[发明专利]一种均匀光针聚焦微结构及设计方法

说明书

本发明公开了一种均匀光针聚焦微结构及设计方法，由两组对应不同焦距的二元振幅型菲涅尔波带片半径序列复合而成，并对微结构中心区域进行遮挡，其构造过程为：给定照明波长和第一焦距，确定第一组环带半径序列{r_1,n}；初选第二焦距得到第二组环带半径序列{r_2,m}；适当选择{r_2,m}中的部分序列段替换{r_1,n}中的部分序列段形成新的微结构环带半径序列；各环带透过率规定为，先设定中心遮挡圆，从中心遮挡圆半径坐标开始至最外环带半径各环带透过率按{1,0}交替编码，且起始环带透过率为1；优选结构参数实现均匀光针强度场分布；该设计方法适用于多种典型偏振激光光束照明情形，设计的微结构可应用于激光微细加工、高分辨率显微成像、光学操控等领域。

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，特别涉及一种均匀光针聚焦微结构及设计方法。

背景技术

光的衍射导致聚焦光场具有复杂的三维结构，对照明光束的振幅、相位和偏振态等进行调制将改变聚焦光场的分布。2008年以来，光针聚焦(或细光束聚焦)问题引起科学界的广泛关注，成为国际前沿热点研究课题之一。均匀细光针聚焦场具有重要的科学研究价值，其在激光直写微光刻、光学数据存储、扫描光学纳米显微技术、原子光学、光学操控等领域具有重要应用。

目前，细光针场聚焦调制方法主要分为三大类，分别基于折射光学系统、反射光学系统和衍射光学系统。折射光学系统聚焦方法以多环带光瞳滤波、矢量光束照明、折射透镜聚焦为代表(参见文献H.Wang,L.Shi,B.Lukyanchuk,C.Sheppard,C.T.Chong.Creation ofa needle of longitudinally polarized light in vacuum using binaryoptics.Nature Photonics,2008,2:501-505)，是传统波前工程研究方法，优点是理论清晰、设计灵活，缺点是聚焦光学系统复杂、光瞳滤波器加工要求苛刻、光束横向宽度限制较大。反射光学系统聚焦方法，主要采用光瞳滤波和抛物反射镜结合(参见文献H.Dehez,A.April,M.Piche.Needles of longitudinally polarized light:guidelines forminimum spot size and tunable axial extent.Optics Express,2012,20:14891-14905)，优点是理论上容易实现极限数值孔径(NA＝1，空气中)聚焦，缺点是聚焦光针场处于反射光路中，系统实现难度依赖于超精密非球面加工方法，成本高。第三类方法基于平面衍射光学系统，直接采用单一平面光学微结构进行聚焦(参见文献T.Liu,J.Tan,J.Liu,H.Wang.Modulation of a super-Gaussian optical needle by high-NA Fresnel zoneplate.Optics Letters,2013,38:2742-2745)，这是一种无透镜、多光束衍射干涉聚焦系统，突出优点是系统简单、结构轻巧、成本低廉、设计灵活，存在的主要问题是由于标准菲涅尔波带片在短波长照明及大数值孔径聚集情形下，外圈环带径向宽度接近且环带宽在数纳米至数十纳米，对现有微加工刻蚀工艺提出了十分苛刻的要求。

上述技术问题是目前均匀细光针场聚焦调制中面临的主要困难。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种均匀光针聚焦微结构及设计方法，基于二元振幅型菲涅尔波带片构造复合微结构，采用激光光束照明，通过少量环带即可实现所需均匀光针。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种均匀光针聚焦微结构，由两组对应不同焦距的二元振幅型菲涅尔波带片半径序列复合而成，并对微结构中心区域进行遮挡。