利用柱狀矢量光束實現多焦點三維任意移動的裝置及方法與流程
2023-04-28 11:18:28
本發明涉及柱狀矢量光束的緊聚焦特性調控，屬於光場的焦場工程領域，特別是利用柱狀矢量光束實現多焦點三維任意移動的裝置及方法。
背景技術：
1986年，Ashkin等人研究發現利用高數值孔徑聚焦單光束可無接觸地操控微納介質粒子，這種單光束光學捕獲被稱為光鑷技術。光鑷技術可操控各種微納粒子，從原子、分子到細胞，並在諸如物理、化學、生物等領域均有廣泛的應用價值。光鑷的工作原理是利用光場強度空間變化形成的梯度力把微納粒子穩定地捕獲在光強最強處，即光束的焦點位置。為了獲得足夠大的梯度力，能夠將微納粒子穩定地束縛在光場勢阱中，光束需要經過高數值孔徑透鏡聚焦。當雷射束經過高數值孔徑透鏡聚焦後，如果能使焦點移動就可以操控捕獲的微納粒子一起移動，實現對微納粒子的實時動態操控。
近年來，柱狀矢量光束引起了人們越來越多的關注。矢量光束是指同一時刻同一波陣面上不同位置具有不同偏振態分布的光場。矢量光束具有特定的偏振分布，其焦場具有特殊的光場分布。矢量光束的偏振態調控在光鑷技術中也展現出了獨特的優勢。例如緊聚焦徑向偏振光比線偏振光擁有更大的梯度力，並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圍介質小的微納氣泡。
為了提高微納粒子的捕獲和操控效率，研究者們通過對入射光束的振幅、偏振態和相位進行調控從而達到調控焦場的目的。例如利用衍射光學元件對柱狀矢量光束進行調控可以在焦場區域產生多個焦點[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系統和相位板，實現了球形粒子在三維空間裡的平移[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，還沒有文獻報導能夠實現對多焦點在三維空間裡的任意移動。
設計利用柱狀矢量光束實現多焦點三維任意移動的方法及裝置，既能根據需要在焦場區域產生多焦點，也能實現多焦點在三維空間的任意移動。本發明在光鑷、生物光學顯微成像和光刻等技術中具有非常廣闊的應用價值。
技術實現要素：
發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供利用柱狀矢量光束實現多焦點三維任意移動的裝置及方法，通過加載控制振幅信息和相位信息的全息圖，改變焦點的個數和位置。
技術方案：為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：利用柱狀矢量光束實現多焦點三維任意移動的裝置，其特徵在於，包括依次排列的光源、透射式振幅型空間光調製器、透射式相位型空間光調製器、高數值孔徑透鏡；與透射式振幅型空間光調製器連接的振幅控制器、與透射式相位型空間光調製器連接的相位控制器；
所述光源向透射式振幅型空間光調製器發出柱狀矢量光束，矢量光束依次垂直入射透射式振幅型空間光調製器、透射式相位型空間光調製器和高數值孔徑透鏡後，獲得焦點；
所述透射式振幅型空間光調製器用於調控柱狀矢量光束的振幅分布；所述透射式相位型空間光調製器用於調控柱狀矢量光束的相位分布；所述高數值孔徑透鏡用於緊聚焦光束產生焦點；所述振幅控制器用於加載具有振幅信息的全息圖；所述相位控制器，用於加載具有相位信息的全息圖。
進一步的，通過調控柱狀矢量光束的振幅信息和相位信息來調控焦點個數和每個焦點處在三維空間的位置。
進一步的，所述焦點的幾何形狀、偏振態分布和電場分布完全相同。
利用柱狀矢量光束實現多焦點三維任意移動的裝置的焦點移動方法，該方法包括以下步驟：
光源將產生的柱狀矢量光束依次通過透射式振幅型空間光調製器和透射式相位型空間光調製器；振幅控制器在振幅型空間光調製器上投影全息圖，所述全息圖附帶振幅信息，相位控制器在相位型空間光調製器上投影全息圖，所述全息圖附帶相位信息。帶有三維空間位置坐標的振幅信息和相位信息的柱狀矢量光束經過高數值孔徑透鏡聚焦後獲得多個焦點；
透射式振幅型空間光調製器上所加載的振幅信息表達式為：
透射式相位型空間光調製器上所加載的相位信息表達式為：
其中：
(ρ,φ)為極坐標系下的徑向和角向坐標；
m為產生的焦點個數；
為第i個焦點的空間位移矢量；
為第j個焦點的空間位移矢量；
為波矢；
通過在透射式振幅型空間光調製器(2)上加載相應的全息圖，控制柱狀矢量光束的振幅信息，獲得多個焦點；
通過在透射式相位型空間光調製器(3)上加載相應的全息圖，控制柱狀矢量光束的相位信息，獲得平移的焦點。
有益效果：本發明依據現有技術在產生柱狀矢量光束的基礎上，通過對矢量光束進行振幅調製和相位調製，然後用高數值孔徑透鏡緊聚焦，能夠在焦場區域獲得多個焦點，並且每個焦點的幾何形狀、偏振態分布和電場分布完全相同。通過動態調控加載在振幅調製器和相位調製器的信息，可以在焦場區域任意移動每個焦點的位置，實時改變矢量光束的振幅信息和相位信息能夠使得多個焦點在三維空間中按一定的軌跡運動。本發明方法容易實現，裝置結構簡單，易於調整，製造成本低；裝置穩定性好，不需要其他特殊的光學元件。
附圖說明
圖1為本發明裝置結構示意圖；
圖2為本發明具體實施例一中透射式相位型空間光調製器上加載的全息圖；
圖3為本發明具體實施例一中得到的三維焦場分布圖；
圖4為本發明具體實施例二中透射式振幅型空間光調製器和相位型空間光調製器上加載的全息圖；
圖5為本發明具體實施例二中得到的三維焦場分布圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
如圖1所示為利用柱狀矢量光束實現多焦點三維任意移動的方法，包括光源1、透射式振幅型空間光調製器2、透射式相位型空間光調製器3、高數值孔徑透鏡4、振幅控制器5和相位控制器6。
根據現有技術產生柱狀矢量光束，入射的柱狀矢量光束1依次經過透射式振幅型空間光調製器2和相位型空間光調製器3。振幅控制器5在振幅型空間光調製器上投影全息圖，所述全息圖附帶振幅信息，相位控制器6在相位型空間光調製器上投影全息圖，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過高數值孔徑透鏡聚焦後獲得多焦點。
通過實時改變光束的振幅信息和相位信息可得到在三維空間內按特定軌跡移動多焦點，獲得實時變化的焦場分布。
本發明實際可實現兩個功能：一是平移焦點，二是產生多個焦點。下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
實施例一：
若僅僅平移焦點，只需要調控柱狀矢量光束的相位信息，不需要調製其振幅信息。即只需要在透射式相位型空間光調製器3上加載相應的全息圖。例如，將徑向偏振光的焦點平移至三維空間位置為處，則加載在相位型空間光調製器上的全息圖表達式為：
其相位分布如圖2所示。焦點在三維空間裡的分布如圖3所示，徑向偏振光的焦斑中心平移到了空間位置坐標為處，焦點在橫截面的偏振分布為徑向偏振分布，這說明焦點僅僅是中心位置發生了改變，焦點附近的電場分布沒有發生任何改變。
實施例二：
以三個焦點為例，如果需要輸入的徑向偏振光在三維空間坐標為和處產生三個焦點，則加載在振幅型空間光調製器上的全息圖表達式為：
加載在相位型空間光調製器上的全息圖表達式為：
加載在矢量光束上的振幅和相位分布如圖4所示。焦點在三維空間裡的分布如圖5所示，徑向偏振光產生了三個焦點，並且每個焦點的中心位置分別為和該實施例不僅產生了多焦點，而且每個焦點的中心位置可調，實現了多焦點的三維任意移動。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。如實時改變加載在矢量光束上的振幅和相位信息，可以動態地操控焦點的運動軌跡，進而將其運用在多個粒子的動態捕獲和粒子輸運等領域。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。