本申請涉及光學，尤其涉及一種純相位光學元件及超分辨聚焦方法。
背景技術：
1、由于光學衍射效應的限制，光學系統(tǒng)的極限聚焦尺寸，即聚焦光斑直徑的最小數值，根據瑞利判據，給定為0.61λ/na(λ為入射光波的波長，na為光學系統(tǒng)的數值孔徑)。突破這一衍射極限，在光學波段獲得超越衍射極限的聚焦光斑，對于激光加工、顯微成像和光存儲等多個應用領域均具有深遠的影響。實現超分辨聚焦通常依賴對光場傳輸過程中的干涉效應進行調控，這可以通過設計特殊的光學結構來完成。相關技術中實現超分辨聚焦通常采用純振幅、純相位或者振幅與相位相結合的方式。
2、純振幅型光學元件多通過空間光調制器(slm)或灰度掩膜來實現。然而，這類技術在實際應用中面臨一些挑戰(zhàn)。首先，空間光調制器的透射系數難以精確匹配理論設計值，任何像素透射系數的誤差都會導致實際光場分布與預期結果產生一定的積累偏差。其次，為了精確獲得目標光強分布，slm通常需要在大面積與高空間分辨率兩個關鍵指標之間取得平衡，但這兩者難以同時實現。而相較于振幅調制，純相位光學元件在工藝成熟度、成本控制以及無能量損耗等方面具有顯著優(yōu)勢。純相位光學元件可以通過成熟的微光刻技術制造，避免了空間光調制器在尺寸和分辨率方面的局限性。然而，相關技術中相位型光學元件的設計通常依賴復雜的迭代算法，這增加了設計和優(yōu)化的難度。由振幅型光學元件與相位型光學元件組成的光學系統(tǒng)雖然能夠實現更靈活的光場調控，但其光學系統(tǒng)復雜，容易產生對準誤差，并增加系統(tǒng)成本和維護難度。
技術實現思路
1、有鑒于此，本申請的目的在于提出一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的純相位光學元件及超分辨聚焦方法。
2、基于上述目的，本申請的第一方面，提供了一種純相位光學元件，用于實現平面波的超分辨聚焦功能，其特征在于，包括二元相位光學元件和透鏡，所述二元相位光學元件和所述透鏡或所述透鏡和所述二元相位光學元件沿平面波入射方向依次設置；且所述純相位光學元件的相位由所述二元相位光學元件的相位和所述透鏡的相位疊加；所述二元相位光學元件的相位分布滿足：
3、
4、其中，ρ和θ分別表示入射面的徑向距離和方位角；表示透射相位為0的圓弧角度的一半，即半弧角；n表示角向階數，為正整數；m為參數，表示角向階數為n的二元相位光學元件的相位調制函數。
5、在一些實施方式中，所述二元相位光學元件的所述半弧角與振幅型光學元件的振幅透射系數之間的關系滿足：
6、
7、其中，t(ρ)為振幅型光學元件的振幅透射系數。
8、在一些實施方式中，所述二元相位光學元件在所述徑向距離為ρ的圓周上的等效調制系數滿足：
9、
10、其中，表示虛數單位。
11、在一些實施方式中，所述振幅型光學元件的振幅透射系數分布滿足：
12、
13、所述二元相位光學元件的所述半弧角分布滿足：
14、
15、其中，r表示振幅型光學元件的半徑，r1表示振幅型光學元件內小于r的圓的半徑。
16、在一些實施方式中，所述平面波透射所述純相位光學元件后，在觀察面內的光場分布滿足：
17、
18、其中，平面波的傳播方向為沿z軸方向，xy平面為入射面，(x',y',z')表示觀察面內的觀測點坐標，表示觀測點(x',y',z')處的光場，e0(ρ)＝1表示入射的平面波的振幅，k＝2π/λ表示入射的平面波的波數，λ表示入射的平面波的波長，為虛數單位，表示角向階數為n的二元相位光學元件的相位調制函數，ψlens(ρ)表示透鏡的相位調制函數，表示入射面內的源點(x,y,z＝0)到觀察面內的觀測點(x',y',z')之間的距離。
19、在一些實施方式中，所述平面波透射所述純相位光學元件后，在觀察面內的光強分布滿足：
20、
21、其中，||...||表示求一個復數的模。
22、在一些實施方式中，對于z軸上任意位置z'處的觀測點，所述光場分布滿足：
23、
24、其中，(0,0,z')表示z軸上的觀測點坐標，表示觀測點(0,0,z')處的光場。
25、在一些實施方式中，平面波透射所述純相位光學元件后的軸向光強滿足：
26、
27、其中，||...||表示求一個復數的模。
28、在一些實施方式中，所述透鏡為衍射透鏡。
29、本申請的第二方面，提供了一種超分辨率聚焦方法，包括：
30、利用平面波透射過如第一方面所述的純相位光學元件。
31、從上面所述可以看出，本申請?zhí)峁┑募兿辔还鈱W元件及超分辨聚焦方法，利用振幅型光學元件轉化為二元相位光學元件，再利用二元相位光學元件的相位和透鏡的相位疊加，形成的純相位光學元件，在實現對光場傳輸過程中干涉效應進行調控的同時，避免純振幅型光學元件利用空間光調制器的透射系數難以精準匹配理論設計值，在大面積與高空間分辨率之間難以取得平衡，同時避免了相關技術中相位型光學元件的設計依賴復雜迭代算法的困難，具有設計簡單、快速且精度高的特點。同時純相位光學元件相比于由振幅型光學元件和相位型光學元件組成的光學系統(tǒng)，具有結構簡單、避免對準誤差、節(jié)約成本的優(yōu)勢。
1.一種純相位光學元件，其特征在于，包括二元相位光學元件和透鏡，所述二元相位光學元件和所述透鏡或所述透鏡和所述二元相位光學元件沿平面波入射方向依次設置；且所述純相位光學元件的相位由所述二元相位光學元件的相位和所述透鏡的相位疊加；所述二元相位光學元件的相位分布滿足：
2.根據權利要求1所述的純相位光學元件，其特征在于，所述二元相位光學元件的所述半弧角與振幅型光學元件的振幅透射系數之間的關系滿足：
3.根據權利要求1所述的純相位光學元件，其特征在于，所述二元相位光學元件在所述徑向距離為ρ的圓周上的等效調制系數滿足：
4.根據權利要求2所述的純相位光學元件，其特征在于，所述振幅型光學元件的振幅透射系數分布滿足：
5.根據權利要求1所述的純相位光學元件，其特征在于，所述平面波透射所述純相位光學元件后，在觀察面內的光場分布滿足：
6.根據權利要求5所述的純相位光學元件，其特征在于，所述平面波透射所述純相位光學元件后，在觀察面內的光強分布滿足：
7.根據權利要求5所述的純相位光學元件，其特征在于，對于z軸上任意位置z'處的觀測點，所述光場分布滿足：
8.根據權利要求7所述的純相位光學元件，其特征在于，平面波透射所述純相位光學元件后的軸向光強滿足：
9.根據權利要求1所述的純相位光學元件，其特征在于，所述透鏡為衍射透鏡。
10.一種超分辨率聚焦方法，其特征在于，包括：