一種產生徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束的裝置的製作方法

2023-10-08 12:41:34 2

專利名稱：一種產生徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束的裝置的製作方法
技術領域：
一種產生徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束的裝置技術領域[0001]本實用新型涉及一種產生徑向和角向偏振自聚焦艾裡光束的裝置，得到的光束可應用於微粒捕獲、生物醫學等領域，屬應用光學技術領域。
背景技術：
[0002]圓對稱艾裡光束以其特有的自聚焦的性質引起了人們的極大興趣和廣泛關注，也被稱為自聚焦艾裡光束。所謂自聚焦，是指光束不藉助聚焦光學元件而由其自身傳輸性質導致光束在自由空間或介質中傳輸過程中發生聚焦。同時，艾裡光束的自聚焦現象也非常特別，在聚焦前光束的光強較低，而在焦點處光強迅速增大，能量加速集中，焦點處的光強最大值可達到初始艾裡光束光強最大值的幾十甚至上百倍。自聚焦艾裡光束的上述特性使其在生物醫學治療、光學顯微操作等領域具有非常大的潛在應用價值。近年來，自聚焦艾裡光束也被用於進行微粒捕獲和操控。同一般的光鑷裝置相比，由於艾裡光束的自聚焦特性，在相同數值孔徑條件下的物鏡聚焦之後，自聚焦艾裡光束能夠獲得更小的光斑半徑、更強的光強分布及更深的焦深。自聚焦的艾裡光束在焦點處為實心光束，具體應用於微粒的光學囚禁時，在焦點處只能夠捕獲那些折射率大於周圍介質的微粒，而不適合對摺射率小於周圍介質的微粒進行捕獲。因此，將自聚焦艾裡光束在焦點處的實心光束改造成為軸向光強為零的空心光束，可以極大地拓展自聚焦艾裡光束在很多領域的應用。如對於微粒捕獲而言，不僅可以突破自聚焦艾裡光束所受上述折射率條件的限制，而且可以減弱光的散射作用，最大程度地減小對囚禁粒子的光學加熱損傷，提高光學囚禁效率。[0003]近年來，具有空間變化偏振分布的矢量光束因其具有的光學特性和巨大的潛在應用價值引起了學術界的廣泛關注。矢量光束可以分為均勻偏振和非均勻偏振光束，柱矢量光束就是一類典型的具有空間非均勻偏振狀態的柱矢量光束。柱矢量光束以其在高數值孔徑聚焦下的特性以及在粒子捕獲、光學數據存儲、材料熱處理、高解析度成像、電子加速、電漿子聚焦、雷射加工和自由空間光通信上的重要應用，得到了廣泛而深入的研究。徑向偏振和角向偏振光束是柱矢量光束中偏振形式比較特殊的兩種。徑向偏振光由於其偏振態關於光軸的對稱性以及始終存在軸上光強為零等特點而備受關注，其在光束橫截面上任意一點(中心點除外)上的局部偏振態為線偏振，但偏振方向沿著半徑方向；角向偏振光束在其光束橫截面上任意一點上的局部偏振態也是線偏振，但偏振方向與半徑方向正交。目前，在實驗中產生柱矢量偏振光束的方法有許多，根據產生方法是否涉及放大媒介，可以歸為主動和被動兩類。主動產生方法涉及使用雷射腔內設備使雷射在柱矢量偏振模內振蕩，如使用腔內軸向雙折射組件或利用錐形透鏡和布儒斯特角反射器創建的軸向腔內二向色性組件等；被動產生方法如利用光纖或在自由空間中利用液晶空間光調製器或偏振轉換器等。發明內容[0004]本實用新型的目的是克服現有技術存在的不足，為粒子捕獲、生物醫學微納手術等技術領域提供一種具有重要應用價值的徑向和角向偏振自聚焦艾裡光束的產生裝置，該裝置具有結構簡單，易於調整，穩定性好的特點。[0005]為達到上述目的，本實用新型採用的技術方案是提供一種產生徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束的裝置，雷射器發出準直高斯光束，經偏振片對光束進行偏振態調整，得到沿一定方向偏振的線偏振高斯光束；所述的線偏振高斯光束通過分光鏡後，將產生的透射光束垂直入射至加載了位相信息圖的空間光調製器，在空間光調製器液晶顯示屏上進行位相調製後以反射方式出射；再經分光鏡，將產生的反射光束通過傅立葉變換凸透鏡會聚後，經環形光闌，得到線偏振自聚焦艾裡光束；所述的環形光闌設置在凸透鏡的焦點處；在環形光闌後放置偏振轉換器，將偏振轉換器的偏振狀態調整為徑向或角向偏振，所述的線偏振自聚焦艾裡光束通過偏振轉換器後得到徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束。[0006]所述的雷射器為功率可調的半導體泵浦固體雷射器。[0007]所述的分光鏡的透射率和反射率均為50%。[0008]所述的空間光調製器為反射式空間光調製器，由與其連接的計算機輸入位相信息圖。[0009]所述的環形光闌的透光部分為光闌的環形區域，光闌中心圓形區域為遮光部分，光闌的內外孔徑固定。[0010]所述的偏振轉換器為液晶電壓調製式偏振轉換器，通過計算機控制加載電壓，調節光束偏振態，實現徑向偏振或角向偏振。[0011]由於上述技術方案的運用，本實用新型與現有技術相比具有下列優點:[0012]1、所產生的艾裡光束不需藉助聚焦光學元件即可進行自聚焦，焦點前光強較低，焦點處光強迅速增大，能量集中，可精確定位利用。[0013]2、直接利用線偏振高斯光束產生徑向和角向偏振自聚焦艾裡光束，方法簡單；裝置結構簡單，易於調整，穩定性好。


[0014]圖1是本實用新型實施例提供的一種徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束產生裝置的結構不意圖；[0015]圖2是本實用新型實施例提供的用於對光束進行位相調製的位相信息圖；[0016]圖3是本實用新型實施例提供的環形光闌的結構示意圖；[0017]圖4是本實用新型實施例1中產生的徑向偏振自聚焦艾裡光束的光強分布圖(傳播距離z=0)；[0018]圖5是本實用新型實施例1中產生的徑向偏振自聚焦艾裡光束的光強分布圖(傳播距離z=0.25m)；[0019]附圖6是本實用新型實施例1中產生的徑向偏振自聚焦艾裡光束在其自聚焦焦點處的光強分布圖(傳播距離z=0.85m)；[0020]圖7是本實用新型實施例1中產生的徑向偏振自聚焦艾裡光束在光強分布圖(傳播距離z=l.50m)；[0021]圖8是本實用新型實施例1中驗證徑向偏振自聚焦艾裡光束時的光強分布圖(傳播距離Z=O，偏振片的偏振方向為豎直方向)；[0022]圖9是本實用新型實施例1中驗證徑向偏振自聚焦艾裡光束時的光強分布圖(傳播距離z=0，偏振片的偏振方向為水平方向)；[0023]圖10是本實用新型實施例2中驗證角向偏振自聚焦艾裡光束時的光強分布圖(傳播距離Z=O，偏振片的偏振方向為豎直方向)；[0024]圖11是本實用新型實施例2中驗證角向偏振自聚焦艾裡光束時的光強分布圖(傳播距離Z=O，偏振片的偏振方向為水平方向)；[0025]圖1中:1、雷射器；2、偏振片；3、分光鏡；4、空間光調製器；5、9和11、計算機；6、凸透鏡；7、環形光闌；8、偏振轉換器；10、光束分析儀。
具體實施方式
[0026]
以下結合附圖及實施例對本實用新型技術方案作進一步描述。[0027]實施例1:[0028]參見附圖1，它是本實施例提供的一種徑向和角向偏振自聚焦艾裡光束產生裝置的結構示意圖，該裝置包括:雷射器1，偏振片2，分光鏡3，空間光調製器4，凸透鏡6，環形光闌7，偏振轉換器8，光束分析儀10，計算機5、9和11。[0029]由雷射器I發出高斯光束，在本實施例中，雷射器I為功率可調的半導體泵浦固體雷射器，最大功率1.8W，波長為532nm ;高斯光束經偏振片2得到沿豎直方向偏振的線偏振高斯光束；線偏振高斯光束通過分光鏡3分為反射光束和透射光束，所述的分光鏡3的透射率和反射率均為50%，可以提高光束能量利用率；透射光束以垂直入射的方式到達空間光調製器4，空間光調製器4為反射式空間光調製器，其相位信息由計算機5通過軟體加載位相信息圖進行調製，參見附圖2，它是本實施例提供的用於對光束進行位相調製的位相信息圖，線偏振高斯光束在空間光調製器液晶顯示屏上進行位相調製後以反射方式出射；經過位相調製的光束再次通過分光鏡3分為反射光束和透射光束，反射光束經傅立葉變換凸透鏡6會聚後，在凸透鏡6的焦點處通過環形光闌7，得到線偏振自聚焦艾裡光束，在本實施例中，凸透鏡6的焦距為400_，用於對光束進行傅立葉變換和聚焦；參見附圖3，它是本實施例提供的環形光闌的結構示意圖，環形光闌7的透光部分為環形，光闌中心圓形區域為不透光的遮攔部分，其內環半徑為1mm，外環半徑2mm，內外孔徑為固定不可調；線偏振自聚焦艾裡光束通過偏振轉換器8後得到徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束，在本實施例中，偏振轉換器8為液晶電壓調製式偏振轉換器，通過計算機控制加載電壓，調節光束偏振態，實現徑向偏振或角向偏振。對本實施例提供的裝置產生的徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束進行測量，可採用將光束分析儀10與計算機11相連，光束分布儀10用於觀測和拍攝徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束在不同傳播距離處的光強分布。[0030]利用本實施例提供的上述裝置產生徑向和角向偏振自聚焦艾裡光束的方法，其具體操作步驟如下:[0031]1、從雷射器I發出高斯光束，光束經過偏振片2時，調節偏振片2偏振角度，使光束成為沿一定方向偏振的線偏振高斯光束。[0032]2、線偏振高斯光束經過分光鏡3時發生反射和透射，透射光束以垂直入射的方式到達空間光調製器4，通過計算機5的軟體程序將位相信息圖加載到空間光調製器4的液晶顯示屏上，調節空間光調製器4的液晶顯示屏的位置，使經過分光鏡3的透射光束正好照射在位相信息圖上，進行位相調製後以反射方式出射。[0033]3、空間光調製器4的液晶顯示屏和環形光闌7分別置於凸透鏡6的前焦面和後焦面，凸透鏡6對位相調製得到的光束進行傅立葉變換和會聚。經過位相調製得到的光束再次通過分光鏡3分為兩束，反射光束經凸透鏡6進行傅立葉變換後通過環形光闌7，得到線偏振自聚焦艾裡光束。如附圖2所示即為本實施例中所用的位相信息圖，調節位相信息圖的參數，可以改變產生的光束的中心光斑半徑以及周圍各環的寬度和半徑大小。[0034]4、緊靠環形光闌7放置偏振轉換器8，對偏振轉換器8進行三維方向位移以及角度的調節，並通過計算機9軟體改變加載電壓實現微調。將偏振轉換器8模式調為徑向偏振，線偏振自聚焦艾裡光束通過偏振轉換器8產生徑向偏振自聚焦艾裡光束。[0035]5、在徑向偏振自聚焦艾裡光束傳播路徑上放置光束分析儀10，與計算機11相連，改變光束分析儀10到偏振轉換器8的距離，觀測和拍攝徑向偏振自聚焦艾裡光束在不同傳播距離處的光強分布。[0036]本實施例以產生徑向偏振自聚焦艾裡光束為例，參見附圖4 7，它們分別為徑向偏振自聚焦艾裡光束在傳播距離z分別為0、0.25m、0.85m、1.50m處的光強分布圖，其中，附圖6為自聚焦艾裡光束的焦距z=0.85m，在此處得到的是艾裡光束焦點處的光強分布為空心光束。本實用新型為粒子捕獲、生物醫學微納手術等技術領域提供一種具有重要應用價值的產生徑向和角向偏振自聚焦艾裡光束。[0037]對產生的徑向偏振艾裡光束進行驗證，其方法是:在偏振轉換器8和光束分析儀10之間放置偏振片，將偏振片的偏振方向調節為豎直方向，在傳播距離Z=O處拍攝到光強分布圖如附圖8所示；將偏振片的偏振方向調節為水平方向，在傳播距離Z=O處拍攝到光強分布圖如附圖9所示。由附圖8和附圖9的光強分布圖可以證明，本實施例產生的是徑向偏振自聚焦艾裡光束。[0038]實施例2:[0039]按實施例1的技術方案構建一種徑向和角向偏振自聚焦艾裡光束產生裝置，本實施例以產生角向偏振自聚焦艾裡光束為例，並對產生的角向偏振艾裡光束進行驗證。產生方法及驗證方法同實施例1，僅將步驟4中偏振轉換器8模式調為角向偏振，則產生角向偏振自聚焦艾裡光束。驗證時，將偏振片的偏振方向調節為豎直方向，在傳播距離Z=O處拍攝到光強分布圖如附圖10所示；將偏振片的偏振方向調節為水平方向，在傳播距離Z=O處拍攝到光強分布圖如附圖11所示。由附圖10和附圖11的光強分布圖可以證明，本實施例產生的是角向偏振自聚焦艾裡光束。
權利要求1.一種產生徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束的裝置，其特徵在於:雷射器發出準直高斯光束，經偏振片對光束進行偏振態調整，得到沿一定方向偏振的線偏振高斯光束；所述的線偏振高斯光束通過分光鏡後，將產生的透射光束垂直入射至加載了位相信息圖的空間光調製器，在空間光調製器液晶顯示屏上進行位相調製後以反射方式出射；再經分光鏡，將產生的反射光束通過傅立葉變換凸透鏡會聚後，經環形光闌，得到線偏振自聚焦艾裡光束；所述的環形光闌設置在凸透鏡的焦點處；在環形光闌後放置偏振轉換器，將偏振轉換器的偏振狀態調整為徑向或角向偏振，所述的線偏振自聚焦艾裡光束通過偏振轉換器後得到徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束。
2.根據權利要求1所述的一種產生徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束的裝置，其特徵在於:所述的雷射器為功率可調的半導體泵浦固體雷射器。
3.根據權利要求1所述的一種產生徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束的裝置，其特徵在於:所述的分光鏡的透射率和反射率均為50%。
4.根據權利要求1所述的一種產生徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束的裝置，其特徵在於:所述的空間光調製器為反射式空間光調製器，由與其連接的計算機輸入位相信息圖。
5.根據權利要求1所述的一種產生徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束的裝置，其特徵在於:所述的環形光闌的透光部分為光闌的環形區域，光闌中心圓形區域為遮光部分，光闌的內外孔徑固定。
6.根據權利要求1所述的一種產生徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束的裝置，其特徵在於:所述的偏振轉換器為液晶電壓調製式偏振轉換器，通過計算機控制加載電壓，調節光束的偏振態，實現徑向偏振或角向偏振。
專利摘要本實用新型涉及一種產生徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束的裝置，屬應用光學技術領域。雷射器發出準直高斯光束，經偏振片調整，得到線偏振高斯光束；通過分光鏡後，將產生的透射光束垂直入射至加載了位相信息圖的空間光調製器，在空間光調製器液晶顯示屏上進行位相調製後以反射方式出射；再經分光鏡，將產生的反射光束通過傅立葉變換凸透鏡會聚後，經環形光闌，得到線偏振自聚焦艾裡光束；在環形光闌後放置偏振轉換器並調整為徑向或角向偏振，光束通過偏振轉換器後得到徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束。本實用新型提供的徑向或角向偏振自聚焦艾裡光束的產生裝置具有結構簡單，易於調整，穩定性好的特點，得到的光束可應用於微粒捕獲、生物醫學等領域。
文檔編號G02B27/28GK203054353SQ20132002709
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月18日 優先權日2013年1月18日
發明者董元, 趙承良, 文偉, 蔡陽健 申請人:蘇州大學