CN108956479A - 径向偏振光照明椭球反射镜聚焦光学谐波生成激发方法 - Google Patents

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Abstract

径向偏振光照明椭球反射镜聚焦光学谐波生成激发方法属于非线性光学测量领域；飞秒激光器发出的脉冲激光经过准直扩束，通过偏振态转换器变为径向偏振光后由椭球面反射镜聚焦***聚焦于样品处，从而进行样品内部光学谐波信号的激发。所述的椭球面反射镜聚焦***包括大数值孔径物镜和椭球面反射镜；所述大数值孔径物镜的焦点和椭球反射镜的远焦点F1重合，椭球面反射镜的近焦点F2位于样品的表面上；使用本发明，可以提高近焦点F2处电场轴向偏振分量强度最大值与横向偏振分量强度最大值之比，从而提高所激发出的光学谐波的强度。此外，本发明还能使得与横向电场分量相关的非线性系数相对较大的样品所激发出的谐波极化强度分布保持单峰模式。

Description

径向偏振光照明椭球反射镜聚焦光学谐波生成激发方法
技术领域
本发明属于非线性光学测量领域，主要涉及一种用于非线性光学中，所研究样品的光学谐波激发的方法。
背景技术
利用样品自身的非线性光学效应，例如二次谐波生成，三次谐波生成，可进行生物样品无荧光标记的显微成像，纳米器件的微结构探测，疾病机理的诊断等。光学非线性效应的发生需要强光激发，例如在激光会聚的焦点处。一般情况下，谐波激发需要大数值孔径物镜进行紧聚焦照明。传统透镜的会聚角小于π/2，无法实现更大角度的会聚激发。径向偏振光在聚焦的焦面处有强轴向偏振分量，是谐波生成的一种理想照明光模式。但是对于与横向偏振分量相关的光学非线性系数远大于其他非线性光学系数的样品而言，径向偏振光激发下的光学谐波极化场可能出现双峰模式，从而降低谐波成像分辨率。采用椭球面反射镜聚焦，可以实现角度大于π/2的紧聚焦照明。此外，径向偏振光束在椭球面反射镜聚焦下，在焦面处呈现出的轴向偏振分量强度最大值与径向分量强度最大值之比要大于相同数值孔径的透镜聚焦下的径向偏振光束。
发明内容
本发明设计了一种径向偏振光照明椭球反射镜聚焦光学谐波生成激发方法，可以解决与横向偏振分量相关的光学非线性系数远大于其他非线性光学系数的样品中激发出的谐波极化场呈现双峰分布的问题，而且可以提高谐波显微成像的分辨率。
本发明的目的是这样实现的：
径向偏振光照明椭球反射镜聚焦光学谐波生成激发方法，该光学谐波生成激发方法的理论基础为沃尔夫衍射积分理论。飞秒激光器发出的脉冲激光经过准直，通过偏振态转换器变为径向偏振光后由椭球面反射镜聚焦***聚焦于样品处。通过建立径向偏振光照明椭球面反射镜聚焦***聚焦下的焦点附近电场的三维矢量模型，结合样品的非线性极化率张量矩阵，可以计算出所激发出的谐波极化场强度分布。所述的椭球面反射镜聚焦***包括大数值孔径物镜和椭球面反射镜；所述大数值孔径物镜的焦点和椭球反射镜的远焦点F1重合，椭球面反射镜的近焦点F2位于样品的表面上，进而引起光学非线性效应，激发出光学谐波。其特征在于将径向偏振光照明与椭球面反射镜聚焦相结合用于光学非线性谐波生成的激发。
上述的径向偏振光照明椭球反射镜聚焦光学谐波生成方法，其特征在于利用椭球面反射镜的聚焦特性，可实现数值孔径大于1的光学谐波紧聚焦激发。
上述的径向偏振光照明椭球反射镜聚焦光学谐波生成方法，其特征在于通过增强焦面电场的轴向偏振分量来抑制特定样品谐波极化场的双峰分布。
由于本发明的谐波激发方法中，椭球面反射镜聚焦和径向偏振光照明相结合，在焦面处的轴向偏振分量强度最大值与径向偏振分量强度最大值之比相比于同数值孔径透镜聚焦下有进一步的提高；这种结合应用于谐波激发中，可以实现谐波极化场的单峰模式，消除谐波显微成像中的重影，提高成像分辨率。
附图说明
图1是径向偏振光照明椭球反射镜聚焦光学谐波生成激发方法示意图。
图2是椭球面反射镜聚焦下谐波生成矢量模型坐标定义图。
图3是椭球面反射镜和传统透镜聚焦下所对应的KTP样品激发出的二次谐波极化场强度分布对比图。
图1中：1飞秒激光器、2准直扩束器、3起偏器、4径向偏振光转换器、5大数值孔径物镜、6椭球面反射镜、7样品、8三维载物台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例的径向偏振光照明椭球反射镜聚焦光学谐波生成激发方法示意图如图1所示。该光学谐波激发方法包括飞秒激光器1，准直扩束器2，起偏器3，径向偏振光转换器4，大数值孔径物镜5，椭球面反射镜6，样品7，三维载物台8；飞秒激光器1发出的脉冲激光束依次经过准直扩束器2，起偏器3，径向偏振光转换器4后，由大数值孔径物镜5会聚到椭球面反射镜6表面，再经过椭球面反射镜反射会聚于样品7处，进而引起光学非线性效应，激发出光学谐波；其中样品固定放置在三维载物台8上；大数值孔径物镜的焦点和椭球面反射镜的远焦点F1重合，椭球面反射镜的近焦点F2位于样品的表面上。
本实施例中，椭球面反射镜聚焦下谐波生成矢量模型坐标定义图如图2所示。
径向偏振光经过大数值孔径物镜5会聚到椭球面反射镜6的一个焦点F1，然后被椭球反射镜6反射、会聚到另一个焦点F2。光束的对称轴为z轴，φ为子午平面相对于x轴的方位角，α为透镜的汇聚角，θ为椭球面反射镜的汇聚角。
基于沃尔夫衍射积分理论，可以得到F2附近的的电场分布，包括轴向偏振分量和径向偏振分量:
其中，A＝k·f(a+c)/[2(a-c)]，k＝2π/λ，λ为入射光波长，f为大数值孔径物镜的焦距。ρs，zs分别为聚焦区域的横向坐标和轴向坐标，α＝artan[(t-2c)·tanθ/t]，为消球差透镜的汇聚角，t＝[a2c·tan2θ+ab2(1+tan2θ)]/(a2tan2θ+b2)+c，t为M和F1之间沿着光轴方向的距离。l0(α)为透镜光瞳处的幅值分布函数，θ为椭球面反射镜的汇聚角，θmax为环形孔径照明下汇聚角的最大值，与椭球面反射镜的数值孔径有关，θmax＝arcsin(NA/n)，NA为椭球面反射镜的数值孔径。Jn(·)为第一类n阶贝塞尔函数。
本实施例中，椭球面反射镜和传统透镜聚焦下所对应的二次谐波极化场强度焦面分布对比图如图3所示。在椭球面反射镜6长半轴和短半轴长度比例为5∶3情况下，可以获得KTP样品在NA＝1的椭球面反射镜和传统透镜聚焦下所对应的二次谐波极化场强度在焦面上的分布。可以看出，在传统透镜聚焦下，KTP样品所激发的出的二次谐波极化场强度分布呈现双峰模式，而在椭球面反射镜聚焦下的二次谐波极化场强度分布则呈现单峰分布，且半高宽压缩为传统透镜聚焦下的20％。

Claims (3)

1.一种径向偏振光照明椭球反射镜聚焦光学谐波生成激发方法，其实现方式为：飞秒激光器发出的脉冲激光经过准直***进行准直，经过偏振态转换器变为径向偏振光后由椭球面反射镜聚焦***聚焦于样品处；该方法的理论基础为沃尔夫衍射积分理论，通过建立径向偏振光照明椭球面反射镜聚焦***聚焦下的焦点附近电场的三维矢量模型，结合样品的非线性极化率张量矩阵，可以计算出所激发出的谐波极化场强度分布；所述的椭球面反射镜聚焦***包括大数值孔径物镜和椭球面反射镜；所述大数值孔径物镜的焦点和椭球反射镜的远焦点F1重合，椭球面反射镜的近焦点F2位于样品的表面上；其特征在于将径向偏振光照明与椭球面反射镜聚焦相结合用于光学非线性谐波生成的激发。
2.根据权利要求书1所述的径向偏振光照明椭球反射镜聚焦光学谐波生成激发方法，其特征在于利用椭球面反射镜的聚焦特性，实现数值孔径大于1的光学谐波紧聚焦激发。
3.根据权利要求书1所述的径向偏振光照明椭球反射镜聚焦光学谐波生成激发方法，其特征在于通过椭球面反射镜聚焦来增强焦面电场的轴向偏振分量实现抑制特定样品谐波极化场的双峰分布。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110638424A (zh) * 2019-09-19 2020-01-03 哈尔滨工业大学 一种扫描光片谐波显微成像方法及装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101520304A (zh) * 2009-03-30 2009-09-02 哈尔滨工业大学 移相干涉二次共焦软针孔探测装置与方法
CN202002880U (zh) * 2010-12-20 2011-10-05 福建师范大学 一种生物组织偏振成像的无损实时动态探测装置
CN103075974A (zh) * 2012-12-14 2013-05-01 哈尔滨工业大学 径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101520304A (zh) * 2009-03-30 2009-09-02 哈尔滨工业大学 移相干涉二次共焦软针孔探测装置与方法
CN202002880U (zh) * 2010-12-20 2011-10-05 福建师范大学 一种生物组织偏振成像的无损实时动态探测装置
CN103075974A (zh) * 2012-12-14 2013-05-01 哈尔滨工业大学 径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110638424A (zh) * 2019-09-19 2020-01-03 哈尔滨工业大学 一种扫描光片谐波显微成像方法及装置

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