跡移動多焦點，獲得實時變化的焦場分布。

本發(fā)明實際可實現(xiàn)兩個功能：一是平移焦點，二是產(chǎn)生多個焦點。下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例一：

若僅僅平移焦點，只需要調控柱狀矢量光束的相位信息，不需要調制其振幅信息。即只需要在透射式相位型空間光調制器3上加載相應的全息圖。例如，將徑向偏振光的焦點平移至三維空間位置為處，則加載在相位型空間光調制器上的全息圖表達式為：

其相位分布如圖2所示。焦點在三維空間里的分布如圖3所示，徑向偏振光的焦斑中心平移到了空間位置坐標為處，焦點在橫截面的偏振分布為徑向偏振分布，這說明焦點僅僅是中心位置發(fā)生了改變，焦點附近的電場分布沒有發(fā)生任何改變。

實施例二：

以三個焦點為例，如果需要輸入的徑向偏振光在三維空間坐標為和處產(chǎn)生三個焦點，則加載在振幅型空間光調制器上的全息圖表達式為：

加載在相位型空間光調制器上的全息圖表達式為：

加載在矢量光束上的振幅和相位分布如圖4所示。焦點在三維空間里的分布如圖5所示，徑向偏振光產(chǎn)生了三個焦點，并且每個焦點的中心位置分別為和該實施例不僅產(chǎn)生了多焦點，而且每個焦點的中心位置可調，實現(xiàn)了多焦點的三維任意移動。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。如實時改變加載在矢量光束上的振幅和相位信息，可以動態(tài)地操控焦點的運動軌跡，進而將其運用在多個粒子的動態(tài)捕獲和粒子輸運等領域。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。