一種控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的裝置和方法，裝置包括分束模塊、偏振旋轉模塊、徑向偏振光轉換器和合束器；分束模塊將入射的相干線偏振光分為兩束線偏振光，并調節光強比；偏振旋轉模塊控制第一束線偏振光的偏振方向；徑向偏振光轉換器將第二束線偏振光轉換為徑向偏振光；合束器將出射的線偏振光和徑向偏振光合為同軸光束。本發明方法利用分束模塊調節經分束得到的第一束線偏振光和第二束線偏振光的光強比例來控制聚焦光場偏振方向與聚焦平面的夾角；利用偏振旋轉模塊改變第一線偏振光的偏振方向來控制聚焦光場偏振方向在聚焦平面內投影的方向。本發明結構簡單、穩定可靠、適用性強、易于實現、操作簡單、具有很好的適用性。
【專利說明】
一種控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的裝置和方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的裝置和方法，屬于光場三 維偏振控制技術領域。
【背景技術】
[0002] 偏振作為光的一個基本特性，和強度、相位一樣能夠提供探測對比度，從而在光學 檢測，特別在光學顯微領域中有非常重要的應用。例如，在礦產鑒別和一些工業顯微領域 中，偏振被引入到顯微技術中用來增強對比度(蒯麗君，詹秀春，樊興濤，溫宏利，袁繼海.偏 振能量色散x射線熒光光譜法測定硫化物礦石中的銅鉛鋅[J].巖礦測試，32(6)，903-908); 而在熒光顯微技術領域，基于熒光分子吸收效率對激發光偏振方向的敏感性開發的熒光偏 振顯微技術，通過利用不同偏振方向的光來激發熒光分子并探測處理受激發光偏振方向調 制的焚光光強，可獲取被焚光分子所標記生物分子方向結構，從而對生物分子焚光成像有 很大的幫助（Kampmann M, Atkinson C E,Mattheyses A L , Simon SM. Mapping the orientation of nuclear pore proteins in living cells with polarized fluorescence microscopy[J].Nature Structural and Molecular Biology,2011June, 18(6):643-649)〇
[0003] 除了在顯微領域，聚焦光場的偏轉特性在量子信息、近場光學、光學微操縱單分子 成像、光存儲等領域也有著重要的應用。而上述技術都依賴于顯微物鏡聚焦光場偏轉方向 的調控。目前，關于顯微物鏡聚焦光場偏振方向的控制主要集中于二維偏振方向的控制，導 致在上述技術的應用具有局限性。因此，研究顯微物鏡聚焦光場偏振方向的三維控制方法 和光路具有重要價值。圍繞這個方向，目前國內外已開展一些相關研究，大致分為兩種方 法。
[0004] 第一種方法是利用空間濾波器調制輸入光場的強度和相位分布，來實現顯微物鏡 聚焦光場的三維偏振控制（Ayman F.Abouraddy and Kimani C.Toussaint，Jr.Three-Dimensional Polarization Control in Microscopy[J].Physical Review Letters, 2006,96(15):153901)〇
[0005] 第二種方法則使用相位板調整徑向偏光和切向偏光相位，并利用物鏡將兩束光匯 聚相干疊加實現三維偏振控制（Yunshan Jiang，CuifangKuang，Shuai Li and Xu Liu.Arbitrary three-dimensional polarization control based on cylindrical vector beams and binary phase coding[J].Journal of Modern Optics,2014,61(4): 328-334)。
[0006] 上述兩種方法中，第一種方法對于每一個不同的三維偏振方向都需要進行單獨計 算強度和相位分布，計算復雜，適用性較差;第二種方法通過相位調制來控制偏振方向，相 位調制準確性和穩定性在實際光路中都比較難控制，具有實際局限性。
【發明內容】
[0007] 本發明所要解決的技術問題是:提供一種控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的 裝置和方法，實現顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的控制，結構簡單、易于調整、適用性好、 光路穩定可靠。
[0008] 本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
[0009] 一種控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的裝置，包括分束模塊、偏振旋轉模塊、 徑向偏振光轉換器和合束器；
[0010] 所述分束模塊用于將入射的相干線偏振光分為兩束線偏振光，并調節兩束線偏振 光之間的光強比；
[0011] 偏振旋轉模塊用于控制分束后第一束線偏振光的偏振方向；
[0012] 徑向偏振光轉換器用于將分束后第二束線偏振光轉換為徑向偏振光；
[0013] 合束器用于將經偏振旋轉模塊出射的線偏振光和經徑向偏振轉換器轉換后得到 的徑向偏振光合為同軸光束，入射顯微物鏡。
[0014] 作為本發明裝置的一種進一步方案，該裝置還包括相位補償器，所述相位補償器 為可調光程的光學棱鏡，位于分束后其中一束線偏振光的光路上，使分束后的兩束線偏振 光在合束時的相位差為〇或31。
[0015] 作為本發明裝置的一種優選方案，所述分束模塊包括半波片和偏振分束棱鏡;所 述半波片用于改變入射相干線偏振光的偏振方向；偏振分束棱鏡用于將通過半波片的線偏 振光分為偏振方向相互垂直的兩束線偏振光。
[0016] 作為本發明裝置的一種優選方案，所述偏振旋轉模塊包括四分之一波片和線偏振 光起偏器;所述四分之一波片用于將分束后其中一束線偏振光轉換為圓偏振光;線偏振光 起偏器用于將圓偏振光轉換為偏振方向與線偏振光起偏器透射軸方向一致的線偏振光。
[0017] 作為本發明裝置的一種優選方案，所述合束器為合束棱鏡。
[0018] 一種控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的方法，包括如下步驟：
[0019] 步驟1，利用分束模塊將入射相干線偏振光分成兩束線偏振光，偏振旋轉模塊改變 第一束線偏振光的偏振方向后出射，徑向偏振光轉換器將第二束線偏振光轉換為徑向偏振 光后出射，合束器將兩束出射光合為同軸光束后入射顯微物鏡，在聚焦光場顯微物鏡匯聚 兩束出射光，其中，線偏振光保持其偏振方向在聚焦平面內，且保持其入射顯微物鏡前的偏 振方向，而徑向偏振光產生垂直聚焦平面的縱向偏振光，兩個不同方向的偏振分量相干疊 加產生三維偏振光；
[0020] 步驟2,利用分束模塊調節入射相干線偏振光經分束后的第一束線偏振光和第二 束線偏振光的光強比例，來控制顯微物鏡聚焦光場在聚焦平面內和垂直聚焦平面方向偏振 分量的比例，從而控制聚焦光場偏振方向與聚焦平面的夾角；
[0021] 步驟3,利用偏振旋轉模塊旋轉所述第一束線偏振光的偏振方向來控制聚焦光場 在聚焦平面內偏振分量的方向，從而控制顯微物鏡聚焦光場偏振方向在聚焦平面內投影的 方向。
[0022] 作為本發明方法的一種優選方案，所述步驟2的具體方法為:通過旋轉分束模塊中 半波片的快軸方向，改變入射相干線偏振光的偏振方向，通過偏振分束棱鏡分束后得到的 兩束線偏振光光強比例也隨之發生改變。
[0023] 作為本發明方法的一種優選方案，所述步驟3的具體方法為:通過旋轉偏振旋轉模 塊中線偏振光起偏器的快軸方向來改變出射線偏振光的偏振方向。
[0024]本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
[0025] 1、本發明控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的裝置，結構簡單、穩定可靠、適用 性強、易于實現。
[0026] 2、本發明控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的方法，簡單不需要復雜的計算， 通過調整光路中的半波片及偏振片的方向即可獲得聚焦光場任意方向的三維偏振光，裝置 結構簡單，具有很好的適用性。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明徑向偏振光示意圖。
[0028]圖2是本發明線偏振光和徑向偏振光經顯微物鏡匯聚后在聚焦光場相干疊加產生 的三維偏振示意圖。
[0029]圖3是本發明顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向示意圖。
[0030]圖4是本發明控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的裝置的結構示意圖。
[0031 ]其中，1為半波片，2為偏振分束棱鏡，3為相位補償器，4為四分之一波片，5為線偏 振光起偏器，6為平面反射鏡，7為平面反射鏡，8為徑向偏振光轉換器，9為合束棱鏡，10為平 面反射鏡，11為顯微物鏡，12為聚焦平面，13為第一束線偏振光的線偏振方向，14為第二束 線偏振光的線偏振方向。
【具體實施方式】
[0032]下面詳細描述本發明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。 [0033]如圖1所示，展示了徑向偏振光的電場振動的方向，即偏振方向，在光線橫截面內 從中心沿半徑向四周出射的方向。
[0034]本發明的基本原理是基于兩個事實：（1)徑向偏振光經過顯微物鏡的匯聚在聚焦 光場可以產生沿光軸方向振動的電場，即縱向偏振的光場；（2)線偏振光經顯微物鏡匯聚后 在聚焦光場繼續保持線偏振光，且偏轉方向不發生改變。基于這兩個事實，提出利用線偏振 光和徑向偏振光在顯微物鏡聚焦光場進行相干疊加產生三維方向的偏振光，如圖2所不。在 圖2中，虛線代表線偏振光光線，實線代表徑向偏振光光線，光線上的小箭頭代表各自光線 的偏振方向。經顯微物鏡匯聚后在聚焦光場處，線偏振光偏轉方向不變繼續保持與光軸垂 直，而徑向偏振由于其本身光場相互疊加后只剩下沿光軸的縱向偏振分量，兩者的相干疊 加可以產生具有三維偏振方向的光場。
[0035]聚焦光場的三維偏振方向如圖3所示，Z軸為光軸，XY平面為聚焦平面，聚焦光場的 電場E指向三維空間任一方向，與聚焦平面XY平面夾角為0，其在XY平面內的投影與X軸夾角 為aj取決于聚焦光場在聚焦平面內和垂直聚焦平面方向的縱向偏振分量之間的強度比 例，最終取決于入射線偏振和徑向偏振之間的光強比，而a取決于聚焦光場在聚焦平面內偏 振分量的方向，因此取決于入射顯微物鏡線偏振光的偏振方向。通過調節入射線偏振和徑 向偏振光的比例可以調節0的大小，通過調節入射線偏振方向可以調節a，最終實現顯微物 鏡聚焦光場任意三維偏振方向的控制。
[0036] 根據上述原理，本發明提供的顯微物鏡聚焦光場三維偏振控制裝置如圖4所示，入 射相干線偏振光首先通過可旋轉快軸方向的半波片1，然后通過偏振分束棱鏡2，分為偏振 方向相互垂直的兩束線偏振光I和II，偏振方向分別如13、14指示。偏振分束棱鏡2、平面反 射鏡6、平面反射鏡7、合束棱鏡9組成馬赫澤德干涉光路，經分束后的兩束偏振光I和II分別 經兩個干涉臂最終通過合束棱鏡9合為同一光束。兩束光經不同光學器件所產生的光程差 可以通過相位補償器3進行光程補償，使得其光程差為0或31，可以在兩束光任意一個的光路 上插入可調光程的光學棱鏡進行調節。兩束偏振光I和II合為同一光束后經平面反射鏡10 進入顯微物鏡11，被顯微物鏡11聚焦后在聚焦平面12相干疊加產生三維偏振光。
[0037] 經分束后的線偏轉光I首先通過相位補償器3,然后通過一個四分之一波片4,該波 片快軸方向與線偏振光I的偏振方向13呈45°夾角。從而通過該四分之一波片后線偏振光I 變為圓偏振光，之后圓偏振光通過一個透射軸可旋轉的線偏振光起偏器5,出射偏振方向可 旋轉的線偏振光。通過調節該出射線偏振光的偏振方向，可調節聚焦光場三維偏振方向在 XY平面內投影的角度a。
[0038] 經分束后的線偏振光II通過徑向偏振光轉換器8，轉換為徑向偏振光。徑向偏振光 轉換器是一個液晶器件，可以對不同區域液晶分別進行控制，從而在入射線偏振光光束截 面內按照一定規則，調控不同區域的偏振方向來產生徑向偏振光。
[0039]由于兩束線偏振光I和II的光強比例決定了三維偏振光的角度0。通過旋轉半波片 1來改變入射線偏轉光的方向，之后通過偏振分束棱鏡2就可以獲取光強比例不同的兩束線 偏振光I和II，最終控制三維偏振光角度0。
[0040] 假設入射光的偏轉方向沿偏振方向13,在顯微物鏡聚焦光場產生與XY平面夾角為 0，與XY平面內投影夾角為a的三維偏振光的兩個步驟如下：
[0041] (1)與XY平面夾角為0的控制需要旋轉半波片1的快軸方向與偏振方向13的夾角為
，_來產生偏振方向為與偏振方向13夾角為
的線偏振光。
[0042 ] (2)在XY平面內的投影夾角a的控制則比較簡單，直接旋轉線偏振光光路中的線偏 振光起偏器5的快軸方向與偏振方向13的夾角為a，則出射偏振方向為a的線偏振光即可。 [0043]以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是 按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍 之內。
【主權項】
1. 一種控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的裝置，其特征在于，包括分束模塊、偏振 旋轉模塊、徑向偏振光轉換器和合束器； 所述分束模塊用于將入射的相干線偏振光分為兩束線偏振光，并調節兩束線偏振光之 間的光強比； 偏振旋轉模塊用于控制分束后第一束線偏振光的偏振方向； 徑向偏振光轉換器用于將分束后第二束線偏振光轉換為徑向偏振光； 合束器用于將經偏振旋轉模塊出射的線偏振光和經徑向偏振轉換器轉換后得到的徑 向偏振光合為同軸光束，入射顯微物鏡。2. 根據權利要求1所述控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的裝置，其特征在于，該裝 置還包括相位補償器，所述相位補償器為可調光程的光學棱鏡，位于分束后其中一束線偏 振光的光路上，使分束后的兩束線偏振光在合束時的相位差為〇或：π。3. 根據權利要求1或2所述控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的裝置，其特征在于， 所述分束模塊包括半波片和偏振分束棱鏡;所述半波片用于改變入射相干線偏振光的偏振 方向；偏振分束棱鏡用于將通過半波片的線偏振光分為偏振方向相互垂直的兩束線偏振 光。4. 根據權利要求1或2所述控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的裝置，其特征在于， 所述偏振旋轉模塊包括四分之一波片和線偏振光起偏器;所述四分之一波片用于將分束后 其中一束線偏振光轉換為圓偏振光;線偏振光起偏器用于將圓偏振光轉換為偏振方向與線 偏振光起偏器透射軸方向一致的線偏振光。5. 根據權利要求1或2所述控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的裝置，其特征在于， 所述合束器為合束棱鏡。6. -種控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1，利用分束模塊將入射相干線偏振光分成兩束線偏振光，偏振旋轉模塊改變第一 束線偏振光的偏振方向后出射，徑向偏振光轉換器將第二束線偏振光轉換為徑向偏振光后 出射，合束器將兩束出射光合為同軸光束后入射顯微物鏡，在聚焦光場顯微物鏡匯聚兩束 出射光，其中，線偏振光保持其偏振方向在聚焦平面內，且保持其入射顯微物鏡前的偏振方 向，而徑向偏振光產生垂直聚焦平面的縱向偏振光，兩個不同方向的偏振分量相干疊加產 生三維偏振光； 步驟2,利用分束模塊調節入射相干線偏振光經分束后的第一束線偏振光和第二束線 偏振光的光強比例，來控制顯微物鏡聚焦光場在聚焦平面內和垂直聚焦平面方向偏振分量 的比例，從而控制聚焦光場偏振方向與聚焦平面的夾角； 步驟3,利用偏振旋轉模塊旋轉所述第一束線偏振光的偏振方向來控制聚焦光場在聚 焦平面內偏振分量的方向，從而控制顯微物鏡聚焦光場偏振方向在聚焦平面內投影的方 向。7. 根據權利要求6所述控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的方法，其特征在于，所述 步驟2的具體方法為:通過旋轉分束模塊中半波片的快軸方向，改變入射相干線偏振光的偏 振方向，通過偏振分束棱鏡分束后得到的兩束線偏振光光強比例也隨之發生改變。8. 根據權利要求6所述控制顯微物鏡聚焦光場三維偏振方向的方法，其特征在于，所述 步驟3的具體方法為:通過旋轉偏振旋轉模塊中線偏振光起偏器的快軸方向來改變出射線 偏振光的偏振方向D
【文檔編號】G02B21/00GK105911682SQ201610499181
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月29日
【發明人】王瀟, 楊鳳, 吳曰超, 尹建華
【申請人】南京航空航天大學