專利名稱：一種利用正交線偏振光束控制焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用光學(xué)技術(shù)，特別涉及一種利用正交線偏振光束控制焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方法。
背景技術(shù)：
焦點(diǎn)區(qū)域光強(qiáng)分布由于其性質(zhì)極大地影響著光學(xué)系統(tǒng)的性能，所以一直研究的熱點(diǎn)。隨著物鏡數(shù)值孔徑的增加，由于光束的矢量特性的影響越來越大，在焦點(diǎn)區(qū)域呈現(xiàn)特殊性質(zhì)，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光信息存儲(chǔ)、光學(xué)顯微、平版印刷術(shù)，激光加工、光學(xué)微操縱、超分辨、光與物質(zhì)相互作用等光學(xué)系統(tǒng)。在超分辨的研究中，如何得到一個(gè)圓對(duì)稱尺寸小的光斑是研究的難點(diǎn)。1959年Wolf等人發(fā)現(xiàn)線偏振光在高數(shù)值孔徑物鏡聚焦下的光斑形狀成橢圓形，而不是像在低數(shù)值孔徑物鏡聚焦后的光斑形狀成圓對(duì)稱分布。若采用圓偏振光束進(jìn)行聚焦，其光斑形狀為圓形，但是其尺寸比線偏振光聚焦光斑要大，不利于實(shí)現(xiàn)超分辨顯微成像。研究發(fā)現(xiàn)采用徑向偏振光聚焦光斑比較線偏振光要小，而且通過拓?fù)錇镮的渦旋相位板對(duì)方位偏振光進(jìn)行波前相位調(diào)制，其聚焦后的光斑尺寸比徑向偏振光的聚焦光斑更小，但由于這兩種非均勻偏振光束產(chǎn)生很困難，而且 一般商用激光器出射光束為線偏振光，所以采用非均勻偏振光束作為實(shí)現(xiàn)超分辨的方法一直沒有大范圍的應(yīng)用。最近，Seller等人利用波長為1580nm的線偏振光作為入射光，經(jīng)高數(shù)值孔徑物鏡聚焦后，采用偏振差異成像的方法，發(fā)現(xiàn)線偏振光橢圓形聚焦光斑沿短軸方向的分辨率比沿長軸方向的分辨率大，通過人為旋轉(zhuǎn)半波片對(duì)入射線偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90度，即橢圓形焦點(diǎn)形狀也旋轉(zhuǎn)了 90度，實(shí)現(xiàn)了 IOOnm的分辨率(參見文獻(xiàn)“Nanoscale optical microscopy in the vectorial focusing regime” NaturePhotonics.2，311-314 (2008).)，其不足之處在于通過人為的轉(zhuǎn)動(dòng)半波片以此改變線偏振光的偏振方向顯然不利于實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的自動(dòng)化，而且會(huì)引起橢圓形光斑旋轉(zhuǎn)角度的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)利用改變線偏振光的偏振方向來實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)誤差難控制的問題，提出一種利用正交線偏振光束控制焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方法，具有光學(xué)系統(tǒng)簡單，可避免人為手動(dòng)旋轉(zhuǎn)線偏振光偏振方向達(dá)到對(duì)其橢圓形焦點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，而且能夠旋轉(zhuǎn)任意角度的特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種利用正交線偏振光束控制焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方法，具體包括如下步驟:
1)高斯光束垂直入射可調(diào)擴(kuò)束鏡，調(diào)節(jié)可調(diào)擴(kuò)束鏡，使從可調(diào)擴(kuò)束鏡出射的光束為半徑R的平行出射高斯光束；
2)平行出射高斯光束經(jīng)與可調(diào)擴(kuò)束鏡同軸的起偏器后，轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振高斯光出射；
3)起偏器出射的線偏振高斯光入射正交線偏振光束產(chǎn)生器，正交線偏振光束產(chǎn)生器與可調(diào)擴(kuò)束鏡同軸，正交線偏振光束產(chǎn)生器由同心的內(nèi)外環(huán)組成，內(nèi)環(huán)半徑為r，外環(huán)半徑為R，線偏振高斯光通過r < rO和. <r<R兩區(qū)域，形成正交光軸出射，即水平和豎直偏振光束；
4)從正交線偏振光束產(chǎn)生器出射的光束最后通過與可調(diào)擴(kuò)束鏡同軸的物鏡聚焦；
5)調(diào)節(jié)正交線偏振光束產(chǎn)生器的內(nèi)外環(huán)光束所占的比例，得到由物鏡聚焦后的橢圓形焦點(diǎn)，橢圓形焦點(diǎn)以物鏡的幾何焦點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)所需角度。所述可調(diào)擴(kuò)束鏡用伽利略型擴(kuò)束鏡或開普敦型擴(kuò)束鏡。所述正交線偏振光束產(chǎn)生器用振幅型空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)，空間光調(diào)制器輸入灰度為O時(shí)其出射光束偏振方向沿水平偏振,輸入灰度為255時(shí)其出射光束偏振方向沿豎直偏振。所述正交線偏振光束產(chǎn)生器由振幅型空間光調(diào)制器通過編碼的形式產(chǎn)生同心的內(nèi)外環(huán)正交偏振。所述正交線偏振光束產(chǎn)生器由同心內(nèi)外環(huán)分布的半波片組成，其內(nèi)環(huán)與外環(huán)半波片的光軸成45度夾角。本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明利用正交線偏振光束控制焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方法，可避免人為對(duì)半波片的旋轉(zhuǎn)達(dá)到對(duì)橢圓形光斑的旋轉(zhuǎn)，而且正交線偏振光聚焦光斑與線偏振光的聚焦光斑形狀相同，不引起形變，增加了本方法的可用性，此正交光束的產(chǎn)生也極為容易，可利同心內(nèi)外環(huán)的半波片，其內(nèi)外環(huán)半波片的光軸成45度；或采用振幅型空間光調(diào)制器通過編碼產(chǎn)生，增加了本方法的適用性及實(shí)驗(yàn)的靈活性和可操作性。


圖1為本發(fā)明聚焦光學(xué)系統(tǒng)示意圖； 圖2為本發(fā)明正交偏振光束偏振態(tài)意圖。
具體實(shí)施例方式基于單一物鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)，線偏振光在高數(shù)值孔徑物鏡聚焦下，由于物鏡數(shù)值孔徑越大，其光波的矢量特性對(duì)焦點(diǎn)區(qū)域光強(qiáng)分布的影響也越大，所以其聚焦之后的光斑成橢圓形，過去的技術(shù)只有通過人為旋轉(zhuǎn)半波片達(dá)到橢圓光斑的旋轉(zhuǎn)，本發(fā)明通過采用正交線偏振光束作為入射光，其中此光束分為兩部分，一部分為內(nèi)環(huán)光束，另一部分為外環(huán)光束，內(nèi)外環(huán)光束同心分布，而且內(nèi)環(huán)線偏振光的偏振方向與外環(huán)線偏振光的偏振方向垂直，正交偏振態(tài)光束經(jīng)高數(shù)值孔徑物鏡聚焦之后的光斑為橢圓形，而且通過調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)外環(huán)半徑，其橢圓形焦點(diǎn)以幾何焦點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)，通過不同內(nèi)外環(huán)半徑，可以使橢圓形光斑旋轉(zhuǎn)到任意角度，而且旋轉(zhuǎn)后的光斑形狀與一般線偏振光聚焦后光斑的形狀相同。如圖1所示聚焦光學(xué)系統(tǒng)示意圖；該光學(xué)系統(tǒng)主要由可調(diào)擴(kuò)束鏡1、起偏振器2、正交線偏振光束產(chǎn)生器3、及物鏡4構(gòu)成；入射光束垂直入射可調(diào)擴(kuò)束鏡I，依次經(jīng)過起偏振器
2、正交線偏振光束產(chǎn)生器3、及物鏡4?？烧{(diào)擴(kuò)束鏡1、起偏振器2、正交線偏振光束產(chǎn)生器
3、及物鏡4共有一個(gè)中心軸。入射光束為高斯光，其波長為405nm?？烧{(diào)擴(kuò)束鏡I采用伽利略型擴(kuò)束鏡(當(dāng)然也可以為開普敦型擴(kuò)束鏡)。正交線偏振光束產(chǎn)生器3采用振幅型空間光調(diào)制進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)。物鏡4的數(shù)值孔徑為0.95。一種利用正交線偏振光束控制焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方法的具體方法步驟如下，
(I)入射高斯光束經(jīng)過可調(diào)擴(kuò)束鏡I后，由于可調(diào)擴(kuò)束鏡I的整形作用，從可調(diào)擴(kuò)束鏡I出射的光束轉(zhuǎn)化為直徑為6mm的平行出射高斯光束，即如圖2所示，Λ = 3mm。(2)平行出射高斯光束經(jīng)起偏器2后，轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振高斯光，其中起偏器2與可調(diào)擴(kuò)束鏡I共有一個(gè)中心軸。(3)正交線偏振光束產(chǎn)生器3，采用振幅型空間光調(diào)制器編碼實(shí)現(xiàn)，由于空間光調(diào)制器在輸入灰度為O與灰度為255的灰度圖時(shí),其出射線偏振光的偏振方向相互垂直，灰度為O時(shí)其出射光束偏振方向沿水平偏振，灰度為255時(shí)其出射光束偏振方向沿豎直偏振，即通過輸入同心內(nèi)外環(huán)分布的灰度圖，其中內(nèi)環(huán)灰度為O,外環(huán)灰度為255,其出射光束為正交線偏振光束；該光束產(chǎn)生器3共有上述中心軸，線偏振高斯光束經(jīng)過此光束產(chǎn)生
器3后，產(chǎn)生正交線偏振光束，其偏振方向如圖2所示，當(dāng)Γ <.&時(shí)，其偏振方向沿水平，當(dāng)
ro <r < β時(shí)，其偏振方向沿豎直。正交線偏振光產(chǎn)生器也可由同心內(nèi)外環(huán)分布的半波片
組成，其內(nèi)環(huán)與外環(huán)半波片的光軸成45度夾角。該正交線偏振光產(chǎn)生器共有上述中心軸。(4)物鏡4，共有上述中心軸；從正交線偏振光束產(chǎn)生器3出射的光束最后由物鏡4聚焦，由于正交線偏振光束內(nèi)外環(huán)光束的偏振方向相互垂直，通過調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)與外環(huán)的半徑，即調(diào)節(jié)內(nèi)外環(huán)光束所占的比例，可以得到由物鏡聚焦后的橢圓形焦點(diǎn)以物鏡的幾何焦
點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)任意角度，如內(nèi)環(huán)光束半徑化= 2.4 m時(shí)，其焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)45度，其焦點(diǎn)的形狀 與普通線偏振光聚焦光斑的形狀相同。綜上所述，基于單一物鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)，通過具有同心內(nèi)外環(huán)分布的正交線偏振光經(jīng)高數(shù)值孔徑物鏡聚焦后，其光斑與普通線偏振光聚焦后的光斑形狀相同，而且通過調(diào)節(jié)內(nèi)外環(huán)半徑，即調(diào)節(jié)內(nèi)外環(huán)光束所占的比例，其焦點(diǎn)可繞物鏡的幾何焦點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)任意的角度。一種利用正交線偏振光束控制焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方法，可避免人為對(duì)半波片的旋轉(zhuǎn)達(dá)到對(duì)橢圓形光斑的旋轉(zhuǎn)，而且正交線偏振光聚焦光斑與線偏振光的聚焦光斑形狀相同，不引起形變，增加了本方法的可用性，本發(fā)明具有光學(xué)系統(tǒng)要求簡單，可操作性強(qiáng)，應(yīng)用前景大。
權(quán)利要求
1.一種利用正交線偏振光束控制焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方法，其特征在于，具體包括如下步驟: 1)高斯光束垂直入射可調(diào)擴(kuò)束鏡，調(diào)節(jié)可調(diào)擴(kuò)束鏡，使從可調(diào)擴(kuò)束鏡出射的光束為半徑R的平行出射高斯光束； 2)平行出射高斯光束經(jīng)與可調(diào)擴(kuò)束鏡同軸的起偏器后，轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振高斯光出射；3)起偏器出射的線偏振高斯光入射正交線偏振光束產(chǎn)生器，正交線偏振光束產(chǎn)生器與可調(diào)擴(kuò)束鏡同軸，正交線偏振光束產(chǎn)生器由同心的內(nèi)外環(huán)組成，內(nèi)環(huán)半徑為r，外環(huán)半徑為R，線偏振高斯光通過r <. 和r0<r<R兩區(qū)域，形成正交光軸出射，即水平和豎直偏振光束； 4)從正交線偏振光束產(chǎn)生器出射的光束最后通過與可調(diào)擴(kuò)束鏡同軸的物鏡聚焦； 5)調(diào)節(jié)正交線偏振光束產(chǎn)生器的內(nèi)外環(huán)光束所占的比例，得到由物鏡聚焦后的橢圓形焦點(diǎn)，橢圓形焦點(diǎn)以物鏡的幾何焦點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)所需角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用正交線偏振光束控制焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方法，其特征在于，所述可調(diào)擴(kuò)束鏡用伽利略型擴(kuò)束鏡或開普敦型擴(kuò)束鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用正交線偏振光束控制焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方法，其特征在于，所述正交線偏振光束產(chǎn)生器用振幅型空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)，空間光調(diào)制器輸入灰度為O時(shí)其出射光束偏振方向沿水平偏振，輸入灰度為255時(shí)其出射光束偏振方向沿豎直偏振。
4.根據(jù)權(quán)利要 求1所述利用正交線偏振光束控制焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方法，其特征在于，所述正交線偏振光束產(chǎn)生器由振幅型空間光調(diào)制器通過編碼的形式產(chǎn)生同心的內(nèi)外環(huán)正交偏振。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述利用正交線偏振光束控制焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方法，其特征在于，所述正交線偏振光束產(chǎn)生器由同心內(nèi)外環(huán)分布的半波片組成，其內(nèi)環(huán)與外環(huán)半波片的光軸成45度夾角。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用正交線偏振光束控制焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的方法，通過采用正交線偏振光束作為入射光，其中此光束分為兩部分，一部分為內(nèi)環(huán)光束，另一部分為外環(huán)光束，內(nèi)外環(huán)光束同心分布，而且內(nèi)環(huán)線偏振光的偏振方向與外環(huán)線偏振光的偏振方向垂直，正交偏振態(tài)光束經(jīng)高數(shù)值孔徑物鏡聚焦之后的光斑為橢圓形，而且通過調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)外環(huán)半徑，其橢圓形焦點(diǎn)以幾何焦點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)。此方法可避免人為對(duì)半波片的旋轉(zhuǎn)達(dá)到對(duì)橢圓形光斑的旋轉(zhuǎn)，而且正交線偏振光聚焦光斑與線偏振光的聚焦光斑形狀相同，不引起形變，此正交光束的產(chǎn)生也極為容易，增加了本方法的適用性及實(shí)驗(yàn)的靈活性和可操作性。
文檔編號(hào)G02B27/28GK103226248SQ20131018786
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月21日
發(fā)明者郭漢明, 翁曉羽, 王小亞, 譚志華, 莊松林 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)