一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法和系统技术方案

本申请实施例公开了一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法和系统，所述方法包括：在加工衍射光学元件DOE时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合；利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布；利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。从而产生尺寸可控的聚焦圆环光斑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法和系统
本申请实施例涉及光学
，具体涉及一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法和系统。
技术介绍
激光束通过高数值孔径物镜聚焦，其光斑形状、位置、相位分布、强度分布、偏振分布与入射激光束的振幅分布、偏振状态、相位调制以及物镜的数值孔径都有关。由于激光经物镜聚焦产生的光斑与很多应用领域有关，因此，研究如何通过改变入射激光束的振幅分布、相位分布、偏振分布实现各种应用所需要的激光聚焦光斑成为一个非常重要的研究领域。在激光直写光刻等领域，激光聚焦光斑通过光与物质材料相互作用来实现的。相互作用的区域越小，其分辨能力、信息密度或加工精细度等就越高。然而，单个光斑的尺寸受衍射极限的限制，只能聚焦到大约半个波长左右。另一方面，激光束通过物镜聚焦形成的环形光斑和圆形实心光斑在捕获微小尺寸颗粒方面可以单独发挥不同的作用。在微粒操控方面，环形光斑的尺寸直接决定了可操控颗粒的大小。由于环形光斑处于光轴上，要想捕获离轴的微粒，需要横向移动微粒与激光光斑的相对位置，要么移动激光束，要么移动样品台。移动激光束是不方便的，移动样品台则需要定位精度很好的样品台和控制系统。现有的光镊系统在捕获不同尺寸的微粒或在捕获离轴的微粒方面缺少灵活性。在光通信、生物光子学、光镊等应用中，对于微小圆形光斑的需求日益增长。
技术实现思路
为此，本申请实施例提供一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法和系统，产生聚焦圆环光斑，尺寸可控。为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：根据本申请实施例的第一方面，提供了一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法，所述方法包括：在加工衍射光学元件DOE时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合；利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布；利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。可选地，所述在加工衍射光学元件DOE时，使用的光刻工艺单次加工精度控制在±5nm之内；其中对应的加工深度按照如下公式计算：其中，λ为入射光波长，n为材料折射率，φ为每个相邻台阶的相位差。可选地，所述进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合，拟合效率和拟合台阶数按照如下公式计算：其中，η为拟合衍射效率，N为拟合台阶数。可选地，所述利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布，包括：在极坐标下，焦平面的场强分布按照如下公式计算：、其中JN为N阶贝塞尔函数，此式可由超几何函数求解，其解为：其中F2为超几何函数。可选地，聚焦光斑的衍射极限为：其中，M2为光束的质量因子，f为聚焦镜焦距，λ为波长，D为入射光斑直径；则结合上述公式计算出不同拓扑荷下对应的内外径和衍射极限DL之间的关系。根据本申请实施例的第二方面，提供了一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生系统，所述系统包括：涡旋相位曲面台阶化拟合模块，用于在加工衍射光学元件DOE时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合；聚焦光斑的能量分布计算模块，用于利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布；聚焦光斑内外径计算模块，用于利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。可选地，所述涡旋相位曲面台阶化拟合模块，具体用于：在加工衍射光学元件DOE时，使用的光刻工艺单次加工精度控制在±5nm之内；其中，对应的加工深度按照如下公式计算：其中，λ为入射光波长，n为材料折射率，φ为每个相邻台阶的相位差。可选地，所述涡旋相位曲面台阶化拟合模块，拟合效率和拟合台阶数具体按照如下公式计算：其中，η为拟合衍射效率，N为拟合台阶数。可选地，所述利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布，包括：在极坐标下，焦平面的场强分布按照如下公式计算：其中JN为N阶贝塞尔函数，此式可由超几何函数求解，其解为：其中，F2为超几何函数。可选地，所述聚焦光斑内外径计算模块按照如下公式进行计算：聚焦光斑的衍射极限为：其中，M2为光束的质量因子，f为聚焦镜焦距，λ为波长，D为入射光斑直径；则结合上述公式计算出不同拓扑荷下对应的内外径和衍射极限DL之间的关系。综上所述，本申请实施例提供了一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法和系统，通过在加工衍射光学元件DOE时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合；利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布；利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。从而产生尺寸可控的聚焦圆环光斑。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
能涵盖的范围内。图1为本申请实施例提供的一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法流程示意图；图2为本申请实施例提供的十六台阶化示意图；图3为本申请实施例提供的聚焦镜示意图；图4为本申请实施例提供的一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生系统框图。具体实施方式以下由特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本申请实施例提供一种基于涡旋相位的衍射光学元件DOE对于有限孔径平面的夫琅禾费衍射的方法，实现聚焦圆环光斑，还可以计算出圆环的内外环半径大小。如图1所示，所述方法包括如下步骤：步骤101：在加工衍射光学元件DOE时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合。步骤102：利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布。步骤103：利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。在一种可能的实施方式中，所述在加工衍射光学元件DOE时，使用的光刻工艺单次加工精度控制在±5nm之内；其中对应的加工深度按照如下公式(1)计算：其中，λ为入射光波长，n为材料折射率，φ为每个相邻台阶的相位差。在一种可能的实施方式中，光束的聚焦是基于菲涅尔衍射公式，再经过涡旋相位调制后，其聚焦光斑可以由超几何函数的形式给出能量分布。在一种可能的实施方式中，在步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法，其特征在于，所述方法包括：/n在加工衍射光学元件DOE时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合；/n利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布；/n利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生方法，其特征在于，所述方法包括：
在加工衍射光学元件DOE时，进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合；
利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布；
利用聚焦面的超几何函数分布计算聚焦光斑内外径。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在加工衍射光学元件DOE时，使用的光刻工艺单次加工精度控制在±5nm之内；
其中对应的加工深度按照如下公式计算：



其中，λ为入射光波长，n为材料折射率，φ为每个相邻台阶的相位差。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行连续涡旋相位曲面台阶化拟合，拟合效率和拟合台阶数按照如下公式计算：



其中，η为拟合衍射效率，N为拟合台阶数。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用超几何函数求解涡旋相位调试后的聚焦光斑的能量分布，包括：
在极坐标下，焦平面的场强分布按照如下公式计算：、



其中JN为N阶贝塞尔函数，此式可由超几何函数求解，其解为：



其中F2为超几何函数。


5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，聚焦光斑的衍射极限为：



其中，M2为光束的质量因子，f为聚焦镜焦距，λ为波长，D为入射光斑直径；则结合上述公式计算出不同拓扑荷下对应的内外径和衍射极限DL之间的关系。


6.一种基于DOE的聚焦圆环光斑产生系统，其特征在于，所述系统包括：
涡旋相位曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭亦超，
申请(专利权)人：北京润和微光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11