[发明专利]一种实现激光束纵向偏振双焦点聚焦的位相片

说明书

技术领域

本发明涉及对激光束整形并经显微物镜聚焦，从而实现改变焦点光强分布的技术。

背景技术

研究激光光束在各种孔径和位相片滤波作用下经高数值孔径物镜聚焦后在焦点附近的三维光场分布一直是科学家们感兴趣的重要课题。高度聚焦光斑尺寸小于波长的焦点光束在三维光学数据存储，光刻技术，材料加工，纳米微粒操控，生物医学成像，拉曼光谱技术，二次谐波激发，近场扫描和激光共焦显微技术中都是至关重要的[1-8]。然而在光斑尺寸小于波长时，标量衍射理论无法得到焦点附近精确的光强分布，必须使用矢量衍射理论。为此，Richards和Wolf系统地研究了光束的聚焦问题，得到了矢量衍射积分公式，建立了聚焦问题的基本理论框架[Proc.R.Soc.Lond.A，253，358-379，1959]。研究发现径向偏振光束入射通常可以获得比较小的聚焦光斑，这是因为径向偏振光束聚焦后可以获得光轴上强度不为零，分布在光轴附近的纵向偏振分量，而径向分量因相互抵消而所占比重很低。实验上要获得高纯纵向偏振光束，首先要有径向偏振入射光束。已有多篇文献报道获得径向偏振入射光束的方法。如文献[Appl.Opt.，29，2234-2239，1990]所报道的方法是利用Mach-Zehnder双光路干涉仪，将两束偏振方向互相垂直，强度和位相调制过的的线偏振光叠加干涉产生径向偏振光束。2005年，Zhao Yiqiong等人提出了三环二元衍射位相光学元件实现了径向偏振光束在显微物镜焦点位置的沿轴向的链状聚焦[Opt.Lett.，Vol.30，No.8，848-850，2005]。2008年，新加坡国立大学数据存储研究所的王海风等人在Nature photonics发表了一篇理论研究文章，利用特殊设计的五环带二元位相片对入射径向偏振贝塞尔-高斯光束滤波后再用数值孔镜为0.95的物镜聚焦可以获得亚波长尺寸的轴向强度分布均匀的纵向偏振针状光束，焦深达四个波长[Nat.Photonics，Vol.2，No.8，501-505，2008]。2010年，Huang Kun等人结合全域搜寻优化算法设计了一种衍射光学元件，理论模拟获得了一种纵向偏振针状焦斑[Opt.Lett.，Vol.35，No.7，965-967，2010]。

迄今为止，我们未见对入射光束进行相位调制的方法来获得纵向偏振光束轴向双焦点。纵向偏振光束双焦点在三维光学数据存储，生物细胞和组织不同层面成像，浮动纳米微粒操控，金属针尖探针场增强等有很多潜在应用。

发明内容

本发明研究了径向偏振光束的聚焦特点和Richards和Wolf提出的矢量衍射积分公式，设计了以下函数表示的圆对称位相片：