一种控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的装置和方法，装置包括分束模块、偏振旋转模块、径向偏振光转换器和合束器；分束模块将入射的相干线偏振光分为两束线偏振光，并调节光强比；偏振旋转模块控制第一束线偏振光的偏振方向；径向偏振光转换器将第二束线偏振光转换为径向偏振光；合束器将出射的线偏振光和径向偏振光合为同轴光束。本发明专利技术方法利用分束模块调节经分束得到的第一束线偏振光和第二束线偏振光的光强比例来控制聚焦光场偏振方向与聚焦平面的夹角；利用偏振旋转模块改变第一线偏振光的偏振方向来控制聚焦光场偏振方向在聚焦平面内投影的方向。本发明专利技术结构简单、稳定可靠、适用性强、易于实现、操作简单、具有很好的适用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的装置和方法，属于光场三维偏振控制

技术介绍
偏振作为光的一个基本特性，和强度、相位一样能够提供探测对比度，从而在光学检测，特别在光学显微领域中有非常重要的应用。例如，在矿产鉴别和一些工业显微领域中，偏振被引入到显微技术中用来增强对比度(蒯丽君，詹秀春，樊兴涛，温宏利，袁继海.偏振能量色散x射线荧光光谱法测定硫化物矿石中的铜铅锌[J].岩矿测试，32(6)，903-908)；而在荧光显微
，基于荧光分子吸收效率对激发光偏振方向的敏感性开发的荧光偏振显微技术，通过利用不同偏振方向的光来激发荧光分子并探测处理受激发光偏振方向调制的荧光光强，可获取被荧光分子所标记生物分子方向结构，从而对生物分子荧光成像有很大的帮助(Kampmann M,Atkinson C E,Mattheyses A L,Simon SM.Mapping the orientation of nuclear pore proteins in living cells with polarized fluorescence microscopy[J].Nature Structural and Molecular Biology,2011June,18(6):643–649)。除了在显微领域，聚焦光场的偏转特性在量子信息、近场光学、光学微操纵单分子成像、光存储等领域也有着重要的应用。而上述技术都依赖于显微物镜聚焦光场偏转方向的调控。目前，关于显微物镜聚焦光场偏振方向的控制主要集中于二维偏振方向的控制，导致在上述技术的应用具有局限性。因此，研究显微物镜聚焦光场偏振方向的三维控制方法和光路具有重要价值。围绕这个方向，目前国内外已开展一些相关研究，大致分为两种方法。第一种方法是利用空间滤波器调制输入光场的强度和相位分布，来实现显微物镜聚焦光场的三维偏振控制(Ayman F.Abouraddy and Kimani C.Toussaint,Jr.Three-Dimensional Polarization Control in Microscopy[J].Physical Review Letters,2006,96(15):153901)。第二种方法则使用相位板调整径向偏光和切向偏光相位，并利用物镜将两束光汇聚相干叠加实现三维偏振控制(Yunshan Jiang,CuifangKuang,Shuai Li and Xu Liu.Arbitrary three-dimensional polarization control based on cylindrical vector beams and binary phase coding[J].Journal of Modern Optics,2014,61(4):328-334)。上述两种方法中，第一种方法对于每一个不同的三维偏振方向都需要进行单独计算强度和相位分布，计算复杂，适用性较差；第二种方法通过相位调制来控制偏振方向，相位调制准确性和稳定性在实际光路中都比较难控制，具有实际局限性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的装置和方法，实现显微物镜聚焦光场三维偏振方向的控制，结构简单、易于调整、适用性好、光路稳定可靠。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的装置，包括分束模块、偏振旋转模块、径向偏振光转换器和合束器；所述分束模块用于将入射的相干线偏振光分为两束线偏振光，并调节两束线偏振光之间的光强比；偏振旋转模块用于控制分束后第一束线偏振光的偏振方向；径向偏振光转换器用于将分束后第二束线偏振光转换为径向偏振光；合束器用于将经偏振旋转模块出射的线偏振光和经径向偏振转换器转换后得到的径向偏振光合为同轴光束，入射显微物镜。作为本专利技术装置的一种进一步方案，该装置还包括相位补偿器，所述相位补偿器为可调光程的光学棱镜，位于分束后其中一束线偏振光的光路上，使分束后的两束线偏振光在合束时的相位差为0或π。作为本专利技术装置的一种优选方案，所述分束模块包括半波片和偏振分束棱镜；所述半波片用于改变入射相干线偏振光的偏振方向；偏振分束棱镜用于将通过半波片的线偏振光分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光。作为本专利技术装置的一种优选方案，所述偏振旋转模块包括四分之一波片和线偏振光起偏器；所述四分之一波片用于将分束后其中一束线偏振光转换为圆偏振光；线偏振光起偏器用于将圆偏振光转换为偏振方向与线偏振光起偏器透射轴方向一致的线偏振光。作为本专利技术装置的一种优选方案，所述合束器为合束棱镜。一种控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的方法，包括如下步骤：步骤1，利用分束模块将入射相干线偏振光分成两束线偏振光，偏振旋转模块改变第一束线偏振光的偏振方向后出射，径向偏振光转换器将第二束线偏振光转换为径向偏振光后出
射，合束器将两束出射光合为同轴光束后入射显微物镜，在聚焦光场显微物镜汇聚两束出射光，其中，线偏振光保持其偏振方向在聚焦平面内，且保持其入射显微物镜前的偏振方向，而径向偏振光产生垂直聚焦平面的纵向偏振光，两个不同方向的偏振分量相干叠加产生三维偏振光；步骤2，利用分束模块调节入射相干线偏振光经分束后的第一束线偏振光和第二束线偏振光的光强比例，来控制显微物镜聚焦光场在聚焦平面内和垂直聚焦平面方向偏振分量的比例，从而控制聚焦光场偏振方向与聚焦平面的夹角；步骤3，利用偏振旋转模块旋转所述第一束线偏振光的偏振方向来控制聚焦光场在聚焦平面内偏振分量的方向，从而控制显微物镜聚焦光场偏振方向在聚焦平面内投影的方向。作为本专利技术方法的一种优选方案，所述步骤2的具体方法为：通过旋转分束模块中半波片的快轴方向，改变入射相干线偏振光的偏振方向，通过偏振分束棱镜分束后得到的两束线偏振光光强比例也随之发生改变。作为本专利技术方法的一种优选方案，所述步骤3的具体方法为：通过旋转偏振旋转模块中线偏振光起偏器的快轴方向来改变出射线偏振光的偏振方向。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的装置，结构简单、稳定可靠、适用性强、易于实现。2、本专利技术控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的方法，简单不需要复杂的计算，通过调整光路中的半波片及偏振片的方向即可获得聚焦光场任意方向的三维偏振光，装置结构简单，具有很好的适用性。附图说明图1是本专利技术径向偏振光示意图。图2是本专利技术线偏振光和径向偏振光经显微物镜汇聚后在聚焦光场相干叠加产生的三维偏振示意图。图3是本专利技术显微物镜聚焦光场三维偏振方向示意图。图4是本专利技术控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的装置的结构示意图。其中，1为半波片，2为偏振分束棱镜，3为相位补偿器，4为四分之一波片，5为线偏振光起偏器，6为平面反射镜，7为平面反射镜，8为径向偏振光转换器，9为合束棱镜，10为平面反射镜，11为显微物镜，12为聚焦平面，13为第一束线偏振光的线偏振方向，14为
第二束线偏振光的线偏振方向。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的装置，其特征在于，包括分束模块、偏振旋转模块、径向偏振光转换器和合束器；所述分束模块用于将入射的相干线偏振光分为两束线偏振光，并调节两束线偏振光之间的光强比；偏振旋转模块用于控制分束后第一束线偏振光的偏振方向；径向偏振光转换器用于将分束后第二束线偏振光转换为径向偏振光；合束器用于将经偏振旋转模块出射的线偏振光和经径向偏振转换器转换后得到的径向偏振光合为同轴光束，入射显微物镜。

【技术特征摘要】
1.一种控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的装置，其特征在于，包括分束模块、偏振旋转模块、径向偏振光转换器和合束器；所述分束模块用于将入射的相干线偏振光分为两束线偏振光，并调节两束线偏振光之间的光强比；偏振旋转模块用于控制分束后第一束线偏振光的偏振方向；径向偏振光转换器用于将分束后第二束线偏振光转换为径向偏振光；合束器用于将经偏振旋转模块出射的线偏振光和经径向偏振转换器转换后得到的径向偏振光合为同轴光束，入射显微物镜。2.根据权利要求1所述控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的装置，其特征在于，该装置还包括相位补偿器，所述相位补偿器为可调光程的光学棱镜，位于分束后其中一束线偏振光的光路上，使分束后的两束线偏振光在合束时的相位差为0或π。3.根据权利要求1或2所述控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的装置，其特征在于，所述分束模块包括半波片和偏振分束棱镜；所述半波片用于改变入射相干线偏振光的偏振方向；偏振分束棱镜用于将通过半波片的线偏振光分为偏振方向相互垂直的两束线偏振光。4.根据权利要求1或2所述控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的装置，其特征在于，所述偏振旋转模块包括四分之一波片和线偏振光起偏器；所述四分之一波片用于将分束后其中一束线偏振光转换为圆偏振光；线偏振光起偏器用于将圆偏振光转换为偏振方向与线偏振光起偏器透射轴方向一致的线偏振光。5.根据权利要求1或2所述控制显微物镜聚焦光场三维偏振方向的装置，其特征在于，所述合束器为合束棱镜。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：王潇，杨凤，吴曰超，尹建华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32