[发明专利]一种实现光学焦场自旋方向三维可控的装置和方法

说明书

本发明公开了一种实现光学焦场自旋方向三维可控的装置和方法。该装置由激光器、半波片、偏振片、1/4波片、透镜、平面镜、空间光调制器、空间滤波器、分束器和高数值孔径物镜组成。该方法将光学焦场拆解为三个沿着特定方向振动的电偶极子，利用电偶极子辐射场逆推方法计算出光场在入射光瞳面的分布，并利用具有两个不同颜色通道的空间光调制器所构成的任意矢量光场生成系统产生所需的入射光场，之后在高数值孔径物镜的聚焦下，将在物镜的焦点附近区域生成自旋方向可控且尺寸在衍射极限的光学焦场。该方法不但能够控制光学焦场的自旋方向，而且能够对光学焦场的椭球率和取向角进行有效的调控。

技术领域

本发明涉及一种光场调控装置和方法，尤其涉及一种实现光学焦场自旋方向三维可控的装置和方法。

背景技术

在过去的几十年里，光学显微镜由于能够在无损样品的前提下提供样品的多维度信息成为众多科学领域和行业中必不可少的工具，并被广泛地用来处理大量珍贵和不可替代的样品。光学显微镜利用紧聚焦的光场作为“虚拟探针”来检验焦场区域内样品的特性，并产生成像所需的对比度。因此，焦场特性的调控在提升光学显微镜性能和功能方面扮演着至关重要的作用，例如相干反斯托克斯拉曼光谱法、三次谐波显微镜、受激发射损耗显微镜等。此外，研究者们开发了众多的激光光束整形系统，用于在某一个特定的目标平面内将激光光束转化为需要的强度分布，这些特殊的光场在激光热退火、激光熔接、材料加工、全息、光学计量和光记录等方面都有着重要的应用。

除了对焦场的形状、尺寸和强度分布的优化，焦场的偏振也是值得关注的一个重要参数。若能实现对焦场偏振态的完全控制，则能为光学显微镜提供更丰富的信息并且极大地扩展它的功能。研究者们利用逆向算法已经能够生成特定偏振态分布的焦场，然而此类方法只能够在焦场的焦平面上对偏振态进行设计，且只能对焦场的自旋取向在特定的平面内进行控制，限制了偏振调控对光学显微镜及相关应用性能的提升。

发明内容

发明目的：为解决现存的焦场调控技术只能在特定的平面内控制焦场的自旋方向，而无法实现自旋三维任意可控的局限性的问题，本发明提出了一种实现光学焦场三维可控自旋方向的装置，以快速地对焦场偏振态的椭球率和取向角进行有效的三维控制。

相应地，本发明还提供一种实现光学焦场三维可控自旋方向的方法。

技术方案：本发明的实现光学焦场三维可控自旋方向的装置包括：激光器、导光装置、空间光调制器、计算机和物镜；空间光调制器具有两种工作波长，且包括位于其面板上不重合的两个区域处的第一通道空间光调制器和第二通道空间光调制器；计算机用于分别对第一通道空间光调制器和第二通道空间光调制器进行控制；导光装置用于将激光器发出的光束依次导入第一通道空间光调制器和第二通道空间光调制器进行调制，并将经调制的光束入射至物镜的后方孔径进行聚焦。

进一步地，第一通道空间光调制器用于调控光场的共有位相和偏振椭球率，第二通道空间光调制器用于调控光场的振幅和偏振取向角。

进一步地，光导装置包括半波片、第一偏振片、第一分束器、第一透镜、平面镜、第二分束器、1/4波片、第二透镜、第二偏振片、空间滤波器和第三透镜；激光器发出的光束依次经过半波片和第一偏振片调整强度后，再经第一分束器反射至第一通道空间光调制器；经第一通道空间光调制器调制后的光束穿过第一分束器，经第一透镜和第一平面镜后依次穿过第二分束器和1/4波片，入射至第二通道空间光调制器；经第二通道空间光调制器调制后的光束经过1/4波片并由第二分束器反射后，依次经过第二透镜、第二偏振片、空间滤波器以及第三透镜后入射物镜的后方孔径。

进一步地，第一偏振片和第二偏振片的透振方向平行于平台平面；平面镜放置在第一透镜的焦平面，且第一透镜和平面镜构成第一4f系统；1/4波片的快轴方向与平台平面成45度；第二透镜的物方焦平面与第二通道空间光调制器重合；第二透镜和第三透镜构成第二4f系统，且空间滤波器放置在第二4f系统的焦平面；第二透镜和第三透镜构成望远镜系统，用于对激光光束进行扩束且光斑尺寸与物镜后端的入光孔径相同。