[发明专利]一种实现平顶焦点的光束调控方法

说明书

一种实现平顶焦点的光束调控方法，涉及光束调控。调制方法：将入射的圆柱对称性光束作调制，调制后，第i个环带内矢量光的偏振方向与径向之间的夹角为φ_i；焦点附近的场分布按公式计算；优化算法：对于N个环，需要优化；若将透镜的孔径也作为参数，则需要对θ₁,θ₂,…,θ_N,和φ₁,φ₂,…,φ_N共2N个参数需要优化，采用一种基于模拟退化算法和粒子群算法的混合全局优化算法来在约束条件下确定各参数，获得尽可能大的平顶焦点。在入射光瞳上将入射光束划分为若干个同心圆环带，通过全局数值优化算法来确定：(1)各环带的起始和终止角度；(2)各环带内的偏振方向。

技术领域

本发明涉及光束调控，尤其是涉及一种实现平顶焦点的光束调控方法。

背景技术

具有平顶形态(flat-top)的光束焦点强度分布(区别于一般的高斯分布)在材料加工、信息处理、粒子捕获以及光刻方面都有重要应用[1][2]。另一方面，在大数值孔径下聚焦，通常的标量波近似不再成立，必须考虑光的偏振态。

柱对称矢量光束(Cylindrical vector beams)是指偏振态分布相对于光轴具有旋转对称性的一类光束，例如径向偏振光束(radial-polarized mode)或旋向偏振光束(azimuthal-polarized mode)。根据矢量光场理论，当一束具有柱对称性的矢量光束经消球差透镜聚焦时，焦点附近的光场分布可按如下公式计算[3]：

其中，是柱坐标系下三个正交方向的电场分量；常数A为入射光束的振幅；k＝2π/λ是波数，这里λ是入射光的波长；φ₀为入射矢量光场的偏振方向与径向之间的夹角；θ_max为从焦点处到透镜边缘的最大孔径角；l(θ)描述了入射光束沿径向(r方向)的强度分布，由入射光的模式决定。则焦点处的总光强由柱对称性|E|²只是r的函数。

参见文献：

[1]H.Chen and K.C.Toussaint,“Application of flat-top focus to 2Dtrapping of large particles,”Optics Express,22(6)6653(2014).

[2]C.Chang,L.Cramer,D.Danielson,and J.Norby,“Beam uniformity of flattop lasers,”Proc.SPIE 9343,93430U(2015).

[3]Q.Zhan,“Cylindrical vector beams:from mathematical concepts toapplications,”Advances in Optics and Photonics,1,1-57(2009).

[4]Q.Zhan and J.R.Leger,“Focus shaping using cylindrical vectorbeams,”Optics Express,10(7)324(2002).

发明内容

本发明的目的在于提供可对任意给定数值孔径的消球差透镜实现尽可能大的平顶形态聚焦光斑的一种实现平顶焦点的光束调控方法。

本发明包括以下步骤：

1)调制方法：将入射的圆柱对称性光束作如下调制，即光束波前划分成N个同心圆环带，各环带起始孔径角为θ_i-1和终止孔径角为θ_i，其中，i＝1,2,…,N是环带序数；调制后，第i个环带内矢量光的偏振方向与径向之间的夹角为φ_i，由公式(1)：