[发明专利]一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置及方法

说明书

本发明公开了一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置及方法，该方法包括如下步骤：激光器输出的高斯光束，由起偏器起偏，经过第一透镜、第二透镜组合而成的4f系统扩束后，入射到空间光调制器，在空间光调制器上加载圆艾里光束的频谱信息，并通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控；经过空间光调制器调制、平面反射镜反射后，再经过第三透镜傅里叶变换之后，在焦平面得到圆艾里光束，在其自聚焦位置用电荷耦合器观测到二维位移后的自聚焦点。本发明可以通过改变空间光调制器所加载不同的相息图，可精细简便地调节产生的圆艾里光束的轨迹，达到改变自聚焦点位置的目的，二维移动自聚焦点的调控范围大精度高。

技术领域

本发明涉及光场调控技术领域，具体涉及一种大范围高精度二维移动圆艾里光束自聚焦点的装置及方法。

背景技术

圆艾里光束是一种突然自聚焦光束，是2010年，由Nikolaos K.Efremidis提出并产生了圆艾里光束，其在传输过程中会自行进行汇聚到中心，在自聚焦的焦点处光强达到最大可达初始光斑光强的上百倍。而且在自聚焦位置很短的距离内，中心光强就能达到最大值。其场分布为其中Airy(·)是艾里函数，r是圆艾里光束的径向长度，r₀是主环的半径，w₀是光束的束宽，α是圆艾里光束的衰减因子。

圆艾里光束因为其突然自聚焦特性，能产生更强的光阱刚度，从而在自聚焦位置能对微粒实现更稳定的捕获。使得它在粒子捕获，激光医学治疗等方面具有很大的应用价值而得到研究人员的广泛关注。

本发明的发明人发现，一般的圆艾里光束只能按正常的传输轨迹进行传输，或者机械的改变其传输轨迹，这对于圆艾里光束在光镊应用上有着很大的不便。通过空间光调制器对圆艾里光束的轨迹进行操控，使圆艾里光束自聚焦点可以大范围高精度移动的方法，至今还没有人提出。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置及方法，可以更加稳定、更加方便的操纵圆艾里光束轨迹，达到在二维平面内操控圆艾里光束自聚焦点任意移动。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种大范围高精度移动圆艾里光束自聚焦点的装置，包括激光器、起偏器、第一透镜、第二透镜、空间光调制器、平面反射镜、第三透镜以及电荷耦合器；

激光器输出基模高斯光，经过起偏器起偏后，由第一透镜、第二透镜组成的4f系统来扩束，使入射到空间光调制器时占满液晶屏，在空间光调制器上加载圆艾里光束的频谱信息，并通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控；经过空间光调制器调制、平面反射镜反射后，再经过第三透镜傅里叶变换之后，在焦平面得到圆艾里光束，在其自聚焦位置用电荷耦合器观测到二维位移后的自聚焦点。

进一步地，通过平移频谱来达到对圆艾里光束自聚焦点的二维平面的操控具体为：

当圆艾里光束的空域上添加倾斜相位因子使圆艾里光束产生倾斜从而实现自聚焦点的x方向移动；当添加倾斜相位因子使圆艾里光束产生倾斜从而实现自聚焦点的y方向移动；其中k_x＝a/w₀，k_y＝a/w₀，i为虚数，x为水平坐标，y为垂直坐标，w₀是光束的束宽，a为决定倾斜度的系数；控制移动频谱间接控制空域来达到添加倾斜相位因子的目的，根据傅里叶变化的平移性质，当空域加载相位项时，相应的频域变化就是平移，也就是频域平移了k_x或k_y，平移的最小尺寸也就是空间光调制器的像数大小；通过透镜焦距的不同，改变在焦平面初始圆艾里光束的倾斜角度，根据倾斜角度的不同，以及圆艾里光束在自聚焦过程中聚焦的距离不同，达到实际自聚焦点的大范围移动。

进一步地，所述激光器为Verdi12固体激光器。

进一步地，所述空间光调制器为反射式纯相位液晶空间光调制器。