[发明专利]三维聚焦阵列实时动态精密调控装置及方法

说明书

一种三维聚焦阵列实时动态精密调控装置，包括沿激光器的输出方向依次是线偏振片、衰减片、物镜、滤波小孔、透镜、分光棱镜、空间光调制器，根据需求预设聚焦阵列，设置与聚焦阵列关于空间光调制器成镜像对称的虚拟调制区域。利用虚拟调制区域生成的衍射场构造全息相位并加载到空间光调制器上对入射平面波的波前进行调制。使形成的聚焦阵列与预设聚焦阵列一致，并用成像系统记录。根据需求重新设定聚焦阵列，计算新的全息相位并加载到空间光调制器上形成新的聚焦阵列并记录，直到调控过程结束。本发明能够生成精密的聚焦阵列且可实现高实时性的动态调控。该装置的光路简单且便于调节。

技术领域

本发明涉及三维聚焦阵列的调控技术，特别是一种能够实现聚焦阵列中焦斑的位置、形状、等效半径及能量均可实时动态精密调控的方法和一种结构简单的装置。

背景技术

对三维聚焦阵列的调控技术在粒子操纵、材料加工以及激光惯性约束核聚变的动聚焦等研究领域具有重要的应用。强聚焦光斑与物质相互作用时引起的梯度力或者产生的烧蚀等效应能够极大促进这些领域的发展。目前有多种技术手段能够实现聚焦阵列的动态调控，包括：基于机械偏转扫描或者声光调制器的分时复用、多光束干涉、广义相称以及计算全息等技术。利用液晶空间光调制器和成像装置组成的闭环反馈系统实现聚焦阵列的调控已成为目前的主流方法。

输入信号(全息图)的计算速度和反馈信号(聚焦阵列)的精度之间的矛盾是制约该方法进一步发展的瓶颈。传统的全息图设计方法包括直接方法以及迭代方法。直接方法计算全息图的速度快但生成聚焦阵列的精度低。迭代方法计算全息图的速度慢且需要结合高性能的计算设备，但是生成聚焦阵列的精度高。

为了实现焦斑能量的高度聚焦，传统的装置一般要在空间光调制器和聚焦阵列之间放置望远成像系统以及高数值孔径的物镜以形成傅里叶变换型的光路结构。该类型装置的缺点是光路复杂且调节困难。

发明内容

本发明旨在克服上述在先技术的不足，提供一种能够实现三维聚焦阵列实时动态精密调控的装置和方法。本发明具有高实时性、高精度以及装置结构简单，便于调节的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种三维聚焦阵列实时动态精密调控装置，其特点在于，包括激光器、线偏振片、衰减片、物镜、滤波小孔、透镜、分光棱镜、空间光调制器、透镜、CCD以及计算机。所述的激光器的输出光依次经线偏振片、衰减片、物镜、滤波小孔和透镜入射到分光棱镜，经分光棱镜透射的光入射到空间光调制器，经空间光调制器调制的衍射光沿原路返回到分光棱镜，再经分光棱镜反射的光入射到透镜和CCD组成的成像系统上，所述的计算机分别与空间光调制器以及成像系统相连。

所述的线偏振片将所述的激光器发射激光的偏振方向调整到与所述的空间光调制器的液晶面板的长边平行，保证所述的空间光调制器的线性响应。

所述的衰减片将激光能量衰减以便于所述的成像系统对聚焦阵列进行记录。

所述的沿激光器输出方向的物镜、滤波小孔以及透镜将所述激光器的输出光滤波准直为平面波。该平面波垂直入射到空间光调制器的液晶面板上。

一种三维聚焦阵列实时动态精密调控方法，其特点在于包括下列步骤：

步骤1)根据需求预设聚焦阵列中焦斑的位置、形状、等效半径以及能量分布，且焦斑的等效半径小于50微米。

基于同轴相位全息的成像特性设置与预设的聚焦阵列关于空间光调制器成镜像对称的虚拟调制区域。

步骤2)利用虚拟调制区域生成的衍射场构造全息相位信号Θ_∑：