具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

参照图1，本发明实施例还提供了一种基于DMD生成多参量可调光场的方法，包括：

S1、发射飞秒激光光束；

S2、对所述飞秒激光光束进行扩束和准直处理，确定扩束和准直后的激光光束；

S3、对所述扩束和准直后的激光光束进行滤波处理，确定第一滤波激光光束；

S4、对所述第一滤波激光光束进行色散补偿处理，确定色散补偿后的激光光束；

S5、结合目标光场的复振幅表达式以及二元全息算法，确定所述目标光场的二元全息图；

S6、将所述二元全息图加载到DMD，通过DMD对所述色散补偿后的激光光束进行波前调制，确定调制后的激光光束；

S7、对所述调制后的激光光束进行滤波处理，滤除零级衍射光和负一级衍射光，确定一级衍射光通过；

S8、对所述一级衍射光进行聚焦处理，生成多参量可调阵列光场，其中，所述多参量可调阵列光场中每个聚焦光斑的空间三维、功率剂量以及拓扑荷数都是独立可调的。

进一步作为优选的实施方式，上述步骤S3中，所述对所述第一滤波激光光束进行色散补偿处理，确定色散补偿后的激光光束，包括：

通过闪耀光栅反射所述第一滤波激光光束，准直出射所述第一滤波激光光束的衍射光，所述衍射光用于表征带有恒定的角色散的一级衍射光；

根据DMD的入射角大小，确定DMD的角色散值；

根据衍射光角色散，确定闪耀光栅的角色散值；

根据所述闪耀光栅的角色散值以及DMD的角色散值计算透镜焦距，确定透镜组；

所述衍射光通过所述透镜组，确定色散补偿后的激光光束。

其中，由于飞秒激光是宽带光，在经过DMD时会产生严重的色散，聚焦之后的光斑会展宽为长条形光束，造成分辨率的恶化。因此，将扩束后的飞秒激光照射到闪耀光栅上，使用闪耀光栅对DMD的二维网格结构所引起的固有色散进行补偿，通过透镜组对闪耀光栅的色散进行缩放处理，与DMD的色散相匹配。

在光路系统中，DMD是45°放置，其等效像素尺寸d_SMD为：

其中，d代表DMD的实际像素尺寸，d_DMD代表DMD的等效像素尺寸。

由于DMD的偏转角度为±12°，那么DMD可以作为闪耀角为12°，周期为7.636μm的闪耀光栅。当入射角为24°时，衍射角为0°，出射光的传播方向垂直于DMD面板，此时衍射效率最高。基于光栅方程，需要满足闪耀条件：

mλ＝2d_DMDsin(γ_DMD)cos(i_DMD-γ_DMD)；

其中，m代表闪耀光栅的闪耀级次，λ代表激光器输出波长，d_DMD代表DMD的等效像素尺寸，γ_DMD代表DMD的闪耀角，i_DMD代表DMD的入射角。

计算得到λ＝515nm，m＝6；

根据公式计算DMD的角色散值为：

其中，D_DMD代表DMD的角色散值，θ_DMD代表DMD的衍射角大小，m代表闪耀光栅的闪耀级次。

在本发明实施例中，使用每毫米线数为1200条的闪耀光栅，其光栅周期为0.83μm；令光栅入射角为47°，可计算出闪耀光栅的角色散值为：

其中，D_G代表闪耀光栅的角色散值，d_G代表闪耀光栅周期，θ_G代表闪耀光栅衍射角大小，m代表闪耀光栅的闪耀级次。

根据所述闪耀光栅的角色散值以及DMD的角色散值计算透镜焦距，使其满足：

其中，f_L2表示闪耀光栅和DMD之间的透镜组的第二个透镜的焦距大小，f_L1表示闪耀光栅和DMD之间的透镜组的第一个透镜的焦距大小，D_G代表闪耀光栅的角色散值，D_D代表DMD的角色散值。

根据透镜焦距的大小设定，确定透镜；通过闪耀光栅以及透镜，对DMD产生的色散进行补偿。

进一步作为优选的实施方式，上述步骤S5中，所述结合目标光场的复振幅表达式以及二元全息算法，确定所述目标光场的二元全息图，包括：

通过目标光场的焦点在焦平面上移动至物镜入瞳面，确定相位表达式；

对所述相位表达式中的相位项叠加球面波相位以及涡旋相位，确定目标光场的复振幅表达式；

结合所述复振幅表达式以及二元全息算法，确定目标光场的二元全息图。

其中，DMD微镜只有“0”和“1”两种状态，利用二元全息算法控制方程，通过推导出目标光场的复振幅表达式，可以计算出加载到DMD上的二元全息图，实现光场的实时调控，其中，目标光场为根据本实施例生成的多参量可调阵列光场。将焦点在焦平面上移动位置与物镜入瞳面相结合，通过以下过程推导焦点在焦平面上位置变化的相位表达式。

从最基本的平面波表达式出发：

其中，代表平面波的复振幅，B代表振幅项系数，exp代表指数函数，i代表虚数因子，代表波矢，代表平面波传播矢量，k_x，k_y，k_z分别代表波矢在空间三维的分量，x，y，z分别代表焦点在三维空间中的坐标位置。

若焦点仅沿x一维方向上移动Δx的位移量，则有：

其中，θ是入射光与透镜光轴的夹角,Δx代表焦点在焦平面沿x方向上的移动距离，f代表物镜的焦距，代表波矢，k_x代表波矢在x一维方向上的分量，x代表焦点在三维空间中的横坐标位置。

由于入射光与透镜光轴的夹角很小，所以tanθ≈sinθ；

可以得到

其中，代表平面波的复振幅，B代表振幅项系数，exp代表指数函数，i代表虚数因子，代表波矢，Δx代表焦点在焦平面沿x方向上的移动距离，f代表物镜的焦距，x代表三维空间中的焦点的横坐标位置。

根据上式可以得到焦点在二维空间移动复振幅表达式为：

其中，代表平面波的复振幅，B代表振幅项系数，exp代表指数函数，i代表虚数因子，代表波矢，Δx代表焦点在焦平面沿x方向上的移动距离，f代表物镜的焦距，x代表三维空间中的焦点的横坐标位置，Δy代表焦点在焦平面沿y方向上的移动距离，y代表三维空间中的焦点的纵坐标位置。

得到焦点在焦平面空间上位置移动的目标光场复振幅：

其中，代表平面波的复振幅，B代表振幅项系数，exp代表指数函数，i代表虚数因子，代表波矢，λ代表从激光器出射的激光波长，Δx代表焦点在焦平面沿x方向上的移动距离，f代表物镜的焦距，x代表三维空间中的焦点的横坐标位置，Δy代表焦点在焦平面沿y方向上的移动距离，y代表三维空间中的焦点的纵坐标位置。

参照图3、图4以及图5，根据上述目标光场的复振幅，在高NA物镜聚焦下，基于德拜矢量衍射积分计算，得到单焦点在空间三维的仿真结果。其中，图3中301表示焦点沿xoy平面一维移动的平面场强分布，302表示焦点沿xoy平面一维移动的二元相位图；图4中401表示焦点沿xoy平面二维移动的平面场强分布，402表示焦点沿xoy平面二维移动的二元相位图；图5中501表示焦点沿xoz平面三维移动的平面场强分布，502表示焦点沿xoy平面三维移动的二元相位图。又仿真结果可以得出，本发明实施例能够很好地操作激光焦点在空间三维位置的任意扫描。

根据上述目标光场的复振幅公式，可以推导出多焦点在空间三维的扫描，可以得到多焦点目标光场复振幅公式：

其中，n代表正整数，k代表聚焦光斑个数，代表平面波的复振幅，B_k代表第k个聚焦光斑的振幅项系数，exp代表指数函数，i代表虚数因子，代表波矢，λ代表从激光器出射的激光波长，Δx代表焦点在焦平面沿x方向上的移动距离，f代表物镜的焦距，x代表三维空间中的焦点的横坐标位置，Δy代表焦点在焦平面沿y方向上的移动距离，y代表三维空间中的焦点的纵坐标位置。

参照图6，图6中601表示空间三维多焦点场强分布，602表示对应的二元相位图。参照图7以及图8，其中，图7中701为振幅项系数为B1＝1，B2＝1，B3＝1下的仿真计算结果，702为对应的二元全息图；图8中801为振幅项因子为B1＝0.4，B2＝0.6，B3＝0.8下的仿真计算结果，802为对应的二元全息图；由仿真结果可以得出，本发明实施例能够很好的在焦点阵列中单独控制每个焦点的功率剂量。

对所述目标光场复振幅进行相位叠加，给每个复振幅中的相位项叠加球面波相位和涡旋相位，得到最终的目标光场的复振幅表达式：

其中，n代表正整数，k代表聚焦光斑个数，代表平面波的复振幅，B_k代表第k个聚焦光斑的振幅项系数，exp代表指数函数，i代表虚数因子，代表波矢，λ代表从激光器出射的激光波长，代表物镜的焦距，x代表三维空间中的焦点的横坐标位置，Δx_k代表第k个聚焦光斑在x方向偏移中心位置的位移量，y代表三维空间中的焦点的纵坐标位置，Δy_k代表第k个聚焦光斑在y方向偏移中心位置的位移量，代表第k个聚焦光斑在z方向偏移中心位置所叠加球面波相位，代表第k个聚焦光斑叠加不同拓扑荷数对的涡旋相位。

参照图9、图10以及图11，其中，图9中901表示拓扑荷为1的单个涡旋焦点沿三维方向移动场强分布，902表示为对应的二元相位图；图10中1001表示拓扑荷为1的涡旋光阵列沿三维方向移动场强分布，1002表示为对应的二元相位图；图11中1101表示为拓扑荷分别为0、1、3的涡旋阵列光场强分布，1102表示为对应的二元相位图。

二元全息图的算法如下：

其中，A(x,y)是目标光场的振幅项，且A(x,y)∈[0,1]，是目标光场的相位，T是二元相位图对应的光栅周期，k是常数，x和y为直角坐标分量，h(i,j)∈{0,1}代表DMD上第i行，第j列的像素值。

结合所述复振幅表达式以及二元全息算法，得到目标光场的二元全息图。

进一步作为优选的实施方式，上述步骤S6中，所述将所述二元全息图加载到DMD，通过DMD对所述色散补偿后的激光光束进行波前调制，确定调制后的激光光束，包括：

根据所述二元全息图的像素值，控制所述DMD每个像素上微镜的翻转；

所述色散补偿后的激光光束通过所述DMD，确定调制后的激光光束。

其中，加载二元全息图到DMD，根据二元全息图的像素值控制DMD每个像素上微镜的翻转，当像素值为0时，该像素上的微镜翻转-12°，当像素值为1时，该像素上的微镜翻转+12°，以实现对入射光的波前调制。

参照图2，本发明实施例提供一种基于DMD生成多参量可调光场的装置，包括脉冲激光器1，沿所述脉冲激光器的输出光方向依次是第一透镜组2、第一空间滤波器3、闪耀光栅4、第二透镜组5、第一反射镜6、数字微镜阵列7、第二反射镜8、第三透镜组9、第二空间滤波器10以及物镜13，所述第一空间滤波器3放置在所述第一透镜组2中前透镜的焦平面位置；

其中，所述脉冲激光器，用于发射飞秒激光光束，所述飞秒激光光束通过所述第一透镜组以及第一空间滤波器，照射至所述闪耀光栅；

所述第一透镜组，用于对所述飞秒激光光束进行扩束和准直；

所述第一空间滤波器，用于对所述飞秒激光光束进行滤波；

所述闪耀光栅，用于对所述飞秒激光光束生成正向色散，所述飞秒激光光束通过所述第二透镜组以及第一反射镜，反射至所述数字微镜列阵；

所述第二透镜组，用于对所述飞秒激光光束进行色散补偿；

所述数字微镜列阵，用于对所述飞秒激光光束进行波前调制，所述飞秒激光光束通过所述第二反射镜、第三透镜组以及第二空间滤波器，反射至所述物镜；

所述第三透镜组，用于将所述飞秒激光光束传递到所述物镜入瞳前；

所述第二空间滤波器，用于过滤所述飞秒激光光束的衍射光；

所述物镜，用于聚焦所述飞秒激光光束，生成多参量可调光场。

其中，脉冲激光器发出飞秒激光光束经过第一透镜组和第一空间滤波器，第一空间滤波器放置在第一透镜组中前透镜的焦平面位置，出射光以恒定角度照射到闪耀光栅上；闪耀光栅产生一级衍射光通过第二透镜组且由第一反射镜将激光光束反射到数字微镜阵列DMD上，出射的激光经过第二反射镜将激光反射到第三透镜组；激光光束依次通过第三透镜组的前透镜、第二空间滤波器、第三透镜组的后透镜、半反半透镜和物镜。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，还包括半反半透镜11、凸透镜12以及CCD相机15，所述CCD相机15放置在所述凸透镜12焦平面上；

其中，所述半反半透镜，用于反射一部分激光光束；

所述凸透镜，用于聚焦反射光；

所述CCD相机，用于收集反射光信息。

参照图2，半反半透镜11将一部分激光光束透射至物镜13，将一部分激光光束通过凸透镜12反射至CCD相机15，凸透镜12用于聚焦反射光，CCD相机15用于收集反射光信息。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，还包括位移台14；

其中，所述位移台14，用于控制样品的三维移动。

进一步作为优选的实施方式，所述闪耀光栅的闪耀波长为500nm，光栅周期为1200线/mm。

进一步作为优选的实施方式，所述数字微镜列阵的分辨率为1080p，微镜间距为10.8μm。

与上述的方法相对应，本发明实施例还提供了一种系统，包括处理器以及存储器；所述存储器用于存储程序；所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。

与上述的方法相对应，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。

本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的方法。

综上所述，本发明实施例具有以下优点：

(1)本发明实施例通过闪耀光栅以及对透镜焦距的限制，能够对系统装置的色散进行定量计算，对DMD的色散进行补偿，能够提高焦点的分辨率；

(2)本发明实施例通过将二元全息图加载到DMD，能够对阵列光场中每个焦点的三维空间位置、功率剂量、拓扑荷数进行调节，结合DMD超高的刷新速率，能够实现一种超高速的光场调控技术，具有低成本，高效率，简单适用的优点。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-On ly Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。