CN118466015A - 一种实现轴向方向长度连续可调光针的方法 - Google Patents

Abstract

一种实现轴向方向长度连续可调光针的方法，涉及光针焦场定制技术领域。包括如下步骤：步骤1，对入射光场进行多次方的偏振调制，以实现偏振分布，并通过调整角向偏振指数产生长度连续可调光针；步骤2，由单个高数值孔径物镜建立紧聚焦光学系统；步骤3，采用Debye矢量衍射积分理论分析步骤2中所建立的紧聚焦光学系统。在本实现轴向方向长度连续可调光针的方法中，通过调整角向偏振指数产生长度连续可调光针，并通过引入紧聚焦光学系统，能够在光轴上产生具有高深宽比和能量集中度的光针分布模式，同时保持了光针模式的长度可调性。通过将入射光束进行五次偏振调制，利用高数值孔径显微物镜实现紧聚焦，从而生成横向偏振光针分布模式。

Description

一种实现轴向方向长度连续可调光针的方法

技术领域

本发明涉及光针焦场定制技术领域，具体涉及一种实现轴向方向长度连续可调光针的方法。

背景技术

光针因其独特的高深宽比和能量集中特性，在光学领域扮演着至关重要的角色。自2008年Wang等人首次提出光针概念以来，该技术已经取得了显著进展。通过利用五环带相位板实现了横向全宽半高（FWHM）为0.43λ和纵向FWHM为4λ的光针。2013年，Guo等人采用17环带相位板，并结合高阶径向偏振光束，成功将横向FWHM减小至0.41λ，同时将纵向FWHM延长至9.53λ。2020年，Zhang等人通过多焦点再融合技术和扇形相位板调制，获得了横向FWHM为0.6λ，纵向FWHM高达20.3λ的超长光针。到了2021年，He等人通过优化设计，使用不同环带数的相位板，实现了更长的纵向FWHM，但是在实验中因环带数量众多而难以实现。同年，Liu等人利用窄带光阑技术，创造了横向FWHM为0.416λ，纵向FWHM为15.6λ的光针，但是其衍射效率存在限制。2022年，Gao等人通过振幅和相位的联合调制，成功实现了长度约为10λ的光针。尽管如此，实现轴向长度连续可调的光针仍然面临诸多挑战。然而，这种连续可调的光针在多个领域，如显微成像和激光加工，具有不可比拟的优势，尤其是在获取不同深度物体信息和实现不同深度物体加工方面。

偏振，作为光波的固有光学属性之一，是描述光波电磁特性的关键参数。在三维空间中，光束的偏振模式的非均匀分布导致了复杂的矢量光场结构的形成。特别是在高数值孔径（NA）聚焦系统中，焦平面上的光场分布与入射光束的偏振状态密切相关，从而产生一系列新奇的光强度分布模式，其中“光针”模式因其独特的光场特性而显得尤为突出。在现有的横向偏振光针生成技术中，研究主要集中在利用柱矢量涡旋光束作为入射光源，并结合经过复杂优化设计的光学元件来实现。然而，这些方法往往涉及繁琐的优化过程、光束调制步骤，以及较长的计算周期。此外，调整所得针状焦场的长度也存在一定难度。针对上述挑战，本研究的发明人进行了深入的探索和研究，旨在提出一种改进的光针生成方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种实现轴向方向长度连续可调光针的方法，通过调整角向偏振指数产生长度连续可调光针，并通过引入紧聚焦光学系统，能够在光轴上产生具有高深宽比和能量集中度的光针分布模式，同时保持了光针模式的长度可调性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该实现轴向方向长度连续可调光针的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，对入射光场进行多次方的偏振调制，以实现偏振分布，并通过调整角向偏振指数产生长度连续可调光针；

步骤2，由单个高数值孔径物镜建立紧聚焦光学系统；

步骤3，采用Debye矢量衍射积分理论分析步骤2中所建立的紧聚焦光学系统。

优选的，在步骤1中，对入射光进行五次方的偏振调制。

优选的，在步骤1中，任意局域线偏振矢量光束的数学形式为：

其中，A表示光束的振幅分布函数，它描述了光束在横向平面上的强度分布，表示偏振分布函数，该偏振分布函数依赖于极径r和方位角φ，并且决定了光束的偏振状态随位置的变化，和分别是沿着x和y方向的单位矢量。

优选的，在步骤1中，入射光场的偏振分布函数表示满足如下条件：

其中，m为角向偏振指数，r为极径，φ为方位角，r ₀为束腰半径。

优选的，在步骤3中，采用Debye矢量衍射积分理论进行分析，求得焦区电场分布：

其中，k=2πn ₁/λ代表像空间中的波数，i表示虚部单位，ρ _p 、φ _p 、z _p 分别为像空间任意一点p在柱坐标系下的三维坐标，f表示高倍数值空间物镜的焦距，M _e 表示焦场内的偏振矢量，θ表示光束的会聚角，α表示θ的最大值，φ表示方位角，l ₀表示入射光场在光瞳平面处的相对振幅分布。

优选的，入射光场在光瞳平面处的相对振幅分布l ₀为：

其中，β为聚焦系统的截断参数，其数值上等于入瞳半径r和束腰半径r ₀的比值，J ₁( )表示第一类的l阶Bessel函数，θ表示光束的会聚角，α表示θ的最大值。

优选的，焦场内偏振矢量M _e 的分量形式为:

其中，θ表示光束的会聚角，φ表示方位角，函数表示为：

其中，θ表示光束的会聚角，α表示θ的最大值，φ表示方位角，m为角向偏振指数。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

在本实现轴向方向长度连续可调光针的方法中，通过调整角向偏振指数产生长度连续可调光针，并通过引入紧聚焦光学系统，能够在光轴上产生具有高深宽比和能量集中度的光针分布模式，同时保持了光针模式的长度可调性。

在本实现轴向方向长度连续可调光针的方法中，通过将入射光束进行五次偏振调制，利用高数值孔径显微物镜实现紧聚焦，从而生成横向偏振光针分布模式。这种方法简化了复杂的光束调制和系统优化过程。

通过本实现轴向方向长度连续可调光针的方法，光针产生技术适用于多种光场调控应用，包括但不限于光学微操作、激光加工、显微成像等。其连续可调的特性为这些领域提供了更多的操作自由度和精准控制能力。

附图说明

图1为实现轴向方向长度连续可调光针的方法流程图。

图2为实现轴向方向长度连续可调光针的方法紧聚焦光学系统示意图。

图3为实现轴向方向长度连续可调光针的方法紧聚焦光学系统示意图。

具体实施方式

图1~3是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~3对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种实现轴向方向长度连续可调光针的方法，包括如下步骤：

步骤1，对入射光进行调制。

对入射光场进行多次方偏振调制，在本实现轴向方向长度连续可调光针的方法中，对入射广场进行五次方偏振调制，以实现偏振分布。任意局域线偏振矢量光束的数学形式为：

其中，A表示光束的振幅分布函数，它描述了光束在横向平面上的强度分布。表示偏振分布函数，该偏振分布函数依赖于极径r和方位角φ，并且决定了光束的偏振状态随位置的变化。和分别是沿着x和y方向的单位矢量。

产生长度连续可调光针时，入射光场的偏振分布函数δ表示满足如下条件：

其中，m为角向偏振指数，r为极径，φ为方位角，r ₀为束腰半径。束腰半径r ₀在函数中起到归一化的作用，它决定了光束截面内偏振态变化的尺度，通过调整r ₀，可以控制偏振态变化的“速度”或范围。偏振分布函数中的cosφ和sinφ项表明偏振态随方位角的变化具有特定的对称性。这种对称性导致光束在不同方向上的偏振态有不同的分布。

角向偏振指数m决定了光束偏振态随方位角φ的变化频率，不同的m值会导致不同的偏振模式，从而影响光束的传播特性。

当m=0时，函数为常数，这意味着偏振态不随极径r和方位角φ变化。在这种情况下，光束是线偏振的，其偏振方向在光束截面内保持不变。对于非零的m值，偏振态会随着r和φ而变化。函数中的r/r ₀项表明偏振态的变化与光束截面内的位置有关。当r接近于r ₀时，偏振态变化最为显著。由于函数包含r的五次幂，这意味着偏振态在光束截面内的变化是高度非线性的，这意味着偏振态的变化不是平滑的，而是随着r的增加而迅速变化，从而生成复杂的偏振模式。因此在本实现轴向方向长度连续可调光针的方法中，通过改变角向偏振指数m，可以轻松调整入射光束的偏振分布，进而连续调节光针的纵向尺寸。

步骤2，建立紧聚焦光学系统。

由单个高数值孔径物镜建立紧聚焦光学系统，在本实现轴向方向长度连续可调光针的方法中，紧聚焦光学系统的数值孔径NA=0.95。如图2所示，为了准确描述和分析紧聚焦光学系统中的光束传播特性，在紧聚焦光学系统中建立了一个参考直角坐标系。坐标系的原点设在物镜的焦点处，这个点是光束传播和变换的参考中心。坐标系的z轴与物镜的光轴重合，代表了光束沿物镜轴线的传播方向。x-y平面定义为紧聚焦光学系统的焦平面，它与z轴垂直，是光束在经过物镜聚焦后形成最小光斑的平面。

步骤3，计算并分析紧聚焦光场。

经过五次方偏振调制的局域线偏振矢量光束通过入瞳面照射并汇聚。为了获得焦区的电场分布，采用Debye矢量衍射积分理论进行分析。基于该理论，可求得焦区电场分布：

其中，k=2πn ₁/λ代表像空间中的波数，i表示虚部单位，ρ _p 、φ _p 、z _p 分别为像空间任意一点p在柱坐标系下的三维坐标，f表示高倍数值空间物镜的焦距，M _e 表示焦场内的偏振矢量，θ表示光束的会聚角，α表示θ的最大值，φ表示方位角，l ₀表示入射光场在光瞳平面处的相对振幅分布：

其中，β为聚焦系统的截断参数，其数值上等于入瞳半径r和束腰半径r ₀的比值，J ₁( )表示第一类的l阶Bessel函数，θ表示光束的会聚角，α表示θ的最大值，M _e 为焦场内的偏振矢量，其分量形式为:

其中，θ表示光束的会聚角，φ表示方位角，函数表示为：

其中，θ表示光束的会聚角，α表示θ的最大值，α=arcsin(NA/n ₁)，由系统的数值孔径NA和像空间折射率n ₁共同决定。通过上述焦区电场分布的公式，可以用于分析并表征焦场的特征，包括光束的聚焦特性、偏振分布以及焦斑的形状和尺寸等。

下面通过一个实例，对上述实现轴向方向长度连续可调光针的方法进行进一步验证：

将角向偏振指数m被依次设定为0，3，10，20，35，50。观察到随着m的增加，局域线偏振矢量光束的偏振取向在焦平面内，尤其是距离几何中心较远的区域，经历了显著的变化。具体而言，这些区域中的局域偏振椭圆的偏振取向变化更为剧烈，导致了一种复杂的空间偏振模式的形成。在焦场内，这种模式表现为光针分布，其纵向尺寸随着角向偏振指数m的增加而连续增长。

为了深入探讨角向偏振指数m与光针纵向尺寸之间的连续变化趋势，在图3中进一步展示了它们之间的定量关系。结果表明，光针的纵向长度尺寸随着m的增加而呈现连续增长的趋势。通过实施例证可以看出，通过调控角向偏振指数m，可以实现轴向方向长度连续可调光针分布模式。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种实现轴向方向长度连续可调光针的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，对入射光场进行多次方的偏振调制，以实现偏振分布，并通过调整角向偏振指数产生长度连续可调光针；

步骤2，由单个高数值孔径物镜建立紧聚焦光学系统；

步骤3，采用Debye矢量衍射积分理论分析步骤2中所建立的紧聚焦光学系统。

2.根据权利要求1所述的实现轴向方向长度连续可调光针的方法，其特征在于：在步骤1中，对入射光进行五次方的偏振调制。

3.根据权利要求1所述的实现轴向方向长度连续可调光针的方法，其特征在于：在步骤1中，任意局域线偏振矢量光束的数学形式为：

其中，A表示光束的振幅分布函数，它描述了光束在横向平面上的强度分布，δ表示偏振分布函数，该偏振分布函数依赖于极径r和方位角φ，并且决定了光束的偏振状态随位置的变化，和分别是沿着x和y方向的单位矢量。

4.根据权利要求3所述的实现轴向方向长度连续可调光针的方法，其特征在于：在步骤1中，入射光场的偏振分布函数δ表示满足如下条件：

其中，m为角向偏振指数，r为极径，φ为方位角，r ₀为束腰半径。

5.根据权利要求1所述的实现轴向方向长度连续可调光针的方法，其特征在于：在步骤3中，采用Debye矢量衍射积分理论进行分析，求得焦区电场分布：

其中，k=2πn ₁/λ代表像空间中的波数，i表示虚部单位，ρ _p 、φ _p 、z _p 分别为像空间任意一点p在柱坐标系下的三维坐标，f表示高倍数值空间物镜的焦距，M _e 表示焦场内的偏振矢量，θ表示光束的会聚角，α表示θ的最大值，φ表示方位角，l ₀表示入射光场在光瞳平面处的相对振幅分布。

6.根据权利要求5所述的实现轴向方向长度连续可调光针的方法，其特征在于：入射光场在光瞳平面处的相对振幅分布l ₀为：

其中，β为聚焦系统的截断参数，其数值上等于入瞳半径r和束腰半径r ₀的比值，J ₁( )表示第一类的l阶Bessel函数，θ表示光束的会聚角，α表示θ的最大值。

7.根据权利要求5所述的实现轴向方向长度连续可调光针的方法，其特征在于：焦场内偏振矢量M _e 的分量形式为：

其中，θ表示光束的会聚角，φ表示方位角，函数表示为：

其中，θ表示光束的会聚角，α表示θ的最大值，φ表示方位角，m为角向偏振指数。