本發(fā)明涉及柱狀矢量光束的緊聚焦特性調(diào)控，屬于光場(chǎng)的焦場(chǎng)工程領(lǐng)域，特別是利用柱狀矢量光束實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)三維任意移動(dòng)的裝置及方法。

背景技術(shù)：

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(wú)接觸地操控微納介質(zhì)粒子，這種單光束光學(xué)捕獲被稱(chēng)為光鑷技術(shù)。光鑷技術(shù)可操控各種微納粒子，從原子、分子到細(xì)胞，并在諸如物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。光鑷的工作原理是利用光場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)最強(qiáng)處，即光束的焦點(diǎn)位置。為了獲得足夠大的梯度力，能夠?qū)⑽⒓{粒子穩(wěn)定地束縛在光場(chǎng)勢(shì)阱中，光束需要經(jīng)過(guò)高數(shù)值孔徑透鏡聚焦。當(dāng)激光束經(jīng)過(guò)高數(shù)值孔徑透鏡聚焦后，如果能使焦點(diǎn)移動(dòng)就可以操控捕獲的微納粒子一起移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微納粒子的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)操控。

近年來(lái)，柱狀矢量光束引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。矢量光束是指同一時(shí)刻同一波陣面上不同位置具有不同偏振態(tài)分布的光場(chǎng)。矢量光束具有特定的偏振分布，其焦場(chǎng)具有特殊的光場(chǎng)分布。矢量光束的偏振態(tài)調(diào)控在光鑷技術(shù)中也展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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?chē)橘|(zhì)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(guò)對(duì)入射光束的振幅、偏振態(tài)和相位進(jìn)行調(diào)控從而達(dá)到調(diào)控焦場(chǎng)的目的。例如利用衍射光學(xué)元件對(duì)柱狀矢量光束進(jìn)行調(diào)控可以在焦場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生多個(gè)焦點(diǎn)[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(shí)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(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多焦點(diǎn)在三維空間里的任意移動(dòng)。

設(shè)計(jì)利用柱狀矢量光束實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)三維任意移動(dòng)的方法及裝置，既能根據(jù)需要在焦場(chǎng)區(qū)域產(chǎn)生多焦點(diǎn)，也能實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)在三維空間的任意移動(dòng)。本發(fā)明在光鑷、生物光學(xué)顯微成像和光刻等技術(shù)中具有非常廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：利用柱狀矢量光束實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)三維任意移動(dòng)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(diào)制器、透射式相位型空間光調(diào)制器、高數(shù)值孔徑透鏡；與透射式振幅型空間光調(diào)制器連接的振幅控制器、與透射式相位型空間光調(diào)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(diào)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(diào)制器、透射式相位型空間光調(diào)制器和高數(shù)值孔徑透鏡后，獲得焦點(diǎn)；

所述透射式振幅型空間光調(diào)制器用于調(diào)控柱狀矢量光束的振幅分布；所述透射式相位型空間光調(diào)制器用于調(diào)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(diǎn)；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(jìn)一步的，通過(guò)調(diào)控柱狀矢量光束的振幅信息和相位信息來(lái)調(diào)控焦點(diǎn)個(gè)數(shù)和每個(gè)焦點(diǎn)處在三維空間的位置。

進(jìn)一步的，所述焦點(diǎn)的幾何形狀、偏振態(tài)分布和電場(chǎng)分布完全相同。

利用柱狀矢量光束實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)三維任意移動(dòng)的裝置的焦點(diǎn)移動(dòng)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(guò)透射式振幅型空間光調(diào)制器和透射式相位型空間光調(diào)制器；振幅控制器在振幅型空間光調(diào)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(diào)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(biāo)的振幅信息和相位信息的柱狀矢量光束經(jīng)過(guò)高數(shù)值孔徑透鏡聚焦后獲得多個(gè)焦點(diǎn)；

透射式振幅型空間光調(diào)制器上所加載的振幅信息表達(dá)式為：

透射式相位型空間光調(diào)制器上所加載的相位信息表達(dá)式為：

其中：

(ρ,φ)為極坐標(biāo)系下的徑向和角向坐標(biāo)；

m為產(chǎn)生的焦點(diǎn)個(gè)數(shù)；

為第i個(gè)焦點(diǎn)的空間位移矢量；

為第j個(gè)焦點(diǎn)的空間位移矢量；

為波矢；

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

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

有益效果：本發(fā)明依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)在產(chǎn)生柱狀矢量光束的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)矢量光束進(jìn)行振幅調(diào)制和相位調(diào)制，然后用高數(shù)值孔徑透鏡緊聚焦，能夠在焦場(chǎng)區(qū)域獲得多個(gè)焦點(diǎn)，并且每個(gè)焦點(diǎn)的幾何形狀、偏振態(tài)分布和電場(chǎng)分布完全相同。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)控加載在振幅調(diào)制器和相位調(diào)制器的信息，可以在焦場(chǎng)區(qū)域任意移動(dòng)每個(gè)焦點(diǎn)的位置，實(shí)時(shí)改變矢量光束的振幅信息和相位信息能夠使得多個(gè)焦點(diǎn)在三維空間中按一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明方法容易實(shí)現(xiàn)，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整，制造成本低；裝置穩(wěn)定性好，不需要其他特殊的光學(xué)元件。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例一中透射式相位型空間光調(diào)制器上加載的全息圖；

圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例一中得到的三維焦場(chǎng)分布圖；

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

圖5為本發(fā)明具體實(shí)施例二中得到的三維焦場(chǎng)分布圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1所示為利用柱狀矢量光束實(shí)現(xiàn)多焦點(diǎn)三維任意移動(dòng)的方法，包括光源1、透射式振幅型空間光調(diào)制器2、透射式相位型空間光調(diào)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(shù)產(chǎn)生柱狀矢量光束，入射的柱狀矢量光束1依次經(jīng)過(guò)透射式振幅型空間光調(diào)制器2和相位型空間光調(diào)制器3。振幅控制器5在振幅型空間光調(diào)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(diào)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(guò)高數(shù)值孔徑透鏡聚焦后獲得多焦點(diǎn)。

通過(guò)實(shí)時(shí)改變光束的振幅信息和相位信息可得到在三維空間內(nèi)按特定軌跡移動(dòng)多焦點(diǎn)，獲得實(shí)時(shí)變化的焦場(chǎng)分布。

本發(fā)明實(shí)際可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是平移焦點(diǎn)，二是產(chǎn)生多個(gè)焦點(diǎn)。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例一：

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

其相位分布如圖2所示。焦點(diǎn)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(biāo)為處，焦點(diǎn)在橫截面的偏振分布為徑向偏振分布，這說(shuō)明焦點(diǎn)僅僅是中心位置發(fā)生了改變，焦點(diǎn)附近的電場(chǎng)分布沒(méi)有發(fā)生任何改變。

實(shí)施例二：

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

加載在相位型空間光調(diào)制器上的全息圖表達(dá)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(diǎn)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(gè)焦點(diǎn)，并且每個(gè)焦點(diǎn)的中心位置分別為和該實(shí)施例不僅產(chǎn)生了多焦點(diǎn)，而且每個(gè)焦點(diǎn)的中心位置可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了多焦點(diǎn)的三維任意移動(dòng)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。如實(shí)時(shí)改變加載在矢量光束上的振幅和相位信息，可以動(dòng)態(tài)地操控焦點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而將其運(yùn)用在多個(gè)粒子的動(dòng)態(tài)捕獲和粒子輸運(yùn)等領(lǐng)域。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。