基于柱矢量光調(diào)控的縱向超分辨率準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列

夏小蘭，曾憲智，宋世超，劉小威2,*，曹耀宇*

1暨南大學(xué)光子技術(shù)研究院，廣東省光纖傳感與通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511443；

2類(lèi)人感知研究中心，之江實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311121

1 引 言

激光多焦點(diǎn)陣列以兼具并行光場(chǎng)處理和焦斑單元高空間分辨率的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在光學(xué)誘捕和操縱以及飛秒激光微納制造等領(lǐng)域[1-4]。利用計(jì)算全息(computer generate hologram，CGH)技術(shù)，通過(guò)在空間光調(diào)制器(spatial light modulator，SLM)上生成相位圖對(duì)入射光場(chǎng)的振幅和相位信息進(jìn)行調(diào)制，可根據(jù)應(yīng)用需求同時(shí)復(fù)制合成數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)相同的激光焦點(diǎn)，構(gòu)成多焦點(diǎn)陣列。利用平行處理過(guò)程，在應(yīng)用中，激光多焦點(diǎn)陣列不僅可以使光場(chǎng)一次捕獲和控制多個(gè)對(duì)象[5-7]，而且可以極大提升光場(chǎng)在微納結(jié)構(gòu)加工中的效率[8-12]。然而，受光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和光學(xué)衍射性質(zhì)限制，目前通過(guò)計(jì)算全息生成的激光多焦點(diǎn)陣列普遍存在焦斑單元縱向分辨率弱于橫向分辨率、光強(qiáng)分布各向異性的特點(diǎn)。長(zhǎng)軸為縱軸的橢球形焦斑單元形狀給激光多焦點(diǎn)的應(yīng)用帶來(lái)極大局限性。如何提升焦點(diǎn)縱向分辨率，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)分布各向同性的焦斑單元成為亟需解決的問(wèn)題。

柱矢量光是一種波面內(nèi)各點(diǎn)的偏振呈軸對(duì)稱(chēng)分布、偏振方向隨傳播位置不斷變化的光束，主要包括徑向偏振光(radially polarized beam，RPB)和角向偏振光(azimuthal polarized beam，APB)，在激光誘捕[13]、光學(xué)顯微成像[14-15]、光存儲(chǔ)[16-19]、超分辨激光加工[20-22]等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景引起了廣泛關(guān)注。2000 年，Youngworthh 和Brown 根據(jù)Richards-Worf 提出的柱矢量光場(chǎng)衍射理論，分別對(duì)徑向偏振光場(chǎng)和角向偏振光場(chǎng)進(jìn)行聚焦光場(chǎng)的理論計(jì)算[23]。計(jì)算結(jié)果表明，在高數(shù)值孔徑物鏡聚焦下，徑向偏振光在經(jīng)過(guò)高數(shù)值孔徑緊聚焦之后，具有很強(qiáng)的縱向場(chǎng)分量，可以生成超越衍射極限的聚焦光斑，得到比標(biāo)量光場(chǎng)更小尺寸的焦點(diǎn)。同時(shí)，利用光場(chǎng)入瞳函數(shù)振幅調(diào)控，可進(jìn)一步壓縮光斑的縱向尺寸[24]。然而如何通過(guò)調(diào)控柱矢量光場(chǎng)生成球形激光多焦點(diǎn)陣列仍然面臨設(shè)計(jì)上的巨大挑戰(zhàn)。

因此，本文提出了一種生成縱向超分辨率的準(zhǔn)球形激光多焦點(diǎn)陣列的方法，通過(guò)對(duì)矢量光場(chǎng)調(diào)控方法的設(shè)計(jì)和調(diào)控效果的計(jì)算，在理論上驗(yàn)證了其有效性和可行性。該方法同時(shí)采用了徑向偏振光和角向偏振光兩種正交偏振光作為入射光場(chǎng)，通過(guò)設(shè)計(jì)和計(jì)算空間光調(diào)制器的相位圖，結(jié)合環(huán)形光衰減片的振幅調(diào)制過(guò)程，分別對(duì)徑向和角向兩種偏振光場(chǎng)的波前進(jìn)行調(diào)控，從而得到縱向(Z方向)上超分辨的多焦點(diǎn)陣列，再根據(jù)橫向(X-Y方向)與Z方向上尺寸的差異，將徑向偏振和角向偏振兩條光束按照一定的強(qiáng)度比例疊加，最終生成焦斑單元各向同性、高均勻性的準(zhǔn)球形激光多焦點(diǎn)陣列，以滿(mǎn)足激光微納加工制備各向同性微納器件的需求。

2 理論模型

研究表明，在光學(xué)系統(tǒng)的入瞳平面引入光場(chǎng)調(diào)制可以壓縮焦點(diǎn)的縱向尺寸，得到縱向超分辨率的焦點(diǎn)[25-27]。目前已經(jīng)針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景提出了不同種類(lèi)的入瞳調(diào)制函數(shù)[28-32]。例如環(huán)形光衰減片(shadedring filter)，二元相位調(diào)制(0-π phase plate)，全衰減型環(huán)形調(diào)制片(dark ring filter)。由于環(huán)形光衰減片可以認(rèn)為是二元相位環(huán)形調(diào)制片或全衰減型環(huán)形調(diào)制片與一個(gè)環(huán)形透過(guò)區(qū)域的疊加，而環(huán)形透過(guò)區(qū)域的焦點(diǎn)對(duì)主瓣的貢獻(xiàn)大于旁瓣，所以會(huì)使環(huán)形光衰減片相比于其它兩類(lèi)具有更低的旁瓣強(qiáng)度。因此本文研究中基于該調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)柱矢量光的振幅調(diào)制。將柱矢量光分解為徑向偏振光與角向偏振光分別進(jìn)行振幅調(diào)制，通過(guò)優(yōu)化環(huán)形光衰減片的調(diào)制環(huán)半徑參數(shù)、衰減系數(shù)以及兩種基的疊加比例，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)縱向超分辨率的準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列。

當(dāng)徑向偏振單色平面波被無(wú)像差高數(shù)值物鏡聚焦時(shí)，根據(jù)德拜矢量衍射理論[33]，焦區(qū)的縱向分量Ez和徑向分量Er的電場(chǎng)分別為

當(dāng)角向偏振單色平面波被無(wú)像差高數(shù)值物鏡聚焦時(shí)，根據(jù)德拜矢量衍射理論[33]，焦區(qū)的電場(chǎng)為

徑向光焦點(diǎn)的徑向分量為空心光斑，縱向分量為實(shí)心光斑，縱向分辨率主要取決于縱向分量。因此，徑向光的環(huán)形光衰減片的參數(shù)優(yōu)化將針對(duì)式(1)所計(jì)算的縱向分量進(jìn)行。角向偏振光的焦點(diǎn)分布為空心光斑，其環(huán)形光衰減片的參數(shù)優(yōu)化將針對(duì)空心光斑強(qiáng)度最強(qiáng)位置處的縱向分辨率進(jìn)行。

僅使用一束徑向偏振光生成的多焦點(diǎn)陣列，難以保證每個(gè)焦點(diǎn)尺寸的均一性。為了實(shí)現(xiàn)縱、橫尺寸相等且均一的多焦點(diǎn)陣列，將角向偏振光的縱向超分辨多焦點(diǎn)陣列與徑向偏振光縱向超分辨多焦點(diǎn)陣列進(jìn)行同位疊加為有效的解決方案。圖1 是基于柱矢量光調(diào)控實(shí)現(xiàn)縱向超分辨率準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列的原理示意圖。從圖1 可以看出，徑向偏振光(RPB)和角向偏振光(APB)分別通過(guò)空間光調(diào)制器(SLM1)和空間光調(diào)制器(SLM2)，以及環(huán)形光衰減片(pupil mask)后進(jìn)行疊加。環(huán)形光衰減片的直徑大小等于物鏡入瞳尺寸，R1是環(huán)形光衰減片的陰影環(huán)形區(qū)域的歸一化內(nèi)徑(內(nèi)徑真實(shí)值除以物鏡入瞳)，R2是環(huán)形光衰減片的陰影環(huán)形區(qū)域的歸一化外徑(外徑真實(shí)值除以物鏡入瞳)；陰影環(huán)形區(qū)域的內(nèi)徑R1與 外徑R2之間的區(qū)域?yàn)檎穹p區(qū)域，振幅衰減系數(shù)α被定義為α=是環(huán)形光衰減片的激光能量透過(guò)率?？臻g光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，用于調(diào)控多焦點(diǎn)陣列中的焦點(diǎn)個(gè)數(shù)與各焦點(diǎn)中心位置，產(chǎn)生高均一性的多焦點(diǎn)陣列；環(huán)形光衰減片可以壓縮焦點(diǎn)的縱向尺寸實(shí)現(xiàn)縱向超分辨率。由于PLUTO 型SLM 的衍射效率為60%，另外，激光能量的衰減與環(huán)形光衰減片中陰影環(huán)形區(qū)域的振幅衰減系數(shù)也有關(guān)，實(shí)驗(yàn)中環(huán)形光衰減片的光透過(guò)率為35%，所以，SLM 與環(huán)形光衰減片相疊加會(huì)使激光能量有較大的衰減。

圖1 基于柱矢量光調(diào)控實(shí)現(xiàn)縱向超分辨率準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列的原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of synthesizing longitudinal super-resolution quasi-spherical multifocal arrays based on the superposition principle of cylindrical vector light modulation

3 準(zhǔn)球形單焦點(diǎn)

首先基于環(huán)形光衰減片和柱矢量光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)球形單焦點(diǎn)。徑向偏振光經(jīng)過(guò)環(huán)形光衰減片后(調(diào)制參數(shù)為R1=0.5217,R2=0.9629，環(huán)形光衰減片的振幅衰減系數(shù)是 0.9121)，焦點(diǎn)的縱向半高全寬從1.03λ被壓縮為0.71λ，橫向半高全寬為0.5481λ。角向偏振光經(jīng)過(guò)環(huán)形光衰減片后(調(diào)制參數(shù)為R1=0.4937,R2=0.9483，以及環(huán)形光衰減片的振幅衰減系數(shù)是0.0912)，在焦點(diǎn)強(qiáng)度最強(qiáng)處的縱向半高全寬從1.02λ被壓縮為0.71λ。為了使縱向尺寸和橫向尺寸相等，通過(guò)優(yōu)化角向偏振光和徑向偏振光疊加時(shí)的振幅比例系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)橫向、縱向尺寸接近的球形焦點(diǎn)，如圖2(a)所示。我們利用合成焦點(diǎn)不同方向上的半高全寬的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)判斷球面形狀的質(zhì)量。當(dāng)角向偏振光和徑向偏振光的幅值比為0.35:1 時(shí)，合成焦點(diǎn)沿0°到90°之間的五個(gè)方向上的半高全寬標(biāo)準(zhǔn)差最小，為0.022λ。圖2(b)是合成焦點(diǎn)沿x軸、z軸、x=z三個(gè)方向(如圖2(e)虛線(xiàn)所示,虛線(xiàn)1,2,3 分別代表z，x，x=z三個(gè)方向)的強(qiáng)度分布曲線(xiàn)，三者具有一致的半高全寬值，均為0.71λ，因此可以認(rèn)為焦點(diǎn)的幾何形狀為球形。圖2(c)～2(e)顯示兩組基及合成焦點(diǎn)在x-z面上的二維光場(chǎng)強(qiáng)度分布。

圖2 (a) 在角向偏振光和徑向偏振光的不同振幅比下合成焦點(diǎn)的五個(gè)方向上的半高全寬的標(biāo)準(zhǔn)差；(b) 合成焦點(diǎn)的強(qiáng)度分布沿不同方向的場(chǎng)強(qiáng)曲線(xiàn)；(c)～(e) 角向偏振光疊加徑向偏振光生成合成焦點(diǎn)的二維強(qiáng)度分布Fig.2 (a) The standard deviation of the full width at half maximum in the five directions of the composite focus under different amplitude ratios of angularly polarized beam and radially polarized beam;(b) Field strength curves of the intensity distribution of the synthetic focus along different directions;(c)～(e) Azimuthal polarized beam superimposed on radially polarized beam to generate a two-dimensional intensity distribution of the composite focus

在實(shí)際應(yīng)用中，光場(chǎng)作用區(qū)間的大小離不開(kāi)材料的響應(yīng)特性，如激光微納制造技術(shù)中通?？梢圆捎瞄撝敌?yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率微納結(jié)構(gòu)加工。通過(guò)將閾值效應(yīng)與基于柱矢量光調(diào)控實(shí)現(xiàn)縱向超分辨球形焦點(diǎn)的技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，可以進(jìn)一步提高球形焦點(diǎn)的橫向和縱向分辨率。通過(guò)設(shè)置高于旁瓣強(qiáng)度的閾值可以抑制旁瓣對(duì)加工的影響，選用越高的閾值，則可以容忍越高的旁瓣強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。圖3(a)表示在干鏡(NA=0.9)、水鏡(NA=1.2)、油鏡(NA=1.4)情況下，閾值強(qiáng)度分別為50%、70%、80%的合成焦點(diǎn)的二維光場(chǎng)強(qiáng)度分布示意圖。當(dāng)閾值設(shè)置為70%，則優(yōu)化角向偏振光和徑向偏振光的振幅調(diào)制，將歸一化旁瓣強(qiáng)度設(shè)置為70%，并以合成焦點(diǎn)在70%強(qiáng)度處半高全寬的標(biāo)準(zhǔn)差最小為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇角向與徑向光的疊加比例。從圖3(b)中可以看出，隨著數(shù)值孔徑(NA)的增加，合成焦點(diǎn)的縱向尺寸和橫向尺寸逐漸減小，虛線(xiàn)代表縱向尺寸，實(shí)線(xiàn)代表橫向尺寸，縱向尺寸與橫向尺寸非常接近。圖3(c)顯示了各個(gè)閾值和NA 下，所實(shí)現(xiàn)的焦點(diǎn)橫向尺寸與縱向尺寸之比，其中當(dāng)閾值強(qiáng)度為80%，NA 為1.4 時(shí)，合成焦點(diǎn)的縱橫尺寸比例是1，可以視為準(zhǔn)球形焦點(diǎn)，且具有0.4λ的各向同性分辨率。

圖3 (a)～(b) x-z 平面上疊加生成的球形焦點(diǎn)的二維光場(chǎng)強(qiáng)度分布，以及在不同閾值和不同物鏡NAs 下的橫向和縱向尺寸大小，虛線(xiàn)是縱向尺寸、實(shí)線(xiàn)是橫向尺寸；(c) 在不同的閾值強(qiáng)度和數(shù)值孔徑下的角向偏振光與徑向偏振光焦點(diǎn)的縱向和橫向半高全寬的比值Fig.3 (a)～(b) Two-dimensional light field intensity distributions of spherical foci generated by superposition in the x-z plane,as well as lateral and longitudinal dimensions at different thresholds and different objective NAs,where the dotted line is the longitudinal dimension and the solid line is the transverse dimension;(c) The ratio of the longitudinal and transverse full width at half maximum of the focal point for angularly polarized light to radially polarized light at different threshold intensities and numerical apertures

4 準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列

基于德拜矢量理論迭代算法[34]和快速傅里葉計(jì)算方法[35-37]可以得到精確的相位調(diào)制全息圖，加載到空間光調(diào)制器上，在高數(shù)值孔徑物鏡的焦平面可生成高均一性的多焦點(diǎn)陣列。多焦點(diǎn)陣列的均一性被定義為U=1-(Imax-Imin)/(Imax+Imin)，其中Imax和Imin分別表示多焦點(diǎn)陣列中的最大和最小光強(qiáng)。為了探究多焦點(diǎn)陣列中的焦點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)均一性和迭代次數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)計(jì)算不同的多焦點(diǎn)陣列來(lái)觀察迭代次數(shù)對(duì)均一性的影響。圖4(a)分別為3×3、5×5、7×7、11×11、21×21 和51×51 徑向光多焦點(diǎn)陣列的二維場(chǎng)強(qiáng)分布。多焦點(diǎn)陣列焦點(diǎn)周期都設(shè)置為5λ。從圖4(b)中可以看出，5×5 多焦點(diǎn)陣列對(duì)應(yīng)的收斂速度最快，在迭代次數(shù)小于15 時(shí)，可達(dá)到95%；而51×51 多焦點(diǎn)陣列需要40 次迭代，均一性才能達(dá)到95%?？梢钥吹?，隨著焦點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，迭代次數(shù)的收斂速度在下降，當(dāng)均一性達(dá)到95%以上時(shí)，增加迭代次數(shù)對(duì)均一性的提升逐漸減弱；當(dāng)?shù)螖?shù)增加到20 次以上時(shí)，所有多焦點(diǎn)陣列的均一性都能達(dá)到95%以上。

圖4 (a) 不同焦點(diǎn)個(gè)數(shù)的徑向偏振光多焦點(diǎn)陣列；(b) 均一性和迭代次數(shù)隨不同焦點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化圖Fig.4 (a) Radial polarized beam multifocal array with different number of focal points;(b) The variation of uniformity and iteration number with the number of different foci

將上述基于柱矢量光調(diào)控生成準(zhǔn)球形單焦點(diǎn)的理論基礎(chǔ)與緊聚焦矢量多焦點(diǎn)陣列技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)縱向超分辨率的準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列。圖5 是10×10縱向超分辨率的準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列的二維光場(chǎng)強(qiáng)度分布。圖5(a)～5(b)分別是調(diào)幅角向偏振光多焦點(diǎn)陣列在x-y、x-z面上的二維光場(chǎng)強(qiáng)度分布，圖5(c)顯示了其中一個(gè)焦點(diǎn)在x-z面光場(chǎng)分布的放大圖。圖5(d)～(e)分別是調(diào)幅徑向偏振光多焦點(diǎn)陣列在x-y、x-z面上的二維光場(chǎng)強(qiáng)度分布,圖5(f)顯示了其中一個(gè)焦點(diǎn)在x-z面上光場(chǎng)分布的放大圖。圖5(g)～(h)展示的是徑向與角向偏振光疊加得到的準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列在x-y、x-z面上的二維光場(chǎng)強(qiáng)度分布。圖5(i)顯示了其中一個(gè)準(zhǔn)球形焦點(diǎn)在x-z面上光場(chǎng)分布的放大圖。徑向偏振光經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器和環(huán)形光衰減片(物鏡NA=1.4，n=1.514)，生成了縱向尺寸是0.76λ的高均一性10×10 多焦點(diǎn)陣列。縱向分辨率相比于受衍射極限的焦點(diǎn)縱向尺寸1.03λ，實(shí)現(xiàn)了26.2%的提升。角向偏振光經(jīng)過(guò)空間光調(diào)制器和環(huán)形光衰減片(物鏡NA=1.4，n=1.514)，生成縱向尺寸是0.76λ的高均一性的10×10 多焦點(diǎn)陣列，縱向分辨率相比于受衍射極限的焦點(diǎn)縱向尺寸1.02λ，實(shí)現(xiàn)了25.5%的提升。當(dāng)角向偏振光和徑向偏振光的幅值比為0.55∶1 時(shí)，多焦點(diǎn)陣列的橫向尺寸和縱向尺寸均為0.76λ，最終可以得到各向同性且高均一性的縱向超分辨率的準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列。

圖5 (a)，(d) 調(diào)制角向偏振光(a)和調(diào)制徑向偏振光(d)聚焦疊加得到的準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列x-y 面剖面圖(g)；(b)，(e) 調(diào)制角向偏振光(b)和調(diào)制徑向偏振光(e)聚焦得到的準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列x-z 面剖面圖(h)；(c)，(f)，(i) 分別是(b)，(e)，(h)中標(biāo)記焦點(diǎn)的放大圖Fig.5 (a),(d) The x-y cross-section (g) of the quasi-spherical multifocal array obtained by focusing and stacking the modulated angularly polarized light (a) and the modulated radially polarized light (d);(b),(e) The x-z profile (h) of the quasi-spherical multifocal array obtained by focusing the modulated angularly polarized light (b) and the modulated radially polarized light (e);(c),(f),(i) are magnifications of the marked foci in (b),(e),(h),respectively

圖6(a)表示合成多焦點(diǎn)陣列的x-y面二維光場(chǎng)強(qiáng)度分布，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出合成多焦點(diǎn)陣列的橫向半高全寬的平均值為0.76λ，標(biāo)準(zhǔn)差是0.019λ。為了計(jì)算10×10 合成多焦點(diǎn)陣列中橫向尺寸的均一性，我們分別找出合成多焦點(diǎn)陣列中的尺寸最小與尺寸最大的焦點(diǎn)，并且對(duì)比了這兩個(gè)焦點(diǎn)的橫向半高全寬。圖6(b)是x-y面合成多焦點(diǎn)陣列中最小焦點(diǎn)與最大焦點(diǎn)的光場(chǎng)強(qiáng)度曲線(xiàn)對(duì)比圖，這兩個(gè)焦點(diǎn)的半高全寬相差0.08λ，僅為半高全寬的10.5%，橫向尺寸的均一性高達(dá)95%。圖6(c)是x-z面的最大焦點(diǎn)與最小焦點(diǎn)的強(qiáng)度分布沿不同方向的場(chǎng)強(qiáng)曲線(xiàn)，最大焦點(diǎn)的半高全寬為0.76λ，最小焦點(diǎn)的半高全寬為0.75λ，縱向尺寸的均一性高達(dá)99%。合成的100 個(gè)焦點(diǎn)陣列的縱向半高全寬的平均值是0.76λ、標(biāo)準(zhǔn)差是0.005λ；橫向半高全寬的平均值是0.76λ、標(biāo)準(zhǔn)差是0.019λ。調(diào)幅徑向偏振光疊加調(diào)幅角向偏振光的合成多焦點(diǎn)陣列的橫向與縱向的尺寸比例為1，且縱向半高全為0.76λ，可視為縱向超分辨率的準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列。圖6(d)是5×5×5 縱向超分辨率準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列的三維光場(chǎng)強(qiáng)度分布，多焦點(diǎn)陣列焦點(diǎn)周期都設(shè)置為5λ。通過(guò)加載縱向移動(dòng)的球面波相位可以實(shí)現(xiàn)二維多焦點(diǎn)陣列在縱向上移動(dòng)，把不同z層的二維多焦點(diǎn)陣列疊加起來(lái)，從而生成三維的縱向超分辨率的準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列。目前利用SLM 調(diào)制技術(shù)和環(huán)形光衰減片壓縮光學(xué)焦點(diǎn)的縱向分辨率的方法已經(jīng)在光學(xué)顯微成像和光存儲(chǔ)等領(lǐng)域得到驗(yàn)證[38-39]，也為本文在理論上提出的并行準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)的方法用于微納加工提供了可行性支持。

圖6 (a) 合成準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列焦點(diǎn)橫向光場(chǎng)強(qiáng)度分布；(b) x-y 面的最大焦點(diǎn)與最小焦點(diǎn)的光場(chǎng)強(qiáng)度曲線(xiàn)對(duì)比；(c) x-z 面的最大焦點(diǎn)與最小焦點(diǎn)的光場(chǎng)強(qiáng)度分布沿不同方向的場(chǎng)強(qiáng)曲線(xiàn)；(d) 合成縱向超分辨率的準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列的三維光場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.6 (a) The lateral light field intensity distribution at the focal point of the synthetic quasi-spherical multifocal array;(b) Comparison of the light field intensity curves of the maximum focus and the minimum focus on the x-y plane; (c) The field intensity curves of the light intensity distribution of the maximum focus and the minimum focus in the x-z plane along different directions; (d) Three-dimensional light intensity distribution of synthetic longitudinal super-resolution quasi-spherical multifocal arrays

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)矢量光場(chǎng)波前的設(shè)計(jì)和調(diào)制，在理論上基于數(shù)值仿真展示了如何生成均一性達(dá)到 99% 的準(zhǔn)球形激光多焦點(diǎn)陣列。在利用柱矢量光場(chǎng)兩個(gè)偏振分量聚焦特性基礎(chǔ)上，提出了一種基于柱矢量光場(chǎng)相位和振幅調(diào)控生成縱向超分辨率準(zhǔn)球形激光多焦點(diǎn)陣列的方法。通過(guò)對(duì)柱矢量光的徑向偏振光(RPB)光束和角向偏振光(APB)光束分別進(jìn)行相位和振幅調(diào)控，利用環(huán)形光衰減片的振幅調(diào)制能力形成縱向超分辨焦斑，并將兩種偏振光束以適當(dāng)?shù)墓鈴?qiáng)比例在焦區(qū)疊加，從而合成具有準(zhǔn)球形多焦點(diǎn)陣列。10×10 合成多焦點(diǎn)陣列縱向半高全寬的平均值為0.76λ、標(biāo)準(zhǔn)差為0.005λ，橫向半高全寬的平均值為0.76λ、標(biāo)準(zhǔn)差為0.019λ。在此情況下，標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)小于半高全寬的平均值，橫向與縱向尺寸可視為相等。該具有高尺寸均一性的準(zhǔn)球形激光多焦點(diǎn)陣列可為激光微納加工精準(zhǔn)制備微納器件提供新的途徑。

團(tuán)隊(duì)介紹

暨南大學(xué)光子技術(shù)研究院納米光子及器件課題組，長(zhǎng)期致力于激光微納加工技術(shù)及高密度光存儲(chǔ)技術(shù)、超分辨光學(xué)技術(shù)、超材料和等離激元等方向的研究。在光學(xué)超分辨技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域，課題組成員有超過(guò)12年的研究，包括利用摻雜釹(Nd)元素的納米顆粒作為熒光探針，發(fā)展了下轉(zhuǎn)移鑭系近紅外超分辨成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了亞20 nm 的單顆粒超分辨成像，以及50 μm 深層組織下的超分辨成像(Nature Nanotechnology，16,975(2021))；通過(guò)光學(xué)激發(fā)亞波長(zhǎng)硅結(jié)構(gòu)的anapole 模態(tài)和相應(yīng)的近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，獲得了比體態(tài)硅高3 到4 個(gè)數(shù)量級(jí)的光熱非線(xiàn)性，基于此機(jī)制并結(jié)合雙光束掃描激光共聚焦顯微系統(tǒng)對(duì)納米硅盤(pán)散射成像，開(kāi)發(fā)了具有對(duì)亞波長(zhǎng)硅結(jié)構(gòu)的精度高達(dá)40 納米的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨定位成像技術(shù)(Nature Communications，11,3027(2020))；通過(guò)開(kāi)發(fā)基于雙光束超分辨光存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)最小數(shù)據(jù)點(diǎn)尺寸33 納米的信息記錄(Optica，2，567(2015))，刷新了光存儲(chǔ)密度的世界紀(jì)錄，將光存儲(chǔ)的理論存儲(chǔ)密度提高了10000 倍以上；在世界上首次驗(yàn)證了非光學(xué)衍射極限限制的超快激光微納結(jié)構(gòu)加工技術(shù)，創(chuàng)造了激光加工最細(xì)線(xiàn)寬世界記錄9 nm(Nature communications，4，2061(2013))。目前，團(tuán)隊(duì)研究成員包含教師11 名(其中教授/研究員3 名，副教授/副研究員3 名)，博士后4 名，研究生30 余名。累計(jì)在Science,Nature Photonics,Nature Nanotechnology，Light: Science &Applications,Nano Letters,ACS Nano等國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表高質(zhì)量論文40 余篇，主持國(guó)家級(jí)，省部級(jí)科研項(xiàng)目10 余項(xiàng)。目前，實(shí)驗(yàn)室配備了一流的超快激光加工設(shè)備及微納電子束加工設(shè)備，建立了世界先進(jìn)的納米微加工超凈實(shí)驗(yàn)室。此外，課題組還與國(guó)外納米光子學(xué)領(lǐng)域內(nèi)杰出科學(xué)家一直保持著良好的合作關(guān)系。