阅读说明：本技术 一种新型三维中空形光场生成方法与装置 (Novel three-dimensional hollow light field generation method and device ) 是由 朱大钊 丁晨良 匡翠方 徐良 李海峰 刘旭 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型三维中空形光场调控方法和装置,属于光学工程领域。该方法使用两种旋向相反的0-2π涡旋相位板对偏振光的两个分量分别调至,在转化成圆偏光,两个分量的光干涉形成一种复杂的柱状矢量偏振光,聚焦形成新型三维中空光场。该装置,包括起偏器、半波片、滤波透镜、滤波小孔、准直透镜、第一锥透镜、第二锥透镜、DMD、SLM,第一1/4波片、反射镜和第二1/4波片。相对于传统的方法产生更高质量的3D HLF,并且利用SLM的偏振选择特性,可以采用单路光形成3D HLF且不产生相干缺陷。本发明采用SLM调控光束可以同时实现像差优化,采用环形光束可以挡掉中心低频部分进一步提高光束质量。(The invention discloses a novel three-dimensional hollow light field regulation and control method and device, and belongs to the field of optical engineering. The method uses two 0-2 pi vortex phase plates with opposite rotation directions to adjust two components of polarized light respectively, and after the two components are converted into circular polarized light, the light of the two components interferes to form a complex columnar vector polarized light, and a novel three-dimensional hollow light field is formed by focusing. The device comprises a polarizer, a half-wave plate, a filter lens, a filter pore, a collimating lens, a first cone lens, a second cone lens, a DMD (digital micromirror device), an SLM (Selective laser modulation), a first 1/4 wave plate, a reflecting mirror and a second 1/4 wave plate. Compared with the traditional method, the method can generate the 3D HLF with higher quality, and the single-path light can be adopted to form the 3D HLF without generating coherent defects by utilizing the polarization selection characteristic of the SLM. The invention adopts the SLM to regulate and control the light beam to simultaneously realize aberration optimization, and adopts the annular light beam to block the central low-frequency part so as to further improve the light beam quality.)

一种新型三维中空形光场生成方法与装置

技术领域

本发明属于光学工程领域，特别涉及一种新型三维中空光场生成装置。

背景技术

三维中空形光场（3D Hollow Light Field，以下简称“3D HLF”）是一种中心区域光场为零或强度较低而外围被高强度光场包围的聚焦光场。这种3D HLF在诸多领域中有着极为广泛的应用，如光学测量、激光加工制造、光学成像、光学跟踪等。特别是近年来提出的PPI激光直写技术，该技术是一项用于提升传统激光打印装置分辨率的技术，其利用另一束光形成空心光斑，抑制用于激光直写的实心光斑的作用区域，进而获得更高的特征尺寸，提高打印分辨率。此外，在光学超分辨技术中，基于点扫描成像系统的STED技术（stimulatedemision depletion）和FED技术（fluorescence emission difference）都用到了中空形光场。STED技术通过空心光场抑制荧光发光区域，减小系统点扩散函数（PSF），进而提升分辨率。而FED技术通过二次成像，在时空上等效的缩小系统的PSF，实现最终图像对比度和分辨率的提升。可以看出，虽然两种技术的原理不同，但是中空形光场是制约两者成像质量的关键因素。

当前3D HLF虽然得到广泛应用，技术方案逐渐成熟，但无法解决采用单路连续光产生3D HLF与光束相干引入缺陷的矛盾问题。本发明基于偏振原理，提出了一种产生新型3D HLF的装置，在一定程度上解决了上述问题，并可获得更高质量的3D HLF。

发明内容

本发明的目的是一种新型3D HLF生成方法。利用该方法，可以在单束光条件下产生高质量、无相干缺陷的3D HLF，可用于进一步提升双光子激光打印装置的分辨率和精度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种新型三维中空形光场生成装置，沿光路依次包括：起偏器、1/2半波片、滤波透镜、滤波小孔、准直透镜、第一锥透镜、第二锥透镜、DMD、SLM、第一1/4波片、反射镜和第二1/4波片，光束进入该装置后，经起偏器转化为线偏光，线偏光经过所述1/2波片之后光束由滤波透镜汇聚，在滤波透镜的焦面上设置滤波小孔，经过滤波小孔后的光束被准直透镜再次准直为平行光；

准直之后的平行光依次经过第一锥透镜和第二锥透镜，入射到DMD，光束被DMD反射至SLM左半屏幕上，再被反射至所述反射镜，被反射镜反射后入射到SLM右半屏幕上，光束在SLM和反射镜之间两次经过第一1/4波片，从SLM右半屏幕出射光束经过第二1/4波片。

进一步的，通过旋转1/2波片使s分量和p分量能量相同。

进一步的，所述滤波小孔用于滤除边缘杂散光，提高光束质量。

进一步的，所述第一锥透镜和第二锥透镜组成透镜组，用于调制光束能量分布，使其截面能量分布为环形。

进一步的，所述SLM左右半屏加载不同的相位图，左侧加载涡旋相位，右侧加载一个起始点随半径变化且旋向相反的涡旋相位。

进一步的，s光和p光被第二1/4波片12转化为旋向相反的圆偏光，并相干叠加，形成复杂偏振态分布的光束，该光束被聚焦后形成的3D HLF。

一种新型三维中空形光场生成方法，包括如下步骤：

步骤一、激光器发出的激光准直为平行光束；

步骤二、将光束通过4f系统，在4f系统焦面处放置一小孔，进行小孔滤波，得到高质量高斯光束；

步骤三、将得到高斯光束通过一组锥透镜对，所述锥透镜对由两个方向相反的锥透镜组成，用于形成环形光束；

步骤四、使用光阑滤除光束边缘杂散光；

步骤五、将平行光束经过起偏器，转化为线偏光；同时旋转起偏器使通过起偏器的能量最大；线偏光正交分解为两个分量，p偏振光和s偏振光；

步骤六、采用0-2π涡旋相位掩膜对p分量进行相位调制，使其带有涡旋波前相位；

步骤七、采用另一起始点随半径变化且旋向相反的涡旋相位掩膜对s分量进行调制；

步骤八、将光束通过1/4波片后聚焦，得到3D HLF。

本发明的有益效果：本发明相对于传统的方法产生更高质量的3DHLF，并且可以采用单路光形成3D HLF且不产生相干缺陷。本发明提出的装置采用SLM调控光束可以同时实现像差优化，采用环形光束可以挡掉中心低频部分进一步提高光束质量。

附图说明

图1为本发明的3D HLF产生方法原理示意图。

图2为本发明提出一种新型3D HLF生成装置结构示意图。

图3a和图3b分别为传统方法产生的3D HLF与本发明提出的方法产生的3D HLF图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的基本原理如下：

入射光束被分解为两个正交分量，s分量和p分量。采用0-2π涡旋相位掩膜对p分量进行调控，采用另一涡旋相位掩膜对s分量进行调控，用于调控s光的0-2π涡旋相位掩膜在不同半径上0相位起始点不同，同时旋向与调控p分量的涡旋相位掩膜的涡旋方向相反。调控后的光束进行合束，经过同一1/4波片转化为旋向相反的圆偏光，两束光干涉，形成复杂偏振态的柱状矢量偏振光。将该光束聚焦，即可得到所需的3D HLF。

如图2所示，本发明的一种产生3D HLF的装置，沿光路依次包括：起偏器1、1/2波片2、滤波透镜3、滤波小孔4、准直透镜5、第一锥透镜6、第二锥透镜7、DMD（数字微镜器件）8、SLM（空间光调制器）9、第一1/4波片10、反射镜11和第二1/4波片12。光束进入该装置后，经起偏器1转化为线偏光，线偏光经过所述1/2波片2之后光束由滤波透镜3汇聚，在滤波透镜3的焦面上设置滤波小孔4，经过滤波小孔4后的光束被准直透镜5再次准直为平行光。准直之后的平行光依次经过第一锥透镜6和第二锥透镜7，入射到DMD 8。光束被DMD 8反射至SLM 9左半屏幕上，再被反射至所述反射镜11，被反射镜11反射后入射到SLM 9右半屏幕上，光束在SLM 9和反射镜11之间两次经过第一1/4波片10，从SLM 9右半屏幕出射光束经过第二1/4波片12。

其中，1/2波片2用来旋转偏振方向。线偏光可以被分成两个正交的分量s分量和p分量，旋转1/2波片2可以调整两个分量的能量比。理论上使两个分量能量相同。

其中，滤波小孔4用于滤除边缘杂散光，提高光束质量。

其中，第一锥透镜6和第二锥透镜7组成透镜组，用于调制光束能量分布，使其截面能量分布为环形。

其中，DMD 8用于进一步对光束能量整形，使环形光束能量分布更加均匀。

其中，SLM 9左右半屏加载不同的相位图，左侧加载涡旋相位，右侧加载一个起始点随半径变化且旋向相反的涡旋相位。由于SLM器件具有偏振选择性，这里假如只对s光响应。光束入射到SLM 9左半屏时，只有s光被涡旋相位调制。两次经过第一1/4波片10，旋向旋转90度，s光和p光互换。当光束入射到右半屏时，之前为被调制的p光变为s光，被右半屏上的相位掩膜调制。

进一步的，s光和p光被第二1/4波片12转化为旋向相反的圆偏光，并相干叠加，形成一个复杂偏振态分布的光束，该光束被聚焦后形成所需的3D HLF。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。