一种利用涡旋光束实现光束紧聚焦的方法

摘要

一种利用涡旋光束实现光束紧聚焦的方法，本发明涉及光束紧聚焦的方法。本发明是要解决现有技术中光学系统孔径受到设备体积的限制，无法获得优于瑞利衍射极限的聚焦效果的问题，而提出的一种利用涡旋光束实现光束紧聚焦的方法。该方法是通过一、使用方位偏振光入射到螺旋相位板；二、利用螺旋相位板对方位偏振光的相位按角向方位在0～2π的区间内进行线性调制，从而完成空间相位编码形成涡旋光束；三、令已知相位编码的涡旋光束通过高数值孔径聚焦透镜，形成优于瑞利衍射极限的聚焦光斑等步骤实现的。本发明适用于光束紧聚焦领域和超分辨成像领域。

主权项

一种利用涡旋光束实现光束紧聚焦的方法，其特征在于，所述利用涡旋光束实现光束紧聚焦的装置具体包括方位偏振光片、0～2π的螺旋相位板和高数值口径聚焦透镜，该方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、令方位偏振光入射到螺旋相位板；步骤二、利用螺旋相位板对方位偏振光的相位按角向方位在0～2π的区间内进行线性调制，从而完成空间相位编码形成涡旋光束；步骤三、令已知相位编码的涡旋光束通过孔径聚焦透镜，形成优于瑞利衍射极限的聚焦光斑；所述将涡旋光束入射到孔径聚焦透镜上的电矢量分布有：其中，θ为光束与光轴之间的夹角；A₂为包含透镜的特征信息的函数；k是波矢，n为折射率；为极角坐标；r₂为经过透镜后的光束径向坐标；为经过透镜后的光束极角坐标；z₂为传播方向的坐标；NA为透镜数值孔径；n为透镜折射率；A₁为光束振幅项；i为虚部单位；以光轴为z轴，任意两个方向为x和y轴建立坐标系；p_x，p_y，p_z分别是x、y和z轴三个方向上的偏振基矢量；孔径聚焦透镜NA>1；将式(2)的积分化简得到：式中，为光束相位，V₁＝J_m‑1(krsinθ)+J_m+1(krsinθ)V₂＝J_m‑1(krsinθ)‑J_m+1(krsinθ)V₁和V₂为中间变量；Ω为第一个是立体角；J_m+1为m+1阶贝塞尔高斯函数；m为涡旋光的拓扑数；A为积分常数；r为径向坐标。