專利名稱：一種產(chǎn)生徑向或角向偏振自聚焦艾里光束的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生徑向或角向偏振自聚焦艾里光束的方法及其裝置，所產(chǎn)生的光束可應(yīng)用于微粒捕獲、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，屬應(yīng)用光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
圓對(duì)稱艾里光束以其特有的自聚焦的性質(zhì)引起了人們的極大興趣和廣泛關(guān)注，也被稱為自聚焦艾里光束。所謂自聚焦，是指光束不借助聚焦光學(xué)元件而由其自身傳輸性質(zhì)導(dǎo)致光束在自由空間或介質(zhì)中傳輸過(guò)程中發(fā)生聚焦。同時(shí)，艾里光束的自聚焦現(xiàn)象也非常特別，在聚焦前光束的光強(qiáng)較低，而在焦點(diǎn)處光強(qiáng)迅速增大，能量加速集中，焦點(diǎn)處的光強(qiáng)最大值可達(dá)到初始艾里光束光強(qiáng)最大值的幾十甚至上百倍。自聚焦艾里光束的上述特性使其在生物醫(yī)學(xué)治療、光學(xué)顯微操作等領(lǐng)域具有非常大的潛在應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，自聚焦艾里光束也被用于進(jìn)行微粒捕獲和操控。同一般的光鑷裝置相比，由于艾里光束的自聚焦特性，在相同數(shù)值孔徑條件下的物鏡聚焦之后，自聚焦艾里光束能夠獲得更小的光斑半徑、更強(qiáng)的光強(qiáng)分布及更深的焦深。自聚焦的艾里光束在焦點(diǎn)處為實(shí)心光束，具體應(yīng)用于微粒的光學(xué)囚禁時(shí)，在焦點(diǎn)處只能夠捕獲那些折射率大于周圍介質(zhì)的微粒，而不適合對(duì)折射率小于周圍介質(zhì)的微粒進(jìn)行捕獲。因此，將自聚焦艾里光束在焦點(diǎn)處的實(shí)心光束改造成為軸向光強(qiáng)為零的空心光束，可以極大地拓展自聚焦艾里光束在很多領(lǐng)域的應(yīng)用。如對(duì)于微粒捕獲而言，不僅可以突破自聚焦艾里光束所受上述折射率條件的限制，而且可以減弱光的散射作用，最大程度地減小對(duì)囚禁粒子的光學(xué)加熱損傷，提高光學(xué)囚禁效率。近年來(lái)，具有空間變化偏振分布的矢量光束因其具有的光學(xué)特性和巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。矢量光束可以分為均勻偏振和非均勻偏振光束，柱矢量光束就是一類典型的具有空間非均勻偏振狀態(tài)的柱矢量光束。柱矢量光束以其在高數(shù)值孔徑聚焦下的特性以及在粒子捕獲、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、材料熱處理、高分辨率成像、電子加速、電漿子聚焦、激光加工和自由空間光通信上的重要應(yīng)用，得到了廣泛而深入的研究。徑向偏振和角向偏振光束是柱矢量光束中偏振形式比較特殊的兩種。徑向偏振光由于其偏振態(tài)關(guān)于光軸的對(duì)稱性以及始終存在軸上光強(qiáng)為零等特點(diǎn)而備受關(guān)注，其在光束橫截面上任意一點(diǎn)(中心點(diǎn)除外)上的局部偏振態(tài)為線偏振，但偏振方向沿著半徑方向；角向偏振光束在其光束橫截面上任意一點(diǎn)上的局部偏振態(tài)也是線偏振，但偏振方向與半徑方向正交。目前，在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生柱矢量偏振光束的方法有許多，根據(jù)產(chǎn)生方法是否涉及放大媒介，可以歸為主動(dòng)和被動(dòng)兩類。主動(dòng)產(chǎn)生方法涉及使用激光腔內(nèi)設(shè)備使激光在柱矢量偏振模內(nèi)振蕩，如使用腔內(nèi)軸向雙折射組件或利用錐形透鏡和布儒斯特角反射器創(chuàng)建的軸向腔內(nèi)二向色性組件等；被動(dòng)產(chǎn)生方法也有很多，如利用光纖或在自由空間中利用液晶空間光調(diào)制器或偏振轉(zhuǎn)換器等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，為粒子捕獲、生物醫(yī)學(xué)微納手術(shù)等技術(shù)領(lǐng)域提供一種具有重要應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)生徑向和角向偏振自聚焦艾里光束的方法，并提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整，穩(wěn)定性好的產(chǎn)生徑向和角向偏振自聚焦艾里光束的裝置。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種產(chǎn)生徑向或角向偏振自聚焦艾里光束的方法，包括如下步驟
(1)對(duì)準(zhǔn)直高斯光束進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)整，得到沿一定方向偏振的線偏振高斯光束；
(2)所述的線偏振高斯光束經(jīng)分光處理后，將得到的透射光束垂直入射至加載了位相信息圖的空間光調(diào)制器，經(jīng)位相調(diào)制后以反射方式出射；
(3)再經(jīng)分光處理后將得到的反射光束經(jīng)傅里葉變換凸透鏡會(huì)聚后，在凸透鏡的焦點(diǎn)處通過(guò)環(huán)形光闌，得到線偏振自聚焦艾里光束；
(4)將所述的線偏振自聚焦艾里光束進(jìn)行徑向或角向偏振轉(zhuǎn)換處理，得到徑向或角向偏振自聚焦艾里光束。本發(fā)明技術(shù)方案還提供一種產(chǎn)生徑向或角向偏振自聚焦艾里光束的裝置，激光器發(fā)出準(zhǔn)直高斯光束，經(jīng)偏振片對(duì)光束進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)整，得到沿一定方向偏振的線偏振高斯光束；所述的線偏振高斯光束通過(guò)分光鏡后，將得到的透射光束垂直入射至加載了位相信息圖的空間光調(diào)制器，在空間光調(diào)制器液晶顯示屏上進(jìn)行位相調(diào)制后以反射方式出射；再經(jīng)分光鏡，將得到的反射光束通過(guò)傅里葉變換凸透鏡會(huì)聚后，經(jīng)環(huán)形光闌，得到線偏振自聚焦艾里光束；所述的環(huán)形光闌設(shè)置在凸透鏡的焦點(diǎn)處；在環(huán)形光闌后放置偏振轉(zhuǎn)換器，將偏振轉(zhuǎn)換器的偏振狀態(tài)調(diào)整為徑向或角向偏振，所述的線偏振自聚焦艾里光束通過(guò)偏振轉(zhuǎn)換器后得到徑向或角向偏振自聚焦艾里光束。所述的激光器為半導(dǎo)體泵浦固體激光器；所述的分光鏡的透射率和反射率均為50% ;所述的空間光調(diào)制器為反射式空間光調(diào)制器，由與其連接的計(jì)算機(jī)輸入位相信息圖；所述的環(huán)形光闌的透光部分為光闌的環(huán)形區(qū)域，光闌中心圓形區(qū)域?yàn)檎诠獠糠?，光闌的內(nèi)外孔徑固定；所述的偏振轉(zhuǎn)換器為液晶電壓調(diào)制式偏振轉(zhuǎn)換器，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制加載電壓，調(diào)節(jié)光束偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)徑向偏振或角向偏振。由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明技術(shù)方案提供的艾里光束產(chǎn)生方法不需借助聚焦光學(xué)元件即可進(jìn)行自聚焦，焦點(diǎn)前光強(qiáng)較低，焦點(diǎn)處光強(qiáng)迅速增大，能量集中，可精確定位利用。2、本發(fā)明技術(shù)方案直接利用線偏振高斯光束產(chǎn)生徑向或角向偏振自聚焦艾里光束，方法簡(jiǎn)單，可靠。3、所提供的艾里光束產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整，穩(wěn)定性好。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種徑向或角向偏振自聚焦艾里光束產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的用于對(duì)光束進(jìn)行位相調(diào)制的位相信息 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的環(huán)形光闌的結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中產(chǎn)生的徑向偏振自聚焦艾里光束的光強(qiáng)分布圖(傳播距離z=0)；
圖5是本發(fā)明實(shí)施例1中產(chǎn)生的徑向偏振自聚焦艾里光束的光強(qiáng)分布圖(傳播距離z=0. 25m)；
附圖6是本發(fā)明實(shí)施例1中產(chǎn)生的徑向偏振自聚焦艾里光束在其自聚焦焦點(diǎn)處的光強(qiáng)分布圖(傳播距離z=0. 85m)；
圖7是本發(fā)明實(shí)施例1中產(chǎn)生的徑向偏振自聚焦艾里光束在光強(qiáng)分布圖(傳播距離z=l. 50m)；
圖8是本發(fā)明實(shí)施例1中驗(yàn)證徑向偏振自聚焦艾里光束時(shí)的光強(qiáng)分布圖(傳播距離z=0，偏振片的偏振方向?yàn)樨Q直方向)；
圖9是本發(fā)明實(shí)施例1中驗(yàn)證徑向偏振自聚焦艾里光束時(shí)的光強(qiáng)分布圖(傳播距離z=0，偏振片的偏振方向?yàn)樗椒较?；
圖10是本發(fā)明實(shí)施例2中驗(yàn)證角向偏振自聚焦艾里光束時(shí)的光強(qiáng)分布圖(傳播距離z=0，偏振片的偏振方向?yàn)樨Q直方向)；
圖11是本發(fā)明實(shí)施例2中驗(yàn)證角向偏振自聚焦艾里光束時(shí)的光強(qiáng)分布圖(傳播距離z=0，偏振片的偏振方向?yàn)樗椒较?；
圖1中1、激光器；2、偏振片；3、分光鏡；4、空間光調(diào)制器；5、9和11、計(jì)算機(jī)；6、凸透鏡；7、環(huán)形光闌；8、偏振轉(zhuǎn)換器；10、光束分析儀。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。實(shí)施例1 :
參見(jiàn)附圖1，它是本實(shí)施例提供的一種徑向和角向偏振自聚焦艾里光束產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置包括激光器1，偏振片2，分光鏡3，空間光調(diào)制器4，凸透鏡6，環(huán)形光闌7，偏振轉(zhuǎn)換器8，光束分析儀10，計(jì)算機(jī)5、9和11。由激光器I發(fā)出高斯光束，在本實(shí)施例中，激光器I為功率可調(diào)的半導(dǎo)體泵浦固體激光器，最大功率1. 8W，波長(zhǎng)為532nm ;高斯光束經(jīng)偏振片2得到沿豎直方向偏振的線偏振高斯光束；線偏振高斯光束通過(guò)分光鏡3分為反射光束和透射光束，所述的分光鏡3的透射率和反射均為50%，可以提高光束能量利用率；透射光束以垂直入射的方式到達(dá)空間光調(diào)制器4，空間光調(diào)制器4為反射式空間光調(diào)制器，其相位信息由計(jì)算機(jī)5通過(guò)軟件加載位相信息圖進(jìn)行調(diào)制，參見(jiàn)附圖2，它是本實(shí)施例提供的用于對(duì)光束進(jìn)行位相調(diào)制的位相信息圖，線偏振高斯光束在空間光調(diào)制器液晶顯示屏上進(jìn)行位相調(diào)制后以反射方式出射；經(jīng)過(guò)位相調(diào)制的光束再次通過(guò)分光鏡3分為反射光束和透射光束，反射光束經(jīng)傅里葉變換凸透鏡6會(huì)聚后，在凸透鏡6的焦點(diǎn)處通過(guò)環(huán)形光闌7，得到線偏振自聚焦艾里光束，在本實(shí)施例中，凸透鏡6的焦距為400_，用于對(duì)光束進(jìn)行傅里葉變換和聚焦；參見(jiàn)附圖3，它是本實(shí)施例提供的環(huán)形光闌的結(jié)構(gòu)示意圖，環(huán)形光闌7的透光部分為環(huán)形，光闌中心圓形區(qū)域?yàn)椴煌腹獾恼跀r部分，其內(nèi)環(huán)半徑為1mm，外環(huán)半徑2mm，內(nèi)外孔徑為固定不可調(diào)；線偏振自聚焦艾里光束通過(guò)偏振轉(zhuǎn)換器8后得到徑向或角向偏振自聚焦艾里光束，在本實(shí)施例中，偏振轉(zhuǎn)換器8為液晶電壓調(diào)制式偏振轉(zhuǎn)換器，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制加載電壓，調(diào)節(jié)光束偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)徑向偏振或角向偏振。對(duì)本實(shí)施例提供的裝置產(chǎn)生的徑向和角向偏振自聚焦艾里光束進(jìn)行測(cè)量，可采用將光束分析儀10與計(jì)算機(jī)11相連，光束分布儀10用于觀測(cè)和拍攝徑向和角向偏振自聚焦艾里光束在不同傳播距離處的光強(qiáng)分布。
利用本實(shí)施例提供的上述裝置產(chǎn)生徑向和角向偏振自聚焦艾里光束的方法，其具體操作步驟如下1、從激光器I發(fā)出高斯光束，光束經(jīng)過(guò)偏振片2時(shí)，調(diào)節(jié)偏振片2偏振角度，使光束成為沿一定方向偏振的線偏振高斯光束。2、線偏振高斯光束經(jīng)過(guò)分光鏡3時(shí)發(fā)生反射和透射，透射光束以垂直入射的方式到達(dá)空間光調(diào)制器4，通過(guò)計(jì)算機(jī)5的軟件程序?qū)⑽幌嘈畔D加載到空間光調(diào)制器4的液晶顯示屏上，調(diào)節(jié)空間光調(diào)制器4的液晶顯示屏的位置，使經(jīng)過(guò)分光鏡3的透射光束正好照射在位相信息圖上，進(jìn)行位相調(diào)制后以反射方式出射。3、空間光調(diào)制器4的液晶顯示屏和環(huán)形光闌7分別置于凸透鏡6的前焦面和后焦面，凸透鏡6對(duì)位相調(diào)制得到的光束進(jìn)行傅里葉變換和會(huì)聚。經(jīng)過(guò)位相調(diào)制得到的光束再次通過(guò)分光鏡3分為兩束，反射光束經(jīng)凸透鏡6進(jìn)行傅里葉變換后通過(guò)環(huán)形光闌7，得到線偏振自聚焦艾里光束。如附圖2所示即為本實(shí)施例中所用的位相信息圖，調(diào)節(jié)位相信息圖的參數(shù)，可以改變產(chǎn)生的光束的中心光斑半徑以及周圍各環(huán)的寬度和半徑大小。4、緊靠環(huán)形光闌7放置偏振轉(zhuǎn)換器8，對(duì)偏振轉(zhuǎn)換器8進(jìn)行三維方向位移以及角度的調(diào)節(jié)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)9軟件改變加載電壓實(shí)現(xiàn)微調(diào)。將偏振轉(zhuǎn)換器8模式調(diào)為徑向偏振，線偏振自聚焦艾里光束通過(guò)偏振轉(zhuǎn)換器8產(chǎn)生徑向偏振自聚焦艾里光束。5、在徑向和角向偏振自聚焦艾里光束傳播路徑上放置光束分析儀10，與計(jì)算機(jī)11相連，改變光束分析儀10到偏振轉(zhuǎn)換器8的距離，觀測(cè)和拍攝徑向偏振自聚焦艾里光束在不同傳播距離處的光強(qiáng)分布。本實(shí)施例以產(chǎn)生徑向偏振自聚焦艾里光束為例，參見(jiàn)附圖4 7，它們分別為徑向偏振自聚焦艾里光束在傳播距離z分別為0、0. 25m、O. 85m、1. 50m處的光強(qiáng)分布圖，其中，附圖6為自聚焦艾里光束的焦距z=0. 85m，在此處得到的是艾里光束焦點(diǎn)處的光強(qiáng)分布為空心光束。本發(fā)明為粒子捕獲、生物醫(yī)學(xué)微納手術(shù)等技術(shù)領(lǐng)域提供一種具有重要應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)生徑向和角向偏振自聚焦艾里光束。對(duì)產(chǎn)生的徑向偏振艾里光束進(jìn)行驗(yàn)證，其方法是在偏振轉(zhuǎn)換器8和光束分析儀10之間放置偏振片，將偏振片的偏振方向調(diào)節(jié)為豎直方向，在傳播距離Z=O處拍攝到光強(qiáng)分布圖如附圖8所示；將偏振片的偏振方向調(diào)節(jié)為水平方向，在傳播距離Z=O處拍攝到光強(qiáng)分布圖如附圖9所示。由附圖8和附圖9的光強(qiáng)分布圖可以證明，本實(shí)施例產(chǎn)生的是徑向偏振自聚焦艾里光束。實(shí)施例2
按實(shí)施例1的技術(shù)方案構(gòu)建一種徑向和角向偏振自聚焦艾里光束產(chǎn)生裝置，本實(shí)施例以產(chǎn)生角向偏振自聚焦艾里光束為例，并對(duì)產(chǎn)生的角向偏振艾里光束進(jìn)行驗(yàn)證。產(chǎn)生方法及驗(yàn)證方法同實(shí)施例1，僅將步驟4中偏振轉(zhuǎn)換器8模式調(diào)為角向偏振，則產(chǎn)生角向偏振自聚焦艾里光束。驗(yàn)證時(shí)，將偏振片的偏振方向調(diào)節(jié)為豎直方向，在傳播距離z=0處拍攝到光強(qiáng)分布圖如附圖10所示；將偏振片的偏振方向調(diào)節(jié)為水平方向，在傳播距離z=0處拍攝到光強(qiáng)分布圖如附圖11所示。由附圖10和附圖11的光強(qiáng)分布圖可以證明，本實(shí)施例產(chǎn)生的是角向偏振自聚焦艾里光束。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生徑向或角向偏振自聚焦艾里光束的方法，其特征在于包括如下步驟 (1)對(duì)準(zhǔn)直高斯光束進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)整，得到沿一定方向偏振的線偏振高斯光束； (2)所述的線偏振高斯光束經(jīng)分光處理后，將得到的透射光束垂直入射至加載了位相信息圖的空間光調(diào)制器，經(jīng)位相調(diào)制后以反射方式出射； (3)再經(jīng)分光處理后將得到的反射光束經(jīng)傅里葉變換凸透鏡會(huì)聚后，在凸透鏡的焦點(diǎn)處通過(guò)環(huán)形光闌，得到線偏振自聚焦艾里光束； (4)將所述的線偏振自聚焦艾里光束進(jìn)行徑向或角向偏振轉(zhuǎn)換處理，得到徑向或角向偏振自聚焦艾里光束。
2.—種產(chǎn)生徑向或角向偏振自聚焦艾里光束的裝置，其特征在于激光器發(fā)出準(zhǔn)直高斯光束，經(jīng)偏振片對(duì)光束進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)整，得到沿一定方向偏振的線偏振高斯光束；所述的線偏振高斯光束通過(guò)分光鏡后，將得到的透射光束垂直入射至加載了位相信息圖的空間光調(diào)制器，在空間光調(diào)制器液晶顯示屏上進(jìn)行位相調(diào)制后以反射方式出射；再經(jīng)分光鏡，將得到的反射光束通過(guò)傅里葉變換凸透鏡會(huì)聚后，經(jīng)環(huán)形光闌，得到線偏振自聚焦艾里光束；所述的環(huán)形光闌設(shè)置在凸透鏡的焦點(diǎn)處；在環(huán)形光闌后放置偏振轉(zhuǎn)換器，將偏振轉(zhuǎn)換器的偏振狀態(tài)調(diào)整為徑向或角向偏振，所述的線偏振自聚焦艾里光束通過(guò)偏振轉(zhuǎn)換器后得到徑向或角向偏振自聚焦艾里光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種產(chǎn)生徑向或角向偏振自聚焦艾里光束的裝置，其特征在于所述的激光器為半導(dǎo)體泵浦固體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種產(chǎn)生徑向或角向偏振自聚焦艾里光束的裝置，其特征在于所述的分光鏡的透射率和反射率均為50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種產(chǎn)生徑向或角向偏振自聚焦艾里光束的裝置，其特征在于所述的空間光調(diào)制器為反射式空間光調(diào)制器，由與其連接的計(jì)算機(jī)輸入位相信息圖。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種產(chǎn)生徑向或角向偏振自聚焦艾里光束的裝置，其特征在于所述的環(huán)形光闌的透光部分為光闌的環(huán)形區(qū)域，光闌中心圓形區(qū)域?yàn)檎诠獠糠?，光闌的內(nèi)外孔徑固定。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種產(chǎn)生徑向或角向偏振自聚焦艾里光束的裝置，其特征在于所述的偏振轉(zhuǎn)換器為液晶電壓調(diào)制式偏振轉(zhuǎn)換器，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制加載電壓，調(diào)節(jié)光束偏振態(tài)，實(shí)現(xiàn)徑向偏振或角向偏振。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生徑向或角向偏振自聚焦艾里光束的方法及其裝置。對(duì)準(zhǔn)直高斯光束進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)整，得到沿一定方向偏振的線偏振高斯光束；經(jīng)分光處理后，將得到的透射光束垂直入射至加載了位相信息圖的空間光調(diào)制器，經(jīng)位相調(diào)制后以反射方式出射；再經(jīng)分光處理后將得到的反射光束經(jīng)傅里葉變換凸透鏡會(huì)聚后，在凸透鏡的焦點(diǎn)處通過(guò)環(huán)形光闌，得到線偏振自聚焦艾里光束；經(jīng)徑向或角向偏振轉(zhuǎn)換處理，得到徑向或角向偏振自聚焦艾里光束。它不需借助聚焦光學(xué)元件即可進(jìn)行自聚焦，焦點(diǎn)前光強(qiáng)較低，焦點(diǎn)處光強(qiáng)迅速增大，能量集中，定位精確，可應(yīng)用于微粒捕獲、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，屬應(yīng)用光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。所提供的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整，穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)G02B27/28GK103018918SQ201310018938
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者董元, 趙承良, 文偉, 蔡陽(yáng)健 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)