一种产生径向或角向偏振自聚焦艾里光束的方法及其装置

摘要

本发明涉及一种产生径向或角向偏振自聚焦艾里光束的方法及其装置。对准直高斯光束进行偏振态调整，得到沿一定方向偏振的线偏振高斯光束；经分光处理后，将得到的透射光束垂直入射至加载了位相信息图的空间光调制器，经位相调制后以反射方式出射；再经分光处理后将得到的反射光束经傅里叶变换凸透镜会聚后，在凸透镜的焦点处通过环形光阑，得到线偏振自聚焦艾里光束；经径向或角向偏振转换处理，得到径向或角向偏振自聚焦艾里光束。它不需借助聚焦光学元件即可进行自聚焦，焦点前光强较低，焦点处光强迅速增大，能量集中，定位精确，可应用于微粒捕获、生物医学等领域，属应用光学技术领域。所提供的装置结构简单，易于调整，稳定性好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种产生径向或角向偏振自聚焦艾里光束的方法及其装置，所产生的光束可应用于微粒捕获、生物医学等领域，属应用光学技术领域。

背景技术

圆对称艾里光束以其特有的自聚焦的性质引起了人们的极大兴趣和广泛关注，也被称为自聚焦艾里光束。所谓自聚焦，是指光束不借助聚焦光学元件而由其自身传输性质导致光束在自由空间或介质中传输过程中发生聚焦。同时，艾里光束的自聚焦现象也非常特别，在聚焦前光束的光强较低，而在焦点处光强迅速增大，能量加速集中，焦点处的光强最大值可达到初始艾里光束光强最大值的几十甚至上百倍。自聚焦艾里光束的上述特性使其在生物医学治疗、光学显微操作等领域具有非常大的潜在应用价值。近年来，自聚焦艾里光束也被用于进行微粒捕获和操控。同一般的光镊装置相比，由于艾里光束的自聚焦特性，在相同数值孔径条件下的物镜聚焦之后，自聚焦艾里光束能够获得更小的光斑半径、更强的光强分布及更深的焦深。自聚焦的艾里光束在焦点处为实心光束，具体应用于微粒的光学囚禁时，在焦点处只能够捕获那些折射率大于周围介质的微粒，而不适合对折射率小于周围介质的微粒进行捕获。因此，将自聚焦艾里光束在焦点处的实心光束改造成为轴向光强为零的空心光束，可以极大地拓展自聚焦艾里光束在很多领域的应用。如对于微粒捕获而言，不仅可以突破自聚焦艾里光束所受上述折射率条件的限制，而且可以减弱光的散射作用，最大程度地减小对囚禁粒子的光学加热损伤，提高光学囚禁效率。

近年来，具有空间变化偏振分布的矢量光束因其具有的光学特性和巨大的潜在应用价值引起了学术界的广泛关注。矢量光束可以分为均匀偏振和非均匀偏振光束，柱矢量光束就是一类典型的具有空间非均匀偏振状态的柱矢量光束。柱矢量光束以其在高数值孔径聚焦下的特性以及在粒子捕获、光学数据存储、材料热处理、高分辨率成像、电子加速、电浆子聚焦、激光加工和自由空间光通信上的重要应用，得到了广泛而深入的研究。径向偏振和角向偏振光束是柱矢量光束中偏振形式比较特殊的两种。径向偏振光由于其偏振态关于光轴的对称性以及始终存在轴上光强为零等特点而备受关注，其在光束横截面上任意一点（中心点除外）上的局部偏振态为线偏振，但偏振方向沿着半径方向；角向偏振光束在其光束横截面上任意一点上的局部偏振态也是线偏振，但偏振方向与半径方向正交。目前，在实验中产生柱矢量偏振光束的方法有许多，根据产生方法是否涉及放大媒介，可以归为主动和被动两类。主动产生方法涉及使用激光腔内设备使激光在柱矢量偏振模内振荡，如使用腔内轴向双折射组件或利用锥形透镜和布儒斯特角反射器创建的轴向腔内二向色性组件等；被动产生方法也有很多，如利用光纤或在自由空间中利用液晶空间光调制器或偏振转换器等。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，为粒子捕获、生物医学微纳手术等技术领域提供一种具有重要应用价值的产生径向和角向偏振自聚焦艾里光束的方法，并提供一种结构简单，易于调整，稳定性好的产生径向和角向偏振自聚焦艾里光束的装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种产生径向或角向偏振自聚焦艾里光束的方法，包括如下步骤：

（1）对准直高斯光束进行偏振态调整，得到沿一定方向偏振的线偏振高斯光束；

（2）所述的线偏振高斯光束经分光处理后，将得到的透射光束垂直入射至加载了位相信息图的空间光调制器，经位相调制后以反射方式出射；

（3）再经分光处理后将得到的反射光束经傅里叶变换凸透镜会聚后，在凸透镜的焦点处通过环形光阑，得到线偏振自聚焦艾里光束；

（4）将所述的线偏振自聚焦艾里光束进行径向或角向偏振转换处理，得到径向或角向偏振自聚焦艾里光束。

本发明技术方案还提供一种产生径向或角向偏振自聚焦艾里光束的装置，激光器发出准直高斯光束，经偏振片对光束进行偏振态调整，得到沿一定方向偏振的线偏振高斯光束；所述的线偏振高斯光束通过分光镜后，将得到的透射光束垂直入射至加载了位相信息图的空间光调制器，在空间光调制器液晶显示屏上进行位相调制后以反射方式出射；再经分光镜，将得到的反射光束通过傅里叶变换凸透镜会聚后，经环形光阑，得到线偏振自聚焦艾里光束；所述的环形光阑设置在凸透镜的焦点处；在环形光阑后放置偏振转换器，将偏振转换器的偏振状态调整为径向或角向偏振，所述的线偏振自聚焦艾里光束通过偏振转换器后得到径向或角向偏振自聚焦艾里光束。

所述的激光器为半导体泵浦固体激光器；所述的分光镜的透射率和反射率均为50%；所述的空间光调制器为反射式空间光调制器，由与其连接的计算机输入位相信息图；所述的环形光阑的透光部分为光阑的环形区域，光阑中心圆形区域为遮光部分，光阑的内外孔径固定；所述的偏振转换器为液晶电压调制式偏振转换器，通过计算机控制加载电压，调节光束偏振态，实现径向偏振或角向偏振。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明技术方案提供的艾里光束产生方法不需借助聚焦光学元件即可进行自聚焦，焦点前光强较低，焦点处光强迅速增大，能量集中，可精确定位利用。

2、本发明技术方案直接利用线偏振高斯光束产生径向或角向偏振自聚焦艾里光束，方法简单，可靠。

3、所提供的艾里光束产生装置结构简单，易于调整，稳定性好。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种径向或角向偏振自聚焦艾里光束产生装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的用于对光束进行位相调制的位相信息图；

图3是本发明实施例提供的环形光阑的结构示意图；

图4是本发明实施例1中产生的径向偏振自聚焦艾里光束的光强分布图（传播距离z=0）；

图5是本发明实施例1中产生的径向偏振自聚焦艾里光束的光强分布图（传播距离z=0.25m）；

附图6是本发明实施例1中产生的径向偏振自聚焦艾里光束在其自聚焦焦点处的光强分布图（传播距离z=0.85m）；

图7是本发明实施例1中产生的径向偏振自聚焦艾里光束在光强分布图（传播距离z=1.50m）；

图8是本发明实施例1中验证径向偏振自聚焦艾里光束时的光强分布图（传播距离z=0，偏振片的偏振方向为竖直方向）；

图9是本发明实施例1中验证径向偏振自聚焦艾里光束时的光强分布图（传播距离z=0，偏振片的偏振方向为水平方向）；

图10是本发明实施例2中验证角向偏振自聚焦艾里光束时的光强分布图（传播距离z=0，偏振片的偏振方向为竖直方向）；

图11是本发明实施例2中验证角向偏振自聚焦艾里光束时的光强分布图（传播距离z=0，偏振片的偏振方向为水平方向）；

图1中：1、激光器；2、偏振片；3、分光镜；4、空间光调制器；5、9和11、计算机；6、凸透镜；7、环形光阑；8、偏振转换器；10、光束分析仪。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步描述。

实施例1：

参见附图1，它是本实施例提供的一种径向和角向偏振自聚焦艾里光束产生装置的结构示意图，该装置包括：激光器1，偏振片2，分光镜3，空间光调制器4，凸透镜6，环形光阑7，偏振转换器8，光束分析仪10，计算机5、9和11。

由激光器1发出高斯光束，在本实施例中，激光器1为功率可调的半导体泵浦固体激光器，最大功率1.8W，波长为532nm；高斯光束经偏振片2得到沿竖直方向偏振的线偏振高斯光束；线偏振高斯光束通过分光镜3分为反射光束和透射光束，所述的分光镜3的透射率和反射均为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达空间光调制器4，空间光调制器4为反射式空间光调制器，其相位信息由计算机5通过软件加载位相信息图进行调制，参见附图2，它是本实施例提供的用于对光束进行位相调制的位相信息图，线偏振高斯光束在空间光调制器液晶显示屏上进行位相调制后以反射方式出射；经过位相调制的光束再次通过分光镜3分为反射光束和透射光束，反射光束经傅里叶变换凸透镜6会聚后，在凸透镜6的焦点处通过环形光阑7，得到线偏振自聚焦艾里光束，在本实施例中，凸透镜6的焦距为400mm，用于对光束进行傅里叶变换和聚焦；参见附图3，它是本实施例提供的环形光阑的结构示意图，环形光阑7的透光部分为环形，光阑中心圆形区域为不透光的遮拦部分，其内环半径为1mm，外环半径2mm，内外孔径为固定不可调；线偏振自聚焦艾里光束通过偏振转换器8后得到径向或角向偏振自聚焦艾里光束，在本实施例中，偏振转换器8为液晶电压调制式偏振转换器，通过计算机控制加载电压，调节光束偏振态，实现径向偏振或角向偏振。对本实施例提供的装置产生的径向和角向偏振自聚焦艾里光束进行测量，可采用将光束分析仪10与计算机11相连，光束分布仪10用于观测和拍摄径向和角向偏振自聚焦艾里光束在不同传播距离处的光强分布。

利用本实施例提供的上述装置产生径向和角向偏振自聚焦艾里光束的方法，其具体操作步骤如下：

1、从激光器1发出高斯光束，光束经过偏振片2时，调节偏振片2偏振角度，使光束成为沿一定方向偏振的线偏振高斯光束。

2、线偏振高斯光束经过分光镜3时发生反射和透射，透射光束以垂直入射的方式到达空间光调制器4，通过计算机5的软件程序将位相信息图加载到空间光调制器4的液晶显示屏上，调节空间光调制器4的液晶显示屏的位置，使经过分光镜3的透射光束正好照射在位相信息图上，进行位相调制后以反射方式出射。

3、空间光调制器4的液晶显示屏和环形光阑7分别置于凸透镜6的前焦面和后焦面，凸透镜6对位相调制得到的光束进行傅里叶变换和会聚。经过位相调制得到的光束再次通过分光镜3分为两束，反射光束经凸透镜6进行傅里叶变换后通过环形光阑7，得到线偏振自聚焦艾里光束。如附图2所示即为本实施例中所用的位相信息图，调节位相信息图的参数，可以改变产生的光束的中心光斑半径以及周围各环的宽度和半径大小。

4、紧靠环形光阑7放置偏振转换器8，对偏振转换器8进行三维方向位移以及角度的调节，并通过计算机9软件改变加载电压实现微调。将偏振转换器8模式调为径向偏振，线偏振自聚焦艾里光束通过偏振转换器8产生径向偏振自聚焦艾里光束。

5、在径向和角向偏振自聚焦艾里光束传播路径上放置光束分析仪10，与计算机11相连，改变光束分析仪10到偏振转换器8的距离，观测和拍摄径向偏振自聚焦艾里光束在不同传播距离处的光强分布。

本实施例以产生径向偏振自聚焦艾里光束为例，参见附图4～7，它们分别为径向偏振自聚焦艾里光束在传播距离z分别为0、0.25m、0.85m、1.50m处的光强分布图，其中，附图6为自聚焦艾里光束的焦距z=0.85m，在此处得到的是艾里光束焦点处的光强分布为空心光束。本发明为粒子捕获、生物医学微纳手术等技术领域提供一种具有重要应用价值的产生径向和角向偏振自聚焦艾里光束。

对产生的径向偏振艾里光束进行验证，其方法是：在偏振转换器8和光束分析仪10之间放置偏振片，将偏振片的偏振方向调节为竖直方向，在传播距离z=0处拍摄到光强分布图如附图8所示；将偏振片的偏振方向调节为水平方向，在传播距离z=0处拍摄到光强分布图如附图9所示。由附图8和附图9的光强分布图可以证明，本实施例产生的是径向偏振自聚焦艾里光束。

实施例2：

按实施例1的技术方案构建一种径向和角向偏振自聚焦艾里光束产生装置，本实施例以产生角向偏振自聚焦艾里光束为例，并对产生的角向偏振艾里光束进行验证。产生方法及验证方法同实施例1，仅将步骤4中偏振转换器8模式调为角向偏振，则产生角向偏振自聚焦艾里光束。验证时，将偏振片的偏振方向调节为竖直方向，在传播距离z=0处拍摄到光强分布图如附图10所示；将偏振片的偏振方向调节为水平方向，在传播距离z=0处拍摄到光强分布图如附图11所示。由附图10和附图11的光强分布图可以证明，本实施例产生的是角向偏振自聚焦艾里光束。