一种单物镜成亚波长近球形焦点的系统及方法

技术领域

本发明属于矢量衍射聚焦领域，更具体地，涉及一种单物镜成亚波长近球形焦点的系统及方法。

背景技术

光学焦点领域的研究有着极其重要的意义，因为在包括高分辨率成像、激光直接写入、光刻、数据存储、自旋轨道相互作用和自旋方向耦合、各种粒子捕获和操纵在内的各种学科中使用光束时，焦点区域的空间强度，相位和偏振分布起着不可或缺的作用。矢量光束在紧密聚焦之后能产生比标量光束聚焦更小的光斑，并且焦斑的大小与聚焦透镜的数值孔径和入射光束的波长有关，数值孔径越大，产生的焦斑越小。当光束经过大数值孔径透镜聚焦时，近轴近似不再成立，应用矢量Debye衍射理论进行分析。研究表明，光束的偏振特性对紧密聚焦光斑大小和形状有影响。

现有常用矢量光束聚焦系统如图1所示，该系统中采用两个高数值孔径物镜来将光束聚焦于同一点，两边相对传输的横向聚焦光束的相位差为π，因此两侧光束的相干作用可以增强光场的纵向分量，形成更小的聚焦光斑。应用矢量衍射理论进行分析，可以在焦点得到一个纵向分量较强的聚焦光斑。但这种系统存在一定的局限性，系统采用的两个完全相同的高数值孔径物镜，放置于光轴上关于焦点完全对称的位置，从左右输入的两束光需要分别对准两个物镜，因此需要精细调整双物镜位置和双光路对准两个物镜才能获取更小的焦斑，同时，存在分辨率不高、焦斑形状不一的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单物镜成亚波长近球形焦点的系统及方法，旨在解决现有系统操作复杂、分辨率不高、焦斑形状不一的问题，实现了将光功率限制在亚波长近球形焦点内，在保持系统简单的情况下提高焦斑的分辨率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种单物镜成亚波长近球形焦点的系统，包括：三维偏振的偶极子天线组、非球面物镜和反射光学元件；

其中，所述反射光学元件位于非球面物镜的焦平面，所述偶极子天线组经反射光学元件成像形成虚偶极子天线组；

所述偶极子天线组位于非球面物镜与反射光学元件之间，；所述偶极子天线组的辐射场与虚偶极子天线组的辐射场在非球面物镜的波前曲面相干结合，形成波前辐射场；

所述非球面物镜将波前辐射场聚焦，在偶极子天线组处和虚偶极子天线组处各形成一个焦点；所述反射光学元件将位于虚偶极子天线组处的焦点反射到偶极子天线组处，并与位于偶极子天线组处的焦点进行相长干涉，得到亚波长近球形焦点。

优选地，所述反射光学元件为平面镜或凹面镜；所述非球面物镜为高数值孔径非球面物镜。

优选地，若所述反射光学元件为平面镜，则所述偶极子天线组的辐射场与波前曲面的曲率半径满足以下关系：

其中，

优选地，所述波前辐射场与偶极子天线组的辐射场满足以下关系：

其中，t

优选地，所述高数值孔径非球面物镜的光瞳平面的输入光场与波前辐射场满足以下关系：

其中，(r

优选地，所述亚波长近球形焦点附近的光场与波前辐射场满足以下关系：

其中，(r

按照本发明的另一方面，提供了一种单物镜成亚波长近球形焦点的方法，包括：

S1：三维偏振的偶极子天线组发出的辐射场与虚偶极子天线组发出的辐场相干结合，形成波前辐射场；其中，所述虚偶极子天线组为偶极子天线组经反射光学元件成像形成；

S2：将波前辐射场聚焦，在偶极子天线组处和虚偶极子天线组处各形成一个焦点；

S3：所述反射光学元件将位于虚偶极子天线组处的焦点反射到偶极子天线组处，并与位于偶极子天线组处的焦点进行相长干涉，得到亚波长近球形焦点。

优选地，所述虚偶极子天线组为偶极子天线组经反射成像形成，包括：

所述虚偶极子天线组为偶极子天线组经平面镜反射成像形成；

则所述偶极子天线组的辐射场的计算公式为：

其中，

优选地，所述波前辐射场的计算公式为：

其中，t

优选地，所述亚波长近球形焦点附近的光场的计算公式为：

其中，(r

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点：

1、利用反射光学元件代替现有矢量光束聚焦系统中的其中一个物镜，在物镜的焦平面放置反射光学元件，采用偶极子天线组产生任意偏振的入射光束，将三个正交的偶极子天线放置在光学元件一侧，由反射光学元件的反射原理，在光轴特定位置成一组一样的偶极子天线虚像，两组偶极子天线的辐射场在非球面物镜的波前曲面相干结合形成波前辐射场，非球面物镜对两组偶极子天线到达球面波前的辐射场进行矢量聚焦，将波前辐射场聚焦回到焦点附近形成两个焦点，通过反射光学元件将一个焦点反射到另一个焦点上进行相长干涉，得到亚波长近球形焦点，从而将光功率限制在亚波长近球形焦点内，在保持系统简单的情况下提高了焦斑的分辨率。

2、与现有矢量光束聚焦系统相比，仅需要单个物镜即可将具有任意三维偏振状态的输入光束的光功率限制在亚波长球形体积内；采用的光学元件少，光学系统尺寸小，系统结构更简单；不需要对物镜和光路的精细调控，从而降低了物镜和光路的调整难度；减小了聚焦光斑的尺寸，可实现更高分辨率的聚焦。

3、进一步地，结合偶极子辐射理论和矢量衍射理论的时间反转方法，通过单个物镜实现衍射极限聚焦，将具有任意三维偏振状态的输入光束的光功率限制在亚波长球形体积内，生成具有任意三维偏振的亚波长近球形焦点。在高密度数据存储，激光微加工，单分子成像，尖端增强拉曼光谱，自旋方向耦合，以及各向异性粒子的捕获和处理等领域都有着极其重要的研究和应用价值。

附图说明

图1是现有技术中矢量光束聚焦的4π聚焦系统；

图2是本发明实施例提供的单物镜成亚波长近球形焦点的系统的结构示意图之一；

图3是本发明实施例提供的单物镜成亚波长近球形焦点的系统的结构示意图之二；

图4是本发明实施例提供的亚波长近球形焦点的结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供了一种单物镜成亚波长近球形焦点的系统，包括：三维偏振的偶极子天线组、非球面物镜和反射光学元件。

具体地，任意三维偏振的偶极子天线组包括三个正交的偶极子天线。

所述非球面物镜为高数值孔径非球面物镜，所述高数值孔径非球面物镜的数值孔径NA＝1。

所述反射光学元件可以为任意一种带有反射系数的光学元件，可以为各种形状和材料的基板，本领域技术人员可以根据反射系数与反射角度进行选择。

图2为本发明实施例提供的单物镜成亚波长近球形焦点的系统的结构示意图，如图2所示，反射光学元件为平面镜，所述非球面物镜为高数值孔径非球面物镜，任意三维偏振的偶极子天线组(Dx

其中，所述反射光学元件位于非球面物镜的焦平面，所述偶极子天线组经反射光学元件成像形成虚偶极子天线组。

具体地，平面镜位于高数值孔径非球面物镜的焦平面，平面镜将位于(0,0,-z

所述偶极子天线组位于高数值孔径非球面物镜与反射光学元件之间，且所述偶极子天线组与反射光学元件之间的距离为n个波长，n为大于零的实数；所述偶极子天线组的辐射场与虚偶极子天线组的辐射场在非球面物镜的波前曲面相干结合，形成波前辐射场。

具体地，位于(0,0,-z

所述非球面物镜将波前辐射场聚焦至焦点附近的光场，在偶极子天线组处和虚偶极子天线组处各形成一个焦点；所述反射光学元件将位于虚偶极子天线组处的焦点反射到偶极子天线组处，并与位于偶极子天线组处的焦点进行相长干涉，得到亚波长近球形焦点。

具体地，所述焦点附近光场以偶极子天线组入射波束的波长为量级进行划分。例如：以2个偶极子天线组入射波束的波长范围作为焦点附近光场；或是以3个偶极子天线组入射波束的波长范围作为焦点附近光场。

非球面物镜对两组偶极子天线到达球面波前的辐射场进行矢量聚焦，将波前辐射场聚焦回到所述物镜的焦点附近形成两个焦点；其中一个焦点位于偶极子天线组处(0,0,-z

可以理解的是，在高数值孔径物镜的聚焦中，理想情况下只考虑衍射极限，从而得到亚波长的焦斑。

所述反射光学元件位于物镜的焦平面处。通过设定偶极子天线组不同的相对幅度和相位，可产生任意三维偏振的入射光场。所述反射光学元件的作用主要体现在：一是可以产生一组虚偶极子天线，使其辐射场与实偶极子天线组的辐射场在物镜的波前曲面相干结合；二是将光束聚焦得到的两个焦点中的其中一个焦点反射到另一个焦点上，与另一个焦点产生相长干涉，最终将入射光束的光功率限制在亚波长球形体积内，得到具有任意三维偏振的亚波长近球形焦点。

本发明实施例提供的系统，与现有矢量光束聚焦系统相比，仅需要单个物镜即可将具有任意三维偏振状态的输入光束的光功率限制在亚波长球形体积内。采用的光学元件少，光学系统尺寸小，系统结构更简单；不需要对物镜和光路的精细调控，从而降低了物镜和光路的调整难度；减小了聚焦光斑的尺寸，可实现更高分辨率的聚焦。

基于上述实施例，可选地，所述反射光学元件为平面镜或凹面镜，所述非球面物镜为高数值孔径非球面物镜。

具体地，当所述反射光学元件为平面镜时，如图2所示，平面镜将位于(0,0,-z

进一步地，当所述反射光学元件为凹面镜时，如图3所示，凹面镜位于高数值孔径物镜的焦平面。凹面镜对偶极子天线组(Dx

凹面镜将位于(0,0,-z

位于(0,0,-z

高数值孔径非球面物镜对两组偶极子天线到达球面波前的辐射场进行矢量聚焦，将波前辐射场聚焦回到焦点附近形成两个焦点；其中一个焦点位于偶极子天线组处(0,0,-z

基于上述任一实施例，可选地，若所述反射光学元件为平面镜，则根据偶极子天线辐射理论，位于焦点附近的两组不同偏振方向的天线长度无限小的偶极子天线(Dx

其中，

具体地，所述的偶极子辐射理论中x方向偏振偶极子或y方向偏振偶极子产生的辐射场同时具有仰角和方位角分量，而z方向偏振偶极子仅产生仰角分量。

时间反转理论指出，以时间逆序发送的无限小偶极子天线在任意环境中的辐射场会在光源处形成最佳光斑。

基于上述任一实施例，可选地，两组偶极子天线辐射场在高数值孔径非球面物镜的波前曲面Ω进行相干结合，形成波前辐射场，所述波前辐射场与偶极子天线组的辐射场满足以下关系：

其中，t

具体地，真实偶极子天线组经过反射光学元件反射的辐射场等效于虚偶极子天线组产生的辐射场，菲涅耳反射系数得到了精确的解释。

基于上述任一实施例，可选地，所述非球面物镜的光瞳平面的输入光场与波前辐射场满足以下关系：

其中，(r

具体地，结合物镜的投影功能，可以在光瞳平面极坐标系(r

基于上述任一实施例，可选地，采用矢量衍射方法计算所述亚波长近球形焦点附近的三维光场分布，所述亚波长近球形焦点附近的光场与波前辐射场满足以下关系：

其中，(r

可选地，根据所述亚波长近球形焦点附近光场分布，可进一步计算所述焦点附近的空间强度和偏振分布；例如：对通过德拜积分计算得到的光场分析可得到焦点附近的空间强度和偏振分布。

本发明实施例提供的系统，结合偶极子辐射理论和矢量衍射理论的时间反转方法，通过单个物镜实现衍射极限聚焦，将具有任意三维偏振状态的输入光束的光功率限制在亚波长球形体积内，生成具有任意三维偏振的亚波长近球形焦点。

图4为采用图2所示的系统时，三组不同三维偏振态偶极子天线辐射场聚焦的结果示意图。偶极子天线组与反射光学元件之间的距离为2个波长。其中，第一组p

以上三组结果清楚的表明，本发明提供的系统能够使用单个物镜和反射光学元件产生具有任意三维偏振的亚波长近球形焦点。

下面对本发明提供的单物镜成亚波长近球形焦点的方法进行描述，下文描述的单物镜成亚波长近球形焦点的方法与上文描述的单物镜成亚波长近球形焦点的系统可相互对应参照。

本发明实施例提供一种单物镜成亚波长近球形焦点的方法，包括：

S1：三维偏振的偶极子天线组发出的辐射场与虚偶极子天线组发出的辐场相干结合，形成波前辐射场；其中，所述虚偶极子天线组为偶极子天线组经反射光学元件成像形成。

S2：将波前辐射场聚焦，在偶极子天线组处和虚偶极子天线组处各形成一个焦点；

S3：所述反射光学元件将位于虚偶极子天线组处的焦点反射到偶极子天线组处，并与位于偶极子天线组处的焦点进行相长干涉，得到亚波长近球形焦点

具体地，任意三维偏振的偶极子天线组发出的辐射场与虚偶极子天线组发出的辐场，在非球面物镜的波前曲面相干结合，形成波前辐射场；

所述非球面物镜将波前辐射场聚焦至焦点附近的光场，在偶极子天线组处和虚偶极子天线组处各形成一个焦点；

所述反射光学元件将位于虚偶极子天线组处的焦点反射到偶极子天线组处，并与位于偶极子天线组处的焦点进行相长干涉，得到亚波长近球形焦点；

其中，所述虚偶极子天线组为偶极子天线组经反射光学元件成像形成；所述反射光学元件位于非球面物镜的焦平面；所述偶极子天线组位于非球面物镜与反射光学元件之间，且所述偶极子天线组与反射光学元件之间的距离为n个波长，n为大于零的实数。

本发明提供的方法是通用的，可以适用于更复杂的聚焦环境。

本发明实施例提供的方法，仅需要单个物镜即可将具有任意三维偏振状态的输入光束的光功率限制在亚波长球形体积内；采用的光学元件少，光学系统尺寸小，系统结构更简单；不需要对物镜和光路的精细调控，从而降低了物镜和光路的调整难度；减小了聚焦光斑的尺寸，可实现更高分辨率的聚焦。

基于上述任一实施例，可选地，所述虚偶极子天线组为偶极子天线组经反射成像形成，包括：

所述虚偶极子天线组为偶极子天线组经平面镜反射成像形成，即，所述反射光学元件为平面镜。

所述偶极子天线组(Dx

其中，

基于上述任一实施例，可选地，所述波前辐射场的计算公式为：

其中，t

基于上述任一实施例，可选地，所述亚波长近球形焦点附近的光场的计算公式为：

其中，(r

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。