一種利用渦旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法
【專利摘要】一種利用渦旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法，本發(fā)明涉及光束緊聚焦的方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有技術中光學系統(tǒng)孔徑受到設備體積的限制，無法獲得優(yōu)于瑞利衍射極限的聚焦效果的問題，而提出的一種利用渦旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法。該方法是通過一、使用方位偏振光入射到螺旋相位板；二、利用螺旋相位板對方位偏振光的相位按角向方位在0～2π的區(qū)間內(nèi)進行線性調(diào)制，從而完成空間相位編碼形成渦旋光束；三、令已知相位編碼的渦旋光束通過高數(shù)值孔徑聚焦透鏡，形成優(yōu)于瑞利衍射極限的聚焦光斑等步驟實現(xiàn)的。本發(fā)明適用于光束緊聚焦領域和超分辨成像領域。
【專利說明】
一種利用渦旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及利用渦旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法。
【背景技術】
[0002] 光束緊聚焦在光學數(shù)據(jù)存儲、平板印刷及超分辨成像等方面具有極高的應用價 值。而目前的光學聚焦的方法受到經(jīng)典衍射極限的限制。在此限制下，光束聚焦后的光斑大 小有一個最小值，半徑為〇.6U 2/D。其中λ為光波長，D為光學系統(tǒng)數(shù)值孔徑。從公式可以看 出，要想得到更小的光斑需要增大數(shù)值孔徑或者減小波長。在實際應用中，數(shù)值孔徑和波長 都是有限的，不能無限的增加數(shù)值孔徑或減小波長，如何在數(shù)值孔徑與波長一定的條件下 獲得更小的光斑成為了亟待解決的問題。因此需要找到一種在豎直孔徑與波長一定的條件 下，突破衍射極限，實現(xiàn)更小光斑聚焦的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術聚焦光斑的大小受到數(shù)值孔徑和光波長限制 無法獲得優(yōu)于瑞利衍射極限的聚焦效果的問題，而提出的一種利用渦旋光束實現(xiàn)光束緊聚 焦的方法。
[0004] 上述的發(fā)明目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：
[0005] 所述利用渦旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的裝置具體包括方位偏振光片、0~2π的螺旋 相位板和高數(shù)值口徑聚焦透鏡。
[0006] 步驟一、令方位偏振光入射到螺旋相位板；
[0007] 步驟二、利用螺旋相位板對方位偏振光的相位按角向方位在0~2JI的區(qū)間內(nèi)進行 線性調(diào)制，從而完成空間相位編碼形成渦旋光束；
[0008] 步驟三、令已知相位編碼的渦旋光束通過孔徑聚焦透鏡，形成優(yōu)于瑞利衍射極限 的聚焦光斑；
[0009] 所述將渦旋光束入射到孔徑聚焦透鏡上的電矢量分布有：
[0010]
[0011]其中，Θ為光束與光軸之間的夾角;Α2為包含透鏡的特征信息的函數(shù);k是波矢，η為 折射率#為極角坐標;r2為經(jīng)過透鏡后的光束徑向坐標;瑪為經(jīng)過透鏡后的光束極角坐標； Z2為傳播方向的坐標：
；NA為透鏡數(shù)值孔徑;η為透鏡折射率;Ai為光束振幅 項；i為虛部單位；以光軸為z軸，任意兩個方向為X和y軸建立坐標系;px，py，pz分別是x、y和z 軸三個方向上的偏振基矢量;孔徑聚焦透鏡NA>1;
[0012] 將式(2)的積分化簡得到：
[0013]
[0014] 式中，％為光束相位，
[0015] Vi = Jm-i(krsin9)+Jm+l (krsinB)
[0016] V2 = Jm-i(krsin9)-Jm+l (krsinB)
[0017] Ω為第一個是立體角，
[0018] Jm+1為m+1階貝塞爾高斯函數(shù)
[0019] m為渦旋光的拓撲數(shù)；
[0020] A為積分常數(shù)；
[0021] r為徑向坐標。
[0022]發(fā)明效果
[0023]本發(fā)明涉及超分辨成像技術領域，特別是涉及一種利用渦旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦 的方法?？梢垣@得突破經(jīng)典衍射極限的聚焦光斑。本發(fā)明公開了一種利用渦旋光束實現(xiàn)光 束超分辨緊聚焦的方法，屬于高分辨成像技術領域。它解決了對光束聚焦過程中，光斑聚焦 大小受到經(jīng)典衍射極限的限制問題。本發(fā)明中令特殊偏振光通過螺旋相位板產(chǎn)生渦旋光 束，之后經(jīng)過大數(shù)值孔徑的聚焦透鏡實現(xiàn)聚焦。渦旋相位調(diào)制的聚焦光斑比未經(jīng)過相位調(diào) 制的相比面積縮小近一半，突破了經(jīng)典衍射極限。本發(fā)明提出一種基于渦旋光束實現(xiàn)光束 緊聚焦的方法，可以獲得突破經(jīng)典衍射極限的聚焦光斑。通過光束緊聚焦可以實現(xiàn)對目標 的超分辨成像。本發(fā)明通過利用螺旋相位板對入射光進行相位編碼，之后用高數(shù)值孔徑透 鏡聚焦，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明可突破經(jīng)典衍射極限，實現(xiàn)對光束更小聚焦見說明書附圖 2〇
【附圖說明】
[0024] 圖1為【具體實施方式】一提出放入光束超分辨緊聚焦原理圖；其中，（1)為方位偏振 光片、（2)為0-2JI的螺旋相位板、（3)高數(shù)值口徑聚焦透鏡
[0025] 圖2為【具體實施方式】一提出的不同偏振光聚焦光斑大小示意圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0026] 一:本實施方式的一種利用渦旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法，具體 是按照以下步驟制備的：
[0027] 所述利用渦旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的裝置具體包括方位偏振光片、0-2π的螺旋相 位板(VPP-lc)和高數(shù)值口徑聚焦透鏡如圖1(GCL-010213);
[0028] 步驟一、令方位偏振光入射到螺旋相位板；
[0029] 步驟二、利用螺旋相位板對方位偏振光的相位按角向方位在0~2JI的區(qū)間內(nèi)進行 線性調(diào)制，從而完成空間相位編碼形成渦旋光束；
[0030] 步驟三、令已知相位編碼的渦旋光束通過孔徑聚焦透鏡，形成優(yōu)于瑞利衍射極限 的聚焦光斑；
[0031] 總體思路是偏振光與相位編碼的光通過透鏡后與其他光相比實現(xiàn)更小光斑聚焦， 達到的效果是光斑更小(突破衍射極限）
[0032] 所述將渦旋光束入射到孔徑聚焦透鏡上的電矢量分布有：
[0033]
[0034] 其中，Θ為光束與光軸之間的夾角;A2為包含透鏡的特征信息的函數(shù);k是波矢，η為 折射率#為極角坐標; r2為經(jīng)過透鏡后的光束徑向坐標;釣為經(jīng)過透鏡后的光束極角坐標； Z2為傳播方向的坐標
NA為透鏡數(shù)值孔徑;η為透鏡折射率;Ai為光束振幅 項；i為虛部單位；以光軸為z軸，任意兩個方向為X和y軸建立坐標系;px，py，pz反應了光束的 偏振特性，px，Py，pz分別是xyz三個方向上的偏振基矢量;孔徑聚焦透鏡NA>1;
[0035] 將式(2)的積分化簡得到：
[0036]
[0044] A為積分常數(shù)；
[0045] r為徑向坐標；
[0046] 實驗中可通過調(diào)節(jié)空間光調(diào)制器使得渦旋光的拓撲數(shù)m=l，進而使得％、％中的貝 塞爾函數(shù)變?yōu)榱汶A，有：
[0047] Vi = J〇(krsin0)+J2(krsin0) ^ J〇(krsin0)
[0048] V2 = Jo(krsin0)-j2(krsin0) ^ J〇(krsin0)
[0049] 這樣渦旋光使得貝塞爾函數(shù)變?yōu)?階，0階貝塞爾函數(shù)的特性是比起其他階的函數(shù) 有更好的聚焦效果，使光強集中在中心(緊聚焦），而其他階的函數(shù)是空心的，光強分散在周 圍
[0050] 對上述方法進行實驗研究，實驗中分別采用線偏振、圓偏振、徑向偏振和方位偏振 為入射光;其中方位偏振光用經(jīng)過螺旋相位板進行相位編碼;實驗結果渦旋光束的光斑大 小為〇. 147λ2，徑向偏振光為〇. 17λ2，圓偏振光〇. 229λ2，線偏振光為〇. 26λ2;而衍射極限光斑 大小為0.36λ2，結果表明渦旋光束可有效的減小聚焦光斑的大小，突破衍射極限，與其他偏 振光相比有更好的聚焦效果。
[0051 ]本實施方式效果：
[0052]本實施方式涉及超分辨成像技術領域，特別是涉及一種利用渦旋光束實現(xiàn)光束緊 聚焦的方法。可以獲得突破經(jīng)典衍射極限的聚焦光斑。本實施方式公開了一種利用渦旋光 束實現(xiàn)光束超分辨緊聚焦的方法，屬于高分辨成像技術領域。它解決了對光束聚焦過程中， 光斑聚焦大小受到經(jīng)典衍射極限的限制問題。本實施方式中令特殊偏振光通過螺旋相位板 產(chǎn)生渦旋光束，之后經(jīng)過大數(shù)值孔徑的聚焦透鏡實現(xiàn)聚焦。優(yōu)于瑞利衍射極限的聚焦光斑 比未經(jīng)過相位調(diào)制的相比面積縮小近一半，突破了經(jīng)典衍射極限。本實施方式提出一種基 于渦旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法，可以獲得突破經(jīng)典衍射極限的聚焦光斑。通過光束緊 聚焦可以實現(xiàn)對目標的超分辨成像。本實施方式通過利用螺旋相位板對入射光進行相位編 碼，之后用高數(shù)值孔徑透鏡聚焦，與現(xiàn)有技術相比，本實施方式可突破經(jīng)典衍射極限，實現(xiàn) 對光束更小聚焦見說明書附圖2。
[0053]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟二中利用螺旋相 位板對方位偏振光的相位按角向方位在的區(qū)間內(nèi)進行線性調(diào)制。其它步驟及參數(shù) .) J 與【具體實施方式】一相同。
[0054]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是：步驟二中所述相 位編碼形成渦旋光束的具體過程為：
[0055] 入射的方位偏振光的電矢量為g，瓦經(jīng)過螺旋相位板之后電矢量;g1為：
[0056]
[0057] 式中：a(f#)為方位角坐標函數(shù);e是指數(shù)函數(shù)；
[0058] 由上式可知光束橫截面上的相位分布隨著徑向角度而變化，具有渦旋特性;使得 方位偏振光變?yōu)闇u旋光束。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一或二相同。
[0059]【具體實施方式】四：本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是：步驟三中八工 為光束的振幅項，則：
[0060]
[0061]其中，β〇為透鏡半徑與束腰半徑之比;Ji為一階貝塞爾函數(shù)。其它步驟及參數(shù)與具 體實施方式一至三之一相同。
[0062]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是：步驟三中A2 包含透鏡結構信特征，則：
[0065] 其中，V( ·)為由透鏡彎曲的退偏振產(chǎn)生(透鏡的屬性)的函數(shù)矩陣。其它步驟及參 數(shù)與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0063]
[0064]
【主權項】
1. 一種利用滿旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法，其特征在于，所述利用滿旋光束實現(xiàn)光 束緊聚焦的裝置具體包括方位偏振光片、0~如的螺旋相位板和高數(shù)值口徑聚焦透鏡，該方 法具體是按照W下步驟進行的： 步驟一、令方位偏振光入射到螺旋相位板； 步驟二、利用螺旋相位板對方位偏振光的相位按角向方位在0~231的區(qū)間內(nèi)進行線性 調(diào)制，從而完成空間相位編碼形成滿旋光束； 步驟Ξ、令已知相位編碼的滿旋光束通過孔徑聚焦透鏡，形成優(yōu)于瑞利衍射極限的聚 焦光斑； 所述將滿旋光束入射到孔徑聚焦透鏡上的電矢量分布有：其中，Θ為光束與光軸之間的夾角;A2為包含透鏡的特征信息的函數(shù);k是波矢，η為折射 率;0為極角坐標;η為經(jīng)過透鏡后的光束徑向坐標；&為經(jīng)過透鏡后的光束極角坐標;Ζ2為 傳播方向的坐標ΝΑ為透鏡數(shù)值孔徑;η為透鏡折射率;Ai為光束振幅項；i 為虛部單位；W光軸為Z軸，任意兩個方向為X和y軸建立坐標系;Px，py，piz分別是x、y和Z軸Ξ 個方向上的偏振基矢量;孔徑聚焦透鏡NA〉1; 將式(2)的積分化簡得到：式中，?V為光束相位， Vi = Jm_i(krsin 白）+Jm+i(krsin9) V2 = Jm_i(krsin 白）一Jm+1 (krsin 白） Vi和V2為中間變量； Ω為第一個是立體角； 功m+1階貝塞爾高斯函數(shù)； m為滿旋光的拓撲數(shù)； A為積分常數(shù)； r為徑向坐標。2. 根據(jù)權利要求1所述一種利用滿旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法，其特征在于:步驟二 中利用螺旋相位板對方位偏振光的相位按角向方位在^;7'~^/2^勺區(qū)間內(nèi)進行線性調(diào)制。 ·， J3. 根據(jù)權利要求1所述一種利用滿旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法，其特征在于:步驟二 中所述相位編碼形成滿旋光束的具體過程為： 入射的方位偏振光的電矢量為/,>，A經(jīng)過螺旋相位板之后電矢量/:'為：式中：α(/-'，的為方位角坐標函數(shù);e是指數(shù)函數(shù)。4. 根據(jù)權利要求3所述一種利用滿旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法，其特征在于:步驟Ξ 中Ai為光束的振幅項，則：其中，抗為透鏡半徑與束腰半徑之比;Ji為一階貝塞爾函數(shù)。5. 根據(jù)權利要求1或2所述一種利用滿旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法，其特征在于：步 驟Ξ中Ai為光束的振幅項，則：其中，抗為透鏡半徑與束腰半徑之比;Ji為一階貝塞爾函數(shù)。6. 根據(jù)權利要求5所述一種利用滿旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法，其特征在于:步驟Ξ 中A2包含透鏡結構信特征，則：其中，V( ·)為由透鏡彎曲的退偏振產(chǎn)生函數(shù)矩陣。7. 根據(jù)權利要求1、2或4所述一種利用滿旋光束實現(xiàn)光束緊聚焦的方法，其特征在于： 步驟Ξ中A2包含透鏡結構信特征，則：其中，V( ·)為由透鏡彎曲的退偏振產(chǎn)生函數(shù)矩陣。
【文檔編號】G02B27/28GK105974600SQ201610579589
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月21日
【發(fā)明人】張子靜, 趙遠, 馬昆, 蘇建忠, 王峰
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學