[发明专利]聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片及其方法

说明书

本发明公开了一种聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片及其方法。所述光束整形调制片为滤光片，其光强透过率分布中心对称，其径向的每一处光强透过率采用振幅调制函数计算获得，将调制片放置在光路中对光束进行滤波整形获得快速收敛的聚焦光斑。本发明利用振幅调制片以较小的成本和技术难度改变聚焦光斑的收敛性质，降低衍射光斑的旁斑强度，在生物成像，激光光学等诸多领域有着巨大的应用价值和潜力。

技术领域

本发明涉及激光光束整形领域，尤其涉及了一种聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片及其方法，利用光束的振幅调制实现聚焦光斑的快速收敛。

背景技术

自1960年第一台激光器问世以来，激光凭借其良好的单色性、定向性、相干性以及能量密度大等优异特点，逐渐在物理、化学、生物、材料、医学、信息技术等众多领域得到广泛的应用。此后，激光技术不断向其他领域渗透，极大的推动了其他相关学科的基础和应用研究，如光电技术、生物医疗、材料加工、精密测量等众多领域中均扮演着重要角色。随着激光技术的发展，光束整形技术成为一种热门技术，特殊形式的光束可应用于激光光学和生物医学等领域。例如，平顶光束可应用于激光核聚变、激光热处理等领域，局域空心光束在原子引导、原子囚禁，以及光学镊子等方面都有广泛的应用。因此，通过光束的偏振态、相位和振幅的空间结构设计，实现三维聚焦光场的有效调控具有重要的应用价值。

不同光束的新颖聚焦特性及探索新的聚焦整形技术一直都是光学领域的主要研究课题之一。当入射光源经过高数值孔径透镜聚焦时，由于光束的矢量性质发生改变，以往光束聚焦特性研究所采用的标量衍射理论不再适用，而使用Richards-Wolf矢量衍射理论研究光束的紧聚焦特性。在紧聚焦条件下，径向偏振光会在焦点上形成很强的纵向光场；而角向偏振光则会形成纯横向的中空环形光场分布；广义轴对称偏振光经过透镜紧聚焦后形成一个平顶型光场分布；圆偏振涡旋光束在紧聚焦条件下可以实现自旋角动量和轨道角动量之间的部分转换。光束紧聚焦特性的研究吸引了大量科研工作者的关注。

为设计出特别的并具有实用价值的三维聚焦光场，人们先后尝试了很多聚焦整形的方法。如在透镜前加入二元衍射光学元件(DOE)对入射光束的偏振、相位和振幅等进行调制。2002年，Zhan等人通过使用偏振旋转调制装置对柱对称矢量光的偏振方向进行了调制，分别获得“尖峰”、“圆环”和“平顶型”分布的聚焦光场。2008年Wang等人利用径向偏振贝塞尔-高斯光束结合五环形DOE相位调制器，在经过高数值孔径透镜紧聚焦后产生了一个焦深为4个波长的纯纵向场的“光针”。此后，Lin等人通过使用振幅调制的方法产生了一个长达9个波长的光针。然而，迄今为止，仍然没有一种聚焦光场快速收敛的光束整形方法，因此本专利设计一种利用光束的振幅调制实现聚焦光斑快速收敛的装置和方法。

发明内容

为实现激光聚焦光斑的快速收敛，本发明提供了一种聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片及其方法。利用振幅调制片对入射光的振幅进行调制，使聚焦光场的光斑呈现不同的收敛特性，降低衍射条纹的旁斑强度，优化光强的衰减速度。在生物成像、生命科学等领域有着重要的应用价值。

本发明采用的具体技术方案是：

一、一种聚焦光斑快速收敛的光束整形调制片：

所述光束整形调制片为滤光片，其光强透过率分布中心对称，其径向的每一处光强透过率采用振幅调制函数计算获得，光强透过率分布是由振幅调制函数绕穿过调制片圆心并且沿调制片所在平面法向的轴旋(光束整形调制片的光轴)转获得。

所述的振幅调制函数采用以下公式表示，如图1所示，两侧曲线之间为等值线，振幅调制函数计算获得的值P_θ(t)为光强透过率的设定值：