本發(fā)明涉及到光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及到一種環(huán)形聚焦光斑的實現(xiàn)方法及其實現(xiàn)裝置，激光束通過高數(shù)值孔徑物鏡聚焦產(chǎn)生特殊形狀，產(chǎn)生在焦平面上位置可控、尺寸可以改變的環(huán)形聚焦光斑。

背景技術(shù)：

激光束通過高數(shù)值孔徑物鏡聚焦，其光斑形狀、位置、相位分布、強度分布、偏振分布與入射激光束的振幅分布、偏振狀態(tài)、相位調(diào)制以及物鏡的數(shù)值孔徑都有關(guān)。由于激光經(jīng)物鏡聚焦產(chǎn)生的光斑與很多應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)，因此，研究如何通過改變?nèi)肷浼す馐恼穹植?、相位分布、偏振分布實現(xiàn)各種應(yīng)用所需要的激光聚焦光斑成為一個非常重要的研究領(lǐng)域。在激光直寫光刻等領(lǐng)域，激光聚焦光斑通過光與物質(zhì)材料相互作用來實現(xiàn)的。相互作用的區(qū)域越小，其分辨能力、信息密度或加工精細(xì)度等就越高。然而，單個光斑的尺寸受衍射極限的限制，只能聚焦到大約半個波長左右。

另一方面，激光束通過物鏡聚焦形成的環(huán)形光斑和圓形實心光斑在捕獲微小尺寸顆粒方面可以單獨發(fā)揮不同的作用。在微粒操控方面，環(huán)形光斑的尺寸直接決定了可操控顆粒的大小。由于環(huán)形光斑處于光軸上，要想捕獲離軸的微粒，需要橫向移動微粒與激光光斑的相對位置，要么移動激光束，要么移動樣品臺。移動激光束是不方便的，移動樣品臺則需要定位精度很好的樣品臺和控制系統(tǒng)。現(xiàn)有的光鑷系統(tǒng)在捕獲不同尺寸的微?；蛟诓东@離軸的微粒方面缺少靈活性。

環(huán)形聚焦光斑尺寸的大小，與渦旋光束的拓?fù)浜捎忻芮嘘P(guān)系。研究表明，通常拓?fù)浜妥兇?，環(huán)形聚焦光斑尺寸也變大。而且拓?fù)浜芍挥袨檎麛?shù)時，聚焦環(huán)形光斑才是圓對稱的。因此，要想獲得直徑最小的圓對稱環(huán)形光斑，拓?fù)浜蔀?似乎是最好的選擇。然而是否產(chǎn)生環(huán)形光斑以及環(huán)形光斑的大小，還與入射光束的偏振狀態(tài)有關(guān)。數(shù)值模擬研究表明：拓?fù)浜蔀?時，徑向偏振光束聚焦不會產(chǎn)生環(huán)形光斑。只有拓?fù)浜蔀?的徑向偏振渦旋光束聚焦才能產(chǎn)生環(huán)形光斑。而線偏振渦旋光束的聚焦光斑雖然是環(huán)形光斑，但卻是非圓對稱環(huán)形光斑。對于角向偏振光束聚焦，即使拓?fù)錇?的非渦旋角向偏振光束，也能產(chǎn)生圓對稱環(huán)形光斑。

對于圓偏振渦旋光束，只有當(dāng)拓?fù)浜蔀檎麛?shù)時，才能產(chǎn)生圓對稱的環(huán)形光斑。盡管線偏振光束，是最常遇到的偏振光束，而且產(chǎn)生線偏振光方法比較簡單。但是還沒有辦法使得渦旋線偏振光束聚焦產(chǎn)生圓對稱的環(huán)形光斑。而且環(huán)形光斑的大小只能通過拓?fù)浜傻恼麛?shù)值變化才能改變，這種變化是不連續(xù)的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述。本發(fā)明提出了一種環(huán)形聚焦光斑的實現(xiàn)方法及其實現(xiàn)裝置，利用純相位空間光調(diào)制器的動態(tài)相位調(diào)制功能，實現(xiàn)非渦旋平面線偏振光聚焦產(chǎn)生動態(tài)的、位置與尺寸能精確控制的圓對稱環(huán)形光斑。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是根據(jù)以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種環(huán)形聚焦光斑的實現(xiàn)方法，包括以下步驟：

步驟s1：將任意偏振的激光光束擴(kuò)束準(zhǔn)直后轉(zhuǎn)換為線偏振的激光光束；

步驟s2：將準(zhǔn)直擴(kuò)束后的線偏振激光光束利用反射型的純相位空間光調(diào)制器進(jìn)行激光光束相位調(diào)制；

步驟s3：將相位調(diào)制后的線偏振光通過4f成像系統(tǒng)成像到聚焦物鏡的后孔徑平面；

步驟s4：物鏡對相位調(diào)制的入射線偏振激光光束聚焦，在焦平面區(qū)域?qū)a(chǎn)生多個位于圓周上的焦點，且每個焦點之間方位角間隔相等；

步驟s5：當(dāng)圓周半徑縮小到一個波長λ，產(chǎn)生環(huán)形光斑，圓周半徑r在0＜r＜λ范圍內(nèi)變化時，環(huán)形光斑的尺寸連續(xù)變小，直到形成一個實心光斑，通過改變圓周的圓心位置，使環(huán)形光斑位置橫向發(fā)生任意的移動；

步驟s6：當(dāng)計算多幅相位調(diào)制圖時，每幅對應(yīng)的位置移動變化很小，且連續(xù)動態(tài)更新空間光調(diào)制器的相位圖使得環(huán)形光斑連續(xù)移動。

上述技術(shù)方案中，所述步驟s2的激光光束相位調(diào)制包括以下步驟：

步驟s201：將物鏡的圓形后孔徑平面均分為m個面積相同的扇形。其中每個扇形區(qū)域的頂點為入射后孔徑平面的中心，扇形的半徑為物鏡后孔徑平面的半徑r，每個扇形的圓心角為其中m為偶數(shù)；

步驟s202：確定橫向多焦點數(shù)目n，再將步驟s201劃分的每個扇形區(qū)域進(jìn)一步分為n個面積相等的子扇形區(qū)域，其中每個子扇形區(qū)域的頂點還是后孔徑平面的中心，每個子扇形區(qū)域的半徑為圓形后孔徑平面的半徑r，且每個子扇形區(qū)域?qū)?yīng)的圓心角為δδ＝2π/(mn)；

步驟s203：將m×n個子扇形區(qū)域進(jìn)行以下相位調(diào)制，第m個扇形區(qū)域的第n個子扇形區(qū)域的相位調(diào)制值在坐標(biāo)x0，y0點的相位ψmn(x0，y0)為：

其中m為小于等于m的正整數(shù)，其中n.a.為物鏡的數(shù)值孔徑，λ為波長，nt為焦點區(qū)域的折射率，x0，y0為后孔徑平面上的直角坐標(biāo)，δxn和δyn分別由下兩式得到：

其中，xc，yc為圓心在x0，y0直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，r為圓周的半徑。將ψmn(x0，y0)繪制成代表0到2π的灰度圖；

步驟s204：將繪制的灰度圖加載到反射型純相位空間光調(diào)制器的反射面上。

上述技術(shù)方案中，所述步驟s202中的橫向多焦點數(shù)目n在一定范圍調(diào)節(jié)，每個焦點等間距分布在一個圓周上，當(dāng)半徑縮小時，相鄰焦點之間間距縮小，直到連接在一起，形成一個環(huán)形光斑。

上述技術(shù)方案中，所述位于圓周上的等間距焦點連接成一個平滑的圓周環(huán)后，進(jìn)一步縮小半徑，以獲得不同半徑的圓對稱聚焦環(huán)形光斑。

上述技術(shù)方案中，所述環(huán)形光斑的圓心通過改變xc，yc的數(shù)值而改變，環(huán)形光斑的位置任意移動。

上述技術(shù)方案中，所述環(huán)形光斑上每一個點的偏振方向與入射到物鏡的激光光束線偏振方向一致。

本發(fā)明的一種根據(jù)上述實現(xiàn)方法實現(xiàn)環(huán)形聚焦光斑的裝置，包括激光器、擴(kuò)束及準(zhǔn)直系統(tǒng)、線偏振起偏器、立方分光鏡、純相位空間光調(diào)制器、4f傅里葉變換成像系統(tǒng)、物鏡、鏡簡透鏡、電荷耦合成像器件以及計算機(jī)顯示器；

所述激光器發(fā)出的任意偏振的激光光束，經(jīng)所述擴(kuò)束及準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直成平面波，經(jīng)所述線偏振起偏器轉(zhuǎn)換成線偏振光，所述立方分光鏡將所述線偏振光反射后垂直入射空間光調(diào)制器的反射面，反射進(jìn)入純相位空間光調(diào)制器；

所述計算機(jī)加載光束相位調(diào)制圖到純相位空間光調(diào)制器上，所述相位空間光調(diào)制器對入射光進(jìn)行相位調(diào)制，從所述純相位空間光調(diào)制器反射回來的光先通過所述立方分光鏡，并通過所述4f傅里葉變換成像系統(tǒng)，所述立方分光鏡將物鏡焦平面上環(huán)形光斑反射的光通過物鏡后再反射到鏡筒透鏡，所述4f傅里葉變換成像系統(tǒng)將相位調(diào)制后的線偏振激光光束成像到所述物鏡的后孔徑位置上，并使入射物鏡的激光束相位得到調(diào)制；

相位調(diào)制后的激光束通過所述物鏡聚焦后在焦平面處形成n個位于圓周上的等間距焦點，當(dāng)圓周半徑r小于一個波長時，圓對稱環(huán)形光斑通過在焦平面放置反射鏡面將光斑反射進(jìn)入所述物鏡，然后由所述立方分光鏡反射進(jìn)入所述鏡筒透鏡，出射到所述電荷耦合成像器件，最后成像在計算機(jī)上，通過計算機(jī)顯示器顯示出來。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

本發(fā)明的實現(xiàn)方法實現(xiàn)了光斑非渦旋平面線偏振光聚焦產(chǎn)生動態(tài)的、位置與尺寸能精確控制。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。

圖1為本發(fā)明的物鏡的后孔徑位置的相位調(diào)制分區(qū)的示意圖；

圖2為本發(fā)明的在焦平面上焦點位置坐標(biāo)計算示意圖；

圖3為本發(fā)明的環(huán)形聚焦光斑的實現(xiàn)裝置示意圖；

圖4是本發(fā)明的仿真模擬結(jié)果；

其中，101-扇形區(qū)域，102-扇形區(qū)域，301-激光器，302-擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)，303-線偏振起偏器，304-立方分光鏡，305-反射型純相位空間光調(diào)制器，306-計算機(jī)，307-4f傅里葉變換成像系統(tǒng)，308-立方分光鏡，309-物鏡，310-等間距焦點，311-鏡筒透鏡，312-電荷耦合成像器件，313-計算機(jī)顯示器。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。

本發(fā)明的一種環(huán)形聚焦光斑的實現(xiàn)方法，包括以下步驟：

步驟s1：將任意偏振的激光光束擴(kuò)束準(zhǔn)直后轉(zhuǎn)換為線偏振的激光光束；

步驟s2：將準(zhǔn)直擴(kuò)束后的線偏振激光光束利用反射型的純相位空間光調(diào)制器進(jìn)行激光光束相位調(diào)制；

步驟s3：將相位調(diào)制后的線偏振光通過4f成像系統(tǒng)成像到聚焦物鏡的后孔徑平面；

步驟s4：物鏡對相位調(diào)制的入射線偏振激光光束聚焦，在焦平面區(qū)域?qū)a(chǎn)生多個位于圓周上的焦點，且每個焦點之間方位角間隔相等；

步驟s5：當(dāng)圓周半徑縮小到一個波長λ，產(chǎn)生環(huán)形光斑，圓周半徑r在0＜r＜λ范圍內(nèi)變化時，環(huán)形光斑的尺寸連續(xù)變小，直到形成一個實心光斑，通過改變圓周的圓心位置，使環(huán)形光斑位置橫向發(fā)生任意的移動；

步驟s6：當(dāng)計算多幅相位調(diào)制圖時，每幅對應(yīng)的位置移動變化很小，且連續(xù)動態(tài)更新空間光調(diào)制器的相位圖使得環(huán)形光斑連續(xù)移動。

其中，利用反射型的純相位空間光調(diào)制器對激光光束的相位調(diào)制通過4f傅里葉變換成像系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到物鏡后孔徑平面的相位調(diào)制。反射型的純相位空間光調(diào)制器和物鏡的后孔徑平面是4f傅里葉變換成像系統(tǒng)的物平面和像平面。

所述步驟s2的激光光束相位調(diào)制包括以下步驟：

步驟s201：將物鏡的圓形后孔徑平面均分為m個面積相同的扇形。其中每個扇形區(qū)域的頂點為入射后孔徑平面的中心，扇形的半徑為物鏡后孔徑平面的半徑r，每個扇形的圓心角為其中m為偶數(shù)；

步驟s202：確定橫向多焦點數(shù)目n，再將步驟s201劃分的每個扇形區(qū)域進(jìn)一步分為n個面積相等的子扇形區(qū)域，其中每個子扇形區(qū)域的頂點還是后孔徑平面的中心，每個子扇形區(qū)域的半徑為圓形后孔徑平面的半徑r，且每個子扇形區(qū)域?qū)?yīng)的圓心角為δδ＝2π/(mn)；

步驟s203：將m×n個子扇形區(qū)域進(jìn)行以下相位調(diào)制，第m個扇形區(qū)域的

第n個子扇形區(qū)域的相位調(diào)制值在坐標(biāo)x0，y0點的相位ψmn(x0，y0)為：

其中m為小于等于m的正整數(shù)，n為小于等于n的正整數(shù)，n.a.為物鏡的數(shù)值孔徑，λ為波長，nt為焦點區(qū)域的折射率，x0，y0為后孔徑平面上的直角坐標(biāo)，如圖1為本發(fā)明的物鏡的后孔徑位置的相位調(diào)制分區(qū)的示意圖；通過后孔徑平面的扇形分區(qū)，并使得附加不同相位調(diào)制后，入射激光束可以聚焦到焦平面上的不同位置。在焦平面內(nèi)橫向形成多個焦點。具體地，先將物鏡的后孔徑平面等分成m個扇形區(qū)域101，再將每一個扇形區(qū)域等分成n個子扇形區(qū)域102。

其中，δxn和δyn分別由下兩式得到：

其中，xc，yc為圓心在x0，y0直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，r為圓周的半徑，如圖2所示。圖2為本發(fā)明的在焦平面上焦點位置坐標(biāo)計算示意圖；如圖所示為圓心位于(xc，yc)，半徑為r的圓周上均勻分布的12個焦點位置坐標(biāo)計算。

將ψmn(x0，y0)繪制成代表0到2π的灰度圖；

步驟s204：將繪制的灰度圖加載到反射型純相位空間光調(diào)制器的反射面上。

步驟s202中的橫向多焦點數(shù)目n在一定范圍調(diào)節(jié)，每個焦點等間距分布在一個圓周上，當(dāng)半徑縮小時，相鄰焦點之間間距縮小，直到連接在一起，形成一個環(huán)形光斑。

位于圓周上的等間距焦點連接成一個平滑的圓周環(huán)后，進(jìn)一步縮小半徑，以獲得不同半徑的圓對稱聚焦環(huán)形光斑。

環(huán)形光斑的圓心通過改變xc，yc的數(shù)值而改變，環(huán)形光斑的位置任意移動。

環(huán)形光斑上每一個點的偏振方向與入射到物鏡的激光光束線偏振方向一致。

本發(fā)明的一種根據(jù)上述實現(xiàn)方法實現(xiàn)環(huán)形聚焦光斑的裝置，如圖3所示，包括激光器、擴(kuò)束及準(zhǔn)直系統(tǒng)、線偏振起偏器、立方分光鏡、純相位空間光調(diào)制器、4f傅里葉變換成像系統(tǒng)、物鏡、鏡筒透鏡、電荷耦合成像器件以及計算機(jī)顯示器；

所述激光器301發(fā)出的任意偏振的激光光束，經(jīng)所述擴(kuò)束及準(zhǔn)直系統(tǒng)302進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直成平面波，經(jīng)所述線偏振起偏器303轉(zhuǎn)換成線偏振光，所述立方分光鏡304將所述線偏振光反射后垂直入射空間光調(diào)制器的反射面，反射進(jìn)入純相位空間光調(diào)制器305；

所述計算機(jī)306加載光束相位調(diào)制圖到純相位空間光調(diào)制器305上，所述相位空間光調(diào)制器305對入射光進(jìn)行相位調(diào)制，從所述純相位空間光調(diào)制器305反射回來的光先通過所述立方分光鏡304，并通過所述4f傅里葉變換成像系統(tǒng)307，所述立方分光鏡將物鏡焦平面上環(huán)形光斑反射的光通過物鏡后再反射到鏡筒透鏡，所述4f傅里葉變換成像系統(tǒng)將相位調(diào)制后的線偏振激光光束成像到所述物鏡309的后孔徑位置上，并使入射物鏡的激光束相位得到調(diào)制；

相位調(diào)制后的激光束通過所述物鏡309聚焦后在焦平面處形成n個位于圓周上的等間距焦點310，當(dāng)圓周半徑r小于一個波長時，圓對稱環(huán)形光斑通過在焦平面放置反射鏡面將光斑反射進(jìn)入所述物鏡309，然后由所述立方分光鏡308反射進(jìn)入所述鏡簡透鏡311，出射到所述電荷耦合成像器件312，最后成像在計算機(jī)313上，通過計算機(jī)顯示器顯示出來。

通過改變半徑r的大小，或圓周中心(xc，yc)的位置就可以得到不同的相位調(diào)制圖，加載到空間光調(diào)制器，實現(xiàn)環(huán)形光斑尺寸的改變和位置的移動。

圖4是本發(fā)明的仿真模擬結(jié)果、從上到下、從左到右計數(shù)，前面五幅子圖表示環(huán)形光斑在焦平面內(nèi)中心位置時，光斑直徑的變化，后面四幅是表示環(huán)形光斑在焦平面內(nèi)的橫向位置移動，從圖4中可以看到同時精確控制大小和位置的環(huán)形光斑。

具體地，本發(fā)明的一個具體實施例為：以物鏡數(shù)值孔徑為n.a.＝0.9，入射激光波長為633nm，nt＝1.33為例，將物鏡后孔徑平面先均分成60個大的扇形區(qū)域，即m＝60。再將每一個扇形區(qū)域再等分成12個子扇形區(qū)域，焦點數(shù)量為12個。

依據(jù)公式和編程計算產(chǎn)生圓心在xc＝0，yc＝0，半徑r＝0.3λ＝190nm的圓周上12個等間距焦點相位調(diào)制值。得到一幅相位調(diào)制圖。灰度圖的灰度值歸一化為0到1之間的連續(xù)變化數(shù)值，對應(yīng)0到2π的相位調(diào)制值。

繪制的相位圖存成1080x1920像素的bmp格式圖，并將此灰度圖加載到純相位反射型空間光調(diào)制器。

利用小孔，將空間光調(diào)制器、4f系統(tǒng)和物鏡調(diào)成同軸，并將鏡筒透鏡，電荷耦合成像器件調(diào)節(jié)好，使得在計算機(jī)上能觀察到清晰的環(huán)形光斑。

繪制和加載不同的相位調(diào)制圖，使得物鏡聚焦產(chǎn)生半徑不同，位置不同的圓對稱環(huán)形光斑。

雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實施例對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進(jìn)，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。