一种利用正交线偏振光束控制焦点旋转的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用正交线偏振光束控制焦点旋转的方法，通过采用正交线偏振光束作为入射光，其中此光束分为两部分，一部分为内环光束，另一部分为外环光束，内外环光束同心分布，而且内环线偏振光的偏振方向与外环线偏振光的偏振方向垂直，正交偏振态光束经高数值孔径物镜聚焦之后的光斑为椭圆形，而且通过调节内环外环半径，其椭圆形焦点以几何焦点为中心旋转。此方法可避免人为对半波片的旋转达到对椭圆形光斑的旋转，而且正交线偏振光聚焦光斑与线偏振光的聚焦光斑形状相同，不引起形变，此正交光束的产生也极为容易，增加了本方法的适用性及实验的灵活性和可操作性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用光学技术，特别涉及。
技术介绍
焦点区域光强分布由于其性质极大地影响着光学系统的性能，所以一直研究的热点。随着物镜数值孔径的增加，由于光束的矢量特性的影响越来越大，在焦点区域呈现特殊性质，并已经广泛应用于光信息存储、光学显微、平版印刷术，激光加工、光学微操纵、超分辨、光与物质相互作用等光学系统。在超分辨的研究中，如何得到一个圆对称尺寸小的光斑是研究的难点。1959年Wolf等人发现线偏振光在高数值孔径物镜聚焦下的光斑形状成椭圆形，而不是像在低数值孔径物镜聚焦后的光斑形状成圆对称分布。若采用圆偏振光束进行聚焦，其光斑形状为圆形，但是其尺寸比线偏振光聚焦光斑要大，不利于实现超分辨显微成像。研究发现采用径向偏振光聚焦光斑比较线偏振光要小，而且通过拓扑为I的涡旋相位板对方位偏振光进行波前相位调制，其聚焦后的光斑尺寸比径向偏振光的聚焦光斑更小，但由于这两种非均匀偏振光束产生很困难，而且 一般商用激光器出射光束为线偏振光，所以采用非均匀偏振光束作为实现超分辨的方法一直没有大范围的应用。最近，Seller等人利用波长为1580nm的线偏振光作为入射光，经高数值孔径物镜聚焦后，采用偏振差异成像的方法，发现线偏振光椭圆形聚焦光斑沿短轴方向的分辨率比沿长轴方向的分辨率大，通过人为旋转半波片对入射线偏振光的偏振方向旋转90度，即椭圆形焦点形状也旋转了 90度，实现了 IOOnm的分辨率(参见文献“Nanoscale optical microscopy in the vectorial focusing regime” NaturePhotonics.2，311-314 (2008).)，其不足之处在于通过人为的转动半波片以此改变线偏振光的偏振方向显然不利于实现整个装置的自动化，而且会引起椭圆形光斑旋转角度的误差。
技术实现思路
本专利技术是针对利用改变线偏振光的偏振方向来实现焦点旋转误差难控制的问题，提出，具有光学系统简单，可避免人为手动旋转线偏振光偏振方向达到对其椭圆形焦点的旋转，而且能够旋转任意角度的特点。本专利技术的技术方案为:，具体包括如下步骤: 1)高斯光束垂直入射可调扩束镜，调节可调扩束镜，使从可调扩束镜出射的光束为半径R的平行出射高斯光束；2)平行出射高斯光束经与可调扩束镜同轴的起偏器后，转变为线偏振高斯光出射； 3)起偏器出射的线偏振高斯光入射正交线偏振光束产生器，正交线偏振光束产生器与可调扩束镜同轴，正交线偏振光束产生器由同心的内外环组成，内环半径为r，外环半径为R，线偏振高斯光通过r < rO和. <r<R两区域，形成正交光轴出射，即水平和竖直偏振光束； 4)从正交线偏振光束产生器出射的光束最后通过与可调扩束镜同轴的物镜聚焦； 5)调节正交线偏振光束产生器的内外环光束所占的比例，得到由物镜聚焦后的椭圆形焦点，椭圆形焦点以物镜的几何焦点为中心旋转所需角度。所述可调扩束镜用伽利略型扩束镜或开普敦型扩束镜。所述正交线偏振光束产生器用振幅型空间光调制器实现，空间光调制器输入灰度为O时其出射光束偏振方向沿水平偏振,输入灰度为255时其出射光束偏振方向沿竖直偏振。所述正交线偏振光束产生器由振幅型空间光调制器通过编码的形式产生同心的内外环正交偏振。所述正交线偏振光束产生器由同心内外环分布的半波片组成，其内环与外环半波片的光轴成45度夹角。本专利技术的有益效果在于:本专利技术利用正交线偏振光束控制焦点旋转的方法，可避免人为对半波片的旋转达到对椭圆形光斑的旋转，而且正交线偏振光聚焦光斑与线偏振光的聚焦光斑形状相同，不引起形变，增加了本方法的可用性，此正交光束的产生也极为容易，可利同心内外环的半波片，其内外环半波片的光轴成45度；或采用振幅型空间光调制器通过编码产生，增加了本方法的适用性及实验的灵活性和可操作性。附图说明图1为本专利技术聚焦光学系统示意图； 图2为本专利技术正交偏振光束偏振态意图。具体实施例方式基于单一物镜聚焦光学系统，线偏振光在高数值孔径物镜聚焦下，由于物镜数值孔径越大，其光波的矢量特性对焦点区域光强分布的影响也越大，所以其聚焦之后的光斑成椭圆形，过去的技术只有通过人为旋转半波片达到椭圆光斑的旋转，本专利技术通过采用正交线偏振光束作为入射光，其中此光束分为两部分，一部分为内环光束，另一部分为外环光束，内外环光束同心分布，而且内环线偏振光的偏振方向与外环线偏振光的偏振方向垂直，正交偏振态光束经高数值孔径物镜聚焦之后的光斑为椭圆形，而且通过调节内环外环半径，其椭圆形焦点以几何焦点为中心旋转，通过不同内外环半径，可以使椭圆形光斑旋转到任意角度，而且旋转后的光斑形状与一般线偏振光聚焦后光斑的形状相同。如图1所示聚焦光学系统示意图；该光学系统主要由可调扩束镜1、起偏振器2、正交线偏振光束产生器3、及物镜4构成；入射光束垂直入射可调扩束镜I，依次经过起偏振器2、正交线偏振光束产生器3、及物镜4。可调扩束镜1、起偏振器2、正交线偏振光束产生器3、及物镜4共有一个中心轴。入射光束为高斯光，其波长为405nm。可调扩束镜I采用伽利略型扩束镜(当然也可以为开普敦型扩束镜)。正交线偏振光束产生器3采用振幅型空间光调制进行编码实现。物镜4的数值孔径为0.95。的具体方法步骤如下， (I)入射高斯光束经过可调扩束镜I后，由于可调扩束镜I的整形作用，从可调扩束镜I出射的光束转化为直径为6mm的平行出射高斯光束，即如图2所示，Λ = 3mm。(2)平行出射高斯光束经起偏器2后，转变为线偏振高斯光，其中起偏器2与可调扩束镜I共有一个中心轴。(3)正交线偏振光束产生器3，采用振幅型空间光调制器编码实现，由于空间光调制器在输入灰度为O与灰度为255的灰度图时,其出射线偏振光的偏振方向相互垂直，灰度为O时其出射光束偏振方向沿水平偏振，灰度为255时其出射光束偏振方向沿竖直偏振，即通过输入同心内外环分布的灰度图，其中内环灰度为O,外环灰度为255,其出射光束为正交线偏振光束；该光束产生器3共有上述中心轴，线偏振高斯光束经过此光束产生器3后，产生正交线偏振光束，其偏振方向如图2所示，当Γ <.&时，其偏振方向沿水平，当ro <r < β时，其偏振方向沿竖直。正交线偏振光产生器也可由同心内外环分布的半波片组成，其内环与外环半波片的光轴成45度夹角。该正交线偏振光产生器共有上述中心轴。(4)物镜4，共有上述中心轴；从正交线偏振光束产生器3出射的光束最后由物镜4聚焦，由于正交线偏振光束内外环光束的偏振方向相互垂直，通过调节内环与外环的半径，即调节内外环光束所占的比例，可以得到由物镜聚焦后的椭圆形焦点以物镜的几何焦点为中心旋转任意角度，如内环光束半径化= 2.4 m时，其焦点旋转45度，其焦点的形状 与普通线偏振光聚焦光斑的形状相同。综上所述，基于单一物镜聚焦光学系统，通过具有同心内外环分布的正交线偏振光经高数值孔径物镜聚焦后，其光斑与普通线偏振光聚焦后的光斑形状相同，而且通过调节内外环半径，即调节内外环光束所占的比例，其焦点可绕物镜的几何焦点为中心旋转任意的角度。，可避免人为对半波片的旋转达到对椭圆形光斑的旋转，而且正交线偏振光聚焦光斑与线偏振光的聚焦光斑形状相同，不引起形变，增加了本方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用正交线偏振光束控制焦点旋转的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1）高斯光束垂直入射可调扩束镜，调节可调扩束镜，使从可调扩束镜出射的光束为半径R的平行出射高斯光束；2）平行出射高斯光束经与可调扩束镜同轴的起偏器后，转变为线偏振高斯光出射；3）起偏器出射的线偏振高斯光入射正交线偏振光束产生器，正交线偏振光束产生器与可调扩束镜同轴，正交线偏振光束产生器由同心的内外环组成，内环半径为r，外环半径为R，线偏振高斯光通过????????????????????????????????????????????????和两区域，形成正交光轴出射，即水平和竖直偏振光束；4）从正交线偏振光束产生器出射的光束最后通过与可调扩束镜同轴的物镜聚焦；5）调节正交线偏振光束产生器的内外环光束所占的比例，得到由物镜聚焦后的椭圆形焦点，椭圆形焦点以物镜的几何焦点为中心旋转所需角度。287933dest_path_image001.jpg,213163dest_path_image002.jpg

【技术特征摘要】
1.一种利用正交线偏振光束控制焦点旋转的方法，其特征在于，具体包括如下步骤: 1)高斯光束垂直入射可调扩束镜，调节可调扩束镜，使从可调扩束镜出射的光束为半径R的平行出射高斯光束； 2)平行出射高斯光束经与可调扩束镜同轴的起偏器后，转变为线偏振高斯光出射；3)起偏器出射的线偏振高斯光入射正交线偏振光束产生器，正交线偏振光束产生器与可调扩束镜同轴，正交线偏振光束产生器由同心的内外环组成，内环半径为r，外环半径为R，线偏振高斯光通过r <. 和r0<r<R两区域，形成正交光轴出射，即水平和竖直偏振光束； 4)从正交线偏振光束产生器出射的光束最后通过与可调扩束镜同轴的物镜聚焦； 5)调节正交线偏振光束产生器的内外环光束所占的比例，得到由物镜聚焦后的椭圆形焦点，椭圆形焦点以物...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭汉明，翁晓羽，王小亚，谭志华，庄松林，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：