一种三维阵列空心光斑的产生方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种三维阵列空心光斑的产生方法及装置，该装置包括激光器、针孔滤波器、准直透镜、半波片、空间光调制器、光波转换器、光束直径改变器和显微物镜。其方法首先将激光器出射的激光转换为线偏振的平面波，然后对所述线偏振的平面波进行波前相位调制，最后将所述波前相位调制后的光经物镜聚焦产生阵列光斑，其中波前相位为具有三维空间位置可控的阵列光斑的相位分布，并且波前相位调制后的光波需再经过带有螺旋相位的圆偏振或不带有螺旋相位的角向偏振的调制。此阵列光斑为在三维空间排列的多个空心的光斑，且每个光斑位置可以在三维空间内精确移动，在阵列光镊、超分辨显微成像与超分辨纳米光刻领域具有重要应用。

【技术实现步骤摘要】
一种三维阵列空心光斑的产生方法及装置
本专利技术涉及一种阵列光斑的产生方法及装置，特别是一种具有三维阵列结构的、每个光斑位置可调的、光斑为空心结构的阵列光斑，可用于阵列光镊、超分辨显微成像与超分辨纳米光刻领域。
技术介绍
所谓空心光斑，即为光束聚焦后的光斑中心是一个暗核，此处的光强为零。在光镊技术、高分辨率成像以及高密度光存储等领域都需要空心光斑，例如在光镊领域，具有轴向区域零光强的空心光斑减弱了光散射力，因此不仅可以用来捕获“高折射率”的微粒子，而且也可以捕获“低折射率”的微粒子或生命细胞等；在超分辨显微成像领域，特别是在受激发射损耗显微镜(STED：StimulatedEmissionDepletionMicroscopy)等超分辨显微设备中，需要生产一个空心光斑作为损耗光，以便获得小于衍射极限的显微成像；在超分辨纳米加工技术中，为了进一步提高纳米加工技术的分辨率，可以采用双光束光刻技术，其中双光束光刻中作为抑制光的光束就需要聚焦为空心光斑。目前，空心光斑的产生技术主要利用螺旋相位调制或径向偏振调制显微物镜后焦面光场分布，在聚焦区域产生空心光斑。一般情况下，对一束激光调制后只产生一个空心光斑，而在实际应用方面，往往需要产生多个阵列空心暗斑。比如要实现多个粒子的同时操控，得需要能产生多个光斑的阵列光镊技术。在超分辨显微成像或者纳米加工技术中，为了提高成像速度或者加工效率，也需要产生多个的阵列空心光斑。但是，目前现有技术产生的阵列空心光斑多为二维平面，且光斑的位置操控自由度低，很难实现动态三维的多个空心光斑分布，且每个空心暗斑的空间位置也无法实现精确操控。中国专利技术专利【CN201210052253.4】公开了一种三维空心光斑生成方法和装置，利用两束光的干涉来产生空心光斑，但此方法和装置只能产生一个空心光斑，只是光斑的强度分布是三维的，并没有三维空间分布的多个焦点。中国专利技术专利【CN201410360641.8】公开了一种阵列光斑的产生方法，但只产生二维的正方阵列光斑，不是三维阵列光斑，且光斑的位置不可调，光斑强度分布也不是空心的。中国专利技术专利【CN201410360641.8】公开了一种多焦点阵列光斑的发生装置及方法，可以产生偏振可调和位置可调的阵列光斑，但光斑的强度分布不是空心的，且阵列光斑的空间分布也不是三维的。
技术实现思路
为了克服上述阵列光斑产生方法的不足，本专利技术所要解决的技术问题提供了一种能够得到具有三维阵列结构、每个光斑位置在三维空间内可调、且每个光斑的强度分布是空心结构的产生方法。与此相应，本专利技术另一个要解决的技术问题是提供一种能够得到具有三维阵列结构、每个光斑位置在三维空间内可调、且每个光斑的强度分布是空心结构的装置。本专利技术方法和装置可以较好的应用到光镊技术、高分辨率成像以及高密度光存储等领域。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种三维阵列空心光斑的产生方法，包括以下步骤：步骤1：将激光器出射的激光转换为线偏振的平面波；步骤2：为了实现聚焦产生三维空间分布且位置可调的多个焦点，对所述线偏振的平面波进行波前相位调制，所述波前相位调制为将所述线偏振的平面波调整为具有三维空间位置可控的阵列光斑相位分布的光波；步骤3：为了实现聚焦光斑为空心的，将所述波前相位调制后的光波经过带有螺旋相位的圆偏振或不带有螺旋相位的角向偏振进行调制，形成带有螺旋相位的圆偏振光波或不带有螺旋相位的角向偏振光波；步骤4：将带有螺旋相位的圆偏振光波或不带有螺旋相位的角向偏振光波经物镜聚焦后产生阵列光斑，所述阵列光斑为在三维空间排列的多个空心的光斑，且每个光斑位置可以在三维空间内精确移动。本专利技术中三维阵列空心光斑的产生方法的有益效果是：采用波前相位为将具有三维空间位置可控的阵列光斑相位分布，利用相位调制角向偏振或者具有螺旋相位的圆偏振光束，在聚焦区域将产生三维空间分布的多个空心光斑，且每个空心光斑的空间位置可以精确调节；这种空间位置可精确调节的多焦点阵列空心光斑，可以广泛应用在并行激光纳米加工、多微粒子操控与捕获、高密度光学数据存储与及超分辨光学显微成像等领域。进一步，步骤2中对所述线偏振的平面波进行波前相位调制的具体步骤如下：首先，将物镜的后焦面对应的入射光瞳区域，均分为N个宽度相等的同心圆环：A1、A2……AN-1、AN，其中最中心的为半径与其它圆环的宽度相等的圆；然后，将步骤1中所述的每个圆环进一步细分为M个宽度相等的同心子圆环：S1、S2……SM-1、SM；最后，将M个相位分布依次对应填入每个圆环(A1、A2……AN-1、AN)的M个子圆环中(S1、S2……SM-1、SM)。采用上述进一步技术方案的有益效果是：可通过改变子圆环的数目来控制光斑的数目。进一步，所述步骤2中M个相位分布由公式(1)确定；其中m：表示第m个聚焦光斑；λ：表示从激光器出射的激光波长；NA：表示物镜的数值孔径；R：表示物镜的入射光瞳的半径；nt：表示油浸物质的折射率；(Δxm,Δym,Δzm)：表示第m个聚焦光斑的空间位置。采用上述进一步技术方案的有益效果是：所述阵列光斑中每个光斑可通过改变公式(1)中的参数(Δxm,Δym,Δzm)来实现三维方向上的精确位置控制。进一步，所述阵列光斑的数目与子圆环的数目M相等，可通过改变子圆环的数目来改变光斑的数目。进一步，当螺旋相位拓扑荷等于1时，所述带有螺旋相位的圆偏振为左旋的；当螺旋相位拓扑荷等于-1时，所述带有螺旋相位的圆偏振为右旋的。本专利技术还涉及一种用于实现上述三维阵列空心光斑的产生装置，具体方案如下：一种三维阵列空心光斑的产生装置，包括激光器、针孔滤波器、准直透镜、半波片、加载有三维阵列相位图的空间光调制器、带有螺旋相位板的圆偏振转换器或角向偏振转换器的光波转换器、光束直径改变器和物镜；激光器发出线偏振的激光光束，所述针孔滤波器位于所述激光光束的光轴上，所述激光光束经针孔滤波器滤波处理后转换为干净的扩散光束，所述扩散光束经准直透镜后，准直扩束为平面波；所述平面波透过与所述准直透镜处于同一轴线上的半波片后，平面波的线偏振方向与空间光调制器所要求的偏振方向相同，经所述空间光调制器调制后反射到所述光波转换器上，透过光波转换器后，光波为加载螺旋相位的圆偏振光波或未加载螺旋相位的角向偏振的光波；所述加载螺旋相位的圆偏振光波或未加载螺旋相位的角向偏振光波经所述光束直径改变器扩束或缩束后，透过物镜聚焦产生三维位置可调的阵列空心光斑。进一步，所述相位图具有以下结构：相位图由N个宽度相等的同心圆环(A1、A2……AN-1、AN)组成，其中最中心的为半径与其它圆环的宽度相等的圆；每个宽度相等的同心圆环(A1、A2……AN-1、AN)又由M个宽度相等的同心子圆环(S1、S2、……SM-1、SM)组成；每个子圆环(S1、S2、……SM-1、SM)中填有对应的相位分布；进一步，所述对应的相位分布由公式(1)确定：其中，m：表示第m个聚焦光斑；λ：表示从激光器出射的激光波长；NA：表示物镜的数值孔径；R：表示物镜的入射光瞳的半径；nt：表示油浸物质的折射率；(Δxm,Δym,Δzm)：表示第m个聚焦光斑的空间位置。进一步，所述物镜为高数值孔径油浸物镜。进一步，所述空间光调制器为反射式纯相位空间光调制器。进一步，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维阵列空心光斑的产生方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将激光器出射的激光转换为线偏振的平面波；步骤2：对所述线偏振的平面波进行波前相位调制，所述波前相位调制为将所述线偏振的平面波调整为具有三维空间位置可控的阵列光斑相位分布的光波；步骤3：将所述波前相位调制后的光波经过带有螺旋相位的圆偏振或不带有螺旋相位的角向偏振进行调制，形成带有螺旋相位的圆偏振光波或不带有螺旋相位的角向偏振光波；步骤4：将带有螺旋相位的圆偏振光波或不带有螺旋相位的角向偏振光波经物镜聚焦后产生阵列光斑，所述阵列光斑为在三维空间排列的多个空心的光斑，且每个光斑位置可以在三维空间内精确移动。

【技术特征摘要】
1.一种三维阵列空心光斑的产生方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：将激光器出射的激光转换为线偏振的平面波；步骤2：对所述线偏振的平面波进行波前相位调制，所述波前相位调制为将所述线偏振的平面波调整为具有三维空间位置可控的阵列光斑相位分布的光波；步骤3：将所述波前相位调制后的光波经过带有螺旋相位的圆偏振或不带有螺旋相位的角向偏振进行调制，形成带有螺旋相位的圆偏振光波或不带有螺旋相位的角向偏振光波；步骤4：将带有螺旋相位的圆偏振光波或不带有螺旋相位的角向偏振光波经物镜聚焦后产生阵列光斑，所述阵列光斑为在三维空间排列的多个空心的光斑，且每个光斑位置可以在三维空间内精确移动。2.根据权利要求1所述一种三维阵列空心光斑的产生方法，其特征在于，步骤2中对所述线偏振的平面波进行波前相位调制的具体步骤如下：首先，将物镜的后焦面对应的入射光瞳区域，均分为N个宽度相等的同心圆环：A1、A2……AN-1、AN，其中最中心的为半径与其它圆环的宽度相等的圆；然后，将所述的每个圆环进一步细分为M个宽度相等的同心子圆环：S1、S2……SM-1、SM；最后，将M个相位分布：依次对应填入M个子圆环中。3.根据权利要求2所述一种三维阵列空心光斑的产生方法，其特征在于，M个相位分布由公式(1)确定；其中，m：表示第m个聚焦光斑；λ：表示从激光器出射的激光波长；NA：表示物镜的数值孔径；R：表示物镜的入射光瞳的半径；nt：表示油浸物质的折射率；(Δxm,Δym,Δzm)：表示第m个聚焦光斑的空间位置。4.根据权利要求2所述一种三维阵列空心光斑的产生方法，其特征在于，所述阵列光斑的数目与子圆环的数目M相等。5.根据权利要求1-4任一项所述一种三维阵列空心光斑的产生方法，其特征在于，当螺旋相位拓扑荷等于1时，所述带有螺旋相位的圆偏振为左旋的；当螺旋相位拓扑荷等于-1时，所述带有螺旋相位的圆偏振为右旋的。6.一种用于实现权利要求1-5任一项所述三维阵列空心...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵子进，朱林伟，孙美玉，吕天翔，
申请(专利权)人：鲁东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37