一種聚焦光斑快速收斂的光束整形調制片的制作方法

本實用新型涉及激光光束整形領域，尤其涉及了一種聚焦光斑快速收斂的光束整形調制片，利用光束的振幅調制實現聚焦光斑的快速收斂。

背景技術：

自1960年第一臺激光器問世以來，激光憑借其良好的單色性、定向性、相干性以及能量密度大等優異特點，逐漸在物理、化學、生物、材料、醫學、信息技術等眾多領域得到廣泛的應用。此后，激光技術不斷向其他領域滲透，極大的推動了其他相關學科的基礎和應用研究，如光電技術、生物醫療、材料加工、精密測量等眾多領域中均扮演著重要角色。隨著激光技術的發展，光束整形技術成為一種熱門技術，特殊形式的光束可應用于激光光學和生物醫學等領域。例如，平頂光束可應用于激光核聚變、激光熱處理等領域，局域空心光束在原子引導、原子囚禁，以及光學鑷子等方面都有廣泛的應用。因此，通過光束的偏振態、相位和振幅的空間結構設計，實現三維聚焦光場的有效調控具有重要的應用價值。

不同光束的新穎聚焦特性及探索新的聚焦整形技術一直都是光學領域的主要研究課題之一。當入射光源經過高數值孔徑透鏡聚焦時，由于光束的矢量性質發生改變，以往光束聚焦特性研究所采用的標量衍射理論不再適用，而使用Richards-Wolf矢量衍射理論研究光束的緊聚焦特性。在緊聚焦條件下，徑向偏振光會在焦點上形成很強的縱向光場；而角向偏振光則會形成純橫向的中空環形光場分布；廣義軸對稱偏振光經過透鏡緊聚焦后形成一個平頂型光場分布；圓偏振渦旋光束在緊聚焦條件下可以實現自旋角動量和軌道角動量之間的部分轉換。光束緊聚焦特性的研究吸引了大量科研工作者的關注。

為設計出特別的并具有實用價值的三維聚焦光場，人們先后嘗試了很多聚焦整形的方法。如在透鏡前加入二元衍射光學元件(DOE)對入射光束的偏振、相位和振幅等進行調制。2002年，Zhan等人通過使用偏振旋轉調制裝置對柱對稱矢量光的偏振方向進行了調制，分別獲得“尖峰”、“圓環”和“平頂型”分布的聚焦光場。2008年Wang等人利用徑向偏振貝塞爾-高斯光束結合五環形DOE相位調制器，在經過高數值孔徑透鏡緊聚焦后產生了一個焦深為4個波長的純縱向場的“光針”。此后，Lin等人通過使用振幅調制的方法產生了一個長達9個波長的光針。然而，迄今為止，仍然沒有一種聚焦光場快速收斂的光束整形裝置。

技術實現要素：

為實現激光聚焦光斑的快速收斂，本實用新型提供了一種聚焦光斑快速收斂的光束整形調制片。利用振幅調制片對入射光的振幅進行調制，使聚焦光場的光斑呈現不同的收斂特性，降低衍射條紋的旁斑強度，優化光強的衰減速度。在生物成像、生命科學等領域有著重要的應用價值。

本實用新型采用的具體技術方案是：

所述光束整形調制片為濾光片，其光強透過率分布中心對稱，其徑向的每一處光強透過率采用振幅調制函數計算獲得，光強透過率分布是由振幅調制函數繞穿過調制片圓心并且沿調制片所在平面法向的軸旋(光束整形調制片的光軸)轉獲得。

所述的振幅調制函數采用以下公式表示，如圖1所示，兩側曲線之間為等值線，振幅調制函數計算獲得的值P_θ(t)為光強透過率的設定值：

其中，t表示能量系數，t＝ρ²，ρ表示調制片極坐標的半徑，θ表示調制片極坐標的角度，x表示振幅調制函數的橫坐標(即沿調制片徑向方向的坐標)，τ_L表示調制片內側收斂系數，τ_R表示調制片外側收斂系數，f(x,τ)表示收斂函數，τ表示收斂系數，收斂系數τ代表了τ_L或者τ_R，e表示常數e。

本實用新型的光束整形調制片對入射光的振幅進行調制，改變聚焦點干涉光場的光強分布，改變聚焦光場的光斑收斂性質，降低衍射條紋的旁斑強度，優化光強的衰減特性，實現聚焦光斑的快速收斂。

所述光束整形調制片內部圓周和外部圓周的光強透過率收斂是相同或者不相同。

本實用新型采用所述的調制片放置在光路中對光束進行濾波整形獲得快速收斂的聚焦光斑。提出的振幅調制函數旁斑衰減最強，其光強透過率分布如圖2所示，由振幅調制函數生成，白色表示透過率最高，越白表示透過率越高，黑色表示透過率最低，越黑表示透過率越低。利用本實用新型的振幅調制片對光束進行振幅調制，改變聚焦光斑的收斂特性。經過該光強透過率函數調制的光束所產生的光斑快速收斂，聚焦光場的旁斑大大減小。

所述光束整形調制片應用于振幅調制共聚焦顯微鏡中。

振幅調制共聚焦顯微鏡主要包括共聚焦顯微系統和振幅調制片兩部分，將振幅調制片置于共聚焦顯微鏡的物鏡前，對激發光進行振幅調制，共聚焦顯微鏡的本來結構可保持不變，以較低的成本和技術難度顯著提高共聚焦顯微鏡深度成像的信噪比。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型用于對入射光進行振幅調制，改變光斑聚焦面的干涉光場分布，使聚焦光場的光斑呈現不同的收斂特性，降低衍射條紋的旁斑強度，優化光強的衰減速度。

本實用新型的技術方案成本很低，但非常有效，實用性強，具有很強的應用價值。

附圖說明

圖1是振幅調制函數的曲線；

圖2是振幅調制濾光片；

圖3是實施例1的振幅調制聚焦與普通聚焦的振幅點擴散函數對比圖；

圖4是實施例1的振幅調制聚焦與普通聚焦的衰減特性對比圖；

圖5是實施例1的振幅調制聚焦與普通聚焦的光斑對比圖；

圖6是實施例2的共聚焦顯微成像的振幅調制原理圖；

圖7是實施例2的振幅調制共聚焦顯微系統的軸向光強分布；

圖8是實施例2的振幅調制共聚焦顯微系統用于深度成像的光斑及衰減函數；

圖9是實施例2的共聚焦顯微系統用于深度成像的光斑、衰減函數以及軸向光強分布；

圖10振幅調制聚焦原理圖；

圖11是振幅調制函數的曲線；

圖12是振幅調制濾光片；

圖13是實施例3的振幅調制聚焦的點擴散函數；

圖14是實施例3的振幅調制聚焦的光斑對比圖。

圖中：激光器1、第一孔徑光闌2、第一物鏡3、二色鏡4、調制片5、第二物鏡6、樣品7、聚焦面8、掃描臺9、第三物鏡10、第二孔徑光闌11、探測器12。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖來詳細說明本實用新型，但本實用新型并不僅限于此。

本實用新型的實施例及其實施過程如下：

實施例1

本實施例應用于單一激光器、物鏡和探測器構成光路中，調制片置于激光器和物鏡之間。

本實施例采用其中一個典型參數，τ_L＝τ_R＝0.25，此時，振幅調制函數為FAM。

振幅調制函數如圖1所示，將圖1沿x＝0軸旋轉即可得到振幅調制濾光片(即本實用新型調制片)的透過率分布，振幅調制濾光片的光強透過率如圖2所示。

點擴散函數和未經過振幅調制的點擴散函數的對比如圖3所示，其中虛線為經過振幅調制的情況，而實線為未經過振幅調制的情況。

經過振幅調制的聚焦光斑的衰減速度明顯快于無振幅偏振片時的點擴散函數如圖4所示，其中虛線為經過振幅調制的情況，而實線為未經過振幅調制的情況。

產生的光斑如圖5所示，左圖為未經過振幅調制，右圖為經過本實用新型振幅調制后的光斑，可見此時光斑旁斑幾乎消失。

實施例2

本實施例應用到振幅調制共聚焦顯微鏡中，振幅調制共聚焦顯微鏡包括普通的共聚焦顯微系統和本實用新型調制片。振幅調制共聚焦顯微鏡由振幅調制片與普通共聚焦顯微系統組成，將振幅調制片置于共聚焦顯微鏡的聚焦物鏡前，對入射到樣品的激發光進行振幅調制。

具體如圖6所示，普通共聚焦顯微系統包括激光器1、第一孔徑光闌2、第一物鏡3、分束鏡4、第二物鏡6、樣品7、聚焦面8、掃描臺9、第三物鏡10、第二孔徑光闌11和探測器12，激光器1發出的激光依次經第一孔徑光闌2、第一物鏡3后入射到分束鏡4，經分束鏡4分為兩束光，一束光依次經第三物鏡10、第二孔徑光闌11后被探測器12接收，另一束光依次經調制片5、第二物鏡6后照射到樣品7上并在聚焦面8聚焦，樣品7置于掃描臺9上。

具體實施采用實施例1中的振幅調制函數FAM加載到調制片5上進行試驗，然后在深度顯微成像時，聚焦光斑呈現快速衰減特性，旁斑大大減小，減小了噪聲強度，提高了信噪比。

如圖7所示，樣品軸向(縱向)的激發光強度可由圖8中的光斑強度分布(左圖)和光強衰減率(右圖)相乘得到。噪聲主要由樣品表面到聚焦點之間的激發光激發造成，由圖7與未經振幅調制后的光斑分布圖9對比可以看到，成像深度為0.1mm時，振幅調制共聚焦顯微鏡的噪聲強度明顯低于普通共聚焦顯微鏡(信噪比提高6.75倍，且隨著深度增加，信噪比倍數更大)。經過模擬驗證，發現在該參數的情況下，成像深度大于66um時，振幅調制共聚焦顯微鏡的信噪比優于普通共聚焦顯微鏡，而在實際應用中，高NA的情況下，該深度閾值會更小。

共聚焦顯微鏡采用共軛焦點技術，照明針孔、探測器針孔和樣本彼此共軛。激發光束通過物鏡聚焦于樣本平面，樣本受激發射出的熒光沿成像光路聚焦在探測器針孔上，經過針孔的空間濾波作用，最大限度地抑制了焦面外的雜散光，使得只有焦點發出的熒光信號才能被光電探測器所接收，顯著提高了系統的信噪比和分辨率。共聚焦顯微鏡通過對樣品共焦平面進行逐點掃描和Z軸方向的光學層析，實現對較厚樣本的三維成像。

實施例3

本實施例應用于由激光器、物鏡和探測器構成光路中，如圖10所示。

本實施例采用一個隨機參數，τ_L＝0.2，τ_R＝0.15，此時，振幅調制函數為：

相應的振幅調制函數如圖11所示，將圖11沿x＝0軸旋轉即可得到振幅調制濾光片(即本實用新型調制片)的透過率分布，振幅調制濾光片的光強透過率如圖12所示。

該參數時的點擴散函數如圖13所示，產生的光斑如圖14所示，可見此時光斑旁斑小于未經過振幅調制的情況，大于實施例1中的典型參數的情況，但中心光斑小于實施例1中的情況。

由以上三個實施例可以看出，本發明簡單易行、成本較低，能夠大幅提高深度顯微成像的信噪比，在生物成像等領域有較高的實用價值，也可以根據不同的需要改變振幅調制函數。