一种三维空心光斑生成方法和装置

摘要

本发明公开了一种三维空心光斑生成方法和装置。该装置包括激光器、单模光纤和准直透镜、第一偏振分光棱镜、若干光线折转组件、两相位调制器、第二偏振分光棱镜、1/4波片、显微物镜、样品面和介质膜反射镜。该方法包括：分别对垂直线偏振光和平行线偏振光进行不同的相位调制，将调制后两光束合束后经同一1/4波片转换为两圆偏振光，再经显微物镜投射后透过样品面并被介质膜反射镜反射，入射到样品面的反射光线和投射光线发生干涉，分别形成横向和轴向空心光斑，两者光强叠加形成三维空心光斑，其横向尺寸可为0.56个波长，轴向尺寸可为0.44个波长。本发明可应用于受激发射损耗显微镜等超分辨显微设备中实现三维超分辨显微。

主权项

1.一种三维空心光斑生成方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）激光光束准直后经第一偏振分光棱镜分解为第一垂直线偏振光和第一平行线偏振光；所述第一垂直线偏振光的光路和第一平行线偏振光的光路互相垂直；（2）将所述第一垂直线偏振光进行第一光线折转后，入射到第一相位调制器进行第一相位调制，得到第一调制光束；所述第一调制光束经第二光线折转后，垂直入射到第二偏振分光棱镜并被全部反射，得到第一工作光束；将所述第一平行线偏振光进行第三光线折转后，入射到第二相位调制器上进行第二相位调制，得到第二调制光束；所述第二调制光束垂直入射到第二偏振分光棱镜并被全部透射，得到第二工作光束；所述第二工作光束的光路和所述第一工作光束的光路重合；（3）将所述第一工作光束通过1/4波片转换成第一圆偏振光，其旋转方向为右旋；所述第一圆偏振光通过显微物镜之后，作为第一投射光束投射到样品面上，所述第一投射光束透过所述样品面后，入射到位于所述显微物镜的焦平面处的介质膜反射镜并被反射，得到第一反射光束，所述第一反射光束与所述第一投射光束在所述介质膜反射镜的反射面上的相位差为π的偶数倍；所述第一反射光束投射到所述样品面上，与所述第一投射光束进行干涉，形成轴向空心光斑；将所述第二工作光束通过1/4波片转换成第二圆偏振光，其旋转方向为左旋；所述第二圆偏振光通过所述显微物镜之后，作为第二投射光束投射到所述样品面上，所述第二投射光束透过所述样品面后，入射到所述介质膜反射镜并被反射，得到第二反射光束，所述第二反射光束与所述第二投射光束在所述介质膜反射镜的反射面上的相位差为π的偶数倍；所述第二反射光束投射到所述样品面上，与所述第二投射光束进行干涉，形成横向空心光斑；（4）所述轴向空心光斑和所述横向空心光斑在所述样品面处光强叠加，形成三维空心光斑；其中，所述第一相位调制器进行第一相位调制所采取的第一相位调制函数为：所述第二相位调制器进行第二相位调制所采取的第二相位调制函数为：其中，ρ为光束上某点与光轴的距离，为光束垂直光轴剖面内位置极坐标矢量与x轴的夹角，z₀为所述介质膜反射镜与所述样品面之间的距离，k₀为激光光束的波数，θ为入射光束的孔径角，sign为符号函数。