CN100370309C - 用多棱锥镜和多棱台镜产生空间光点阵列的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用多棱锥镜和多棱台镜产生多束相干光干涉形成二维和三维光学格子的设备和方法。普通激光器发射的激光束经扩束准直后产生平行的相干光束，该光束入射特定棱数和底角度数的正多棱锥镜或多棱台镜的底面，经玻璃棱锥/台镜时在各个锥面上会分束并发生偏折，各分光束在出射棱锥/台镜后会发生多光束干涉从而产生二维或三维的光点阵列，各光束的夹角由棱锥/台的底角决定，光束的数目由棱数决定。本发明与现有技术相比具有使用简单、制作成本低、易于集成，稳定性好、透过率高，损伤阈值高、应用范围广的优点。

Description

用多棱锥镜和多棱台镜产生空间光点阵列的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种使用多棱锥镜和多棱台镜产生多束相干光干涉形成二维和三维光学格子的设备和方法。

背景技术

光子晶体是一种高折射率对比度材料形成的二维或三维空间周期为波长量级的周期性微结构，它可以产生特定的光子禁带，当光在其中传播时会产生许多奇特的现象，因而在光波导、光存储、光通信等领域有着十分诱人的应用前景。制作可见光到近红外波段的光子晶体是目前的一个重点研究方向，制备方法有很多，如半导体光刻技术、离子束刻蚀、化学刻蚀、激光微加工等，但这些方法都需要昂贵的设备。激光由于具有很好的相干性，用多束激光干涉产生的光强周期点阵分布具有很高的有序度，而且通过改变激光的光束数、传播方向和偏振态，可以产生各式各样的一维、二维和三维光强分布的周期格阵。激光空间干涉光场形成的这种光强周期分布格阵被称为光学格子。这种方法制作光子晶体或光学微结构器件具有设备简单，可一步成型等优点，近年来受到人们的重视。1997年，Berger等人用平面上三个互为60度夹角的光栅对入射激光衍射形成三束平面波干涉，在GaAs中制作了二维六角型周期结构。2001年和2003年，Kondo小组使用飞秒激光及衍射分束器产生四束光干涉，在SU8光刻胶材料上分别利用单光子和双光子吸收效应成功地制备出二维及三维亚微米周期晶格结构。中科院物理所程丙英等人使用激光空间干涉的办法模拟产生晶格图案，并对其进行了机理分析和计算机模拟。山东大学蔡履中等人证明了四个非共面光束干涉可以形成所有14种布拉维点阵，并进行了理论及实验研究。中山大学王霞等人对激光偏振态对干涉图案对比度的影响进行了理论分析，并使用氩离子激光在SU8光刻胶材料上制作了三维面心立方结构。四川大学和中科院光电技术研究所的张锦等人也利用这一方法进行了大面积周期性图形光刻技术的研究。由于在实验中从一束激光中分出多束等光强的光束并调节使其发生干涉需要精密的光路调节与稳定的实验平台，所以大多数研究限于3-6束光的干涉。衍射分束器虽然可以得到多光束，但由于其透过率不高以及加工较困难，激光功率会损失很多且激光模式也会变差，其制作成本也相对较高。

发明内容

本发明目的是提供一种使用多棱锥镜或多棱台镜产生多光束的设备和方法，其解决了现有技术产生多光束需要精密的光路调节与稳定的实验平台、透过率不高、加工较困难、激光功率会损失很多且激光模式也会变差、制作成本相对较高的缺点。

本发明的技术解决方案是：

一种用多棱锥镜和多棱台镜产生空间光点阵列的设备，包括可发射激光束的激光器1，其特殊之处是，其还包括设置在激光束发射方向上的多棱镜3；所述激光束从多棱镜3底面垂直入射进入多棱镜3。

上述设备还可包括设置在激光束发射方向上的扩束准直仪2，所述扩束准直仪2设置在激光器1和多棱镜3之间。

上述扩束准直仪2包括扩束透镜组6和准直透镜组7。

上述扩束透镜组6至少包括一个凸透镜，所述准直透镜组7至少包括一个凸透镜；所述扩束透镜组6和准直透镜组7之间的距离为其焦距之和。

上述多棱镜3为多棱锥镜4或多棱台镜5。

上述激光器1为各种脉冲或连续的激光器。

一种用多棱锥镜产生空间光点阵列的方法，包括以下步骤：

1]取一个多棱锥镜；

2]激光器发射激光束；

3]将激光束从多棱锥镜底面垂直入射进入多棱锥镜，经折射形成多路干涉光束。

上述激光束入射前进行扩束准直。

一种用多棱台镜产生空间光点阵列的方法，包括以下步骤：

1]取一个多棱台镜；

2]激光器发射激光束；

3]将激光束从多棱台镜底面垂直入射进入多棱台镜，经折射形成多路干涉光束。

上述激光束入射前进行扩束准直。

本发明的优点是：

1、使用简单，制作成本低。本发明采用普通光学玻璃作为原料，制作和使用都比较简单，成本比现有技术的光栅或衍射分束器低。

2、易于集成，稳定性好。本发明除了激光器外，最多只需要两个光学器件，所以易于集成到其他仪器设备上，其稳定性比设置在光学平台上的分离器件好。

3、透过率高，损伤阈值高。光学玻璃的透过率高达98％，一般的光栅或衍射分束器的透过率只有50％左右。损伤阀值是指激光对元件的破坏阈值，由于本发明为光学玻璃制作，故具有很高的损伤阈值。

4、应用范围广。本发明使用激光束照射多棱锥镜或多棱台镜实现多光束干涉产生二维和三维光点阵列，不仅可用于光子晶体、阵列光波导等光学微结构的制造，并且在生物医学领域中可以用来产生多光束光镊，同时捕获和操作多个微小粒子，扩展普通单光束光镊的用途。而且由于其体积小易于集成等优点，也可以用于细胞分选和生物芯片技术的研究。

5、可用于各种脉冲或连续的激光器。

附图说明

图1是本设备结构原理示意图；

图2是m束沿z轴对称分布平面波干涉示意图；

图3是m+1束沿z轴对称分布平面波干涉示意图；

图4是平行光通过棱锥镜的平面几何光路示意图；

图5是四棱锥镜形成多光束干涉示意图；

图6是四棱台镜形成多光束干涉示意图；

图7是激光入射正三棱锥镜产生的二维光点阵列示意图；

图8是激光入射正三棱台镜产生的三维光点阵列示意图；

图9是激光入射正四棱锥镜产生的二维光点阵列示意图；

镜，6-扩束透镜组，7-准直透镜组。

具体实施方式

本发明设备包括可发射激光束的激光器1和依次设置在激光束发射方向上的扩束准直仪2、多棱镜3。激光器1可以是各种脉冲或连续的激光器，多棱镜3可以是多棱锥镜4或多棱台镜5，其棱数可以是两棱、三棱、四棱、五棱、六棱……等，随着棱数的增加，点阵的图案也会发生变化，不同棱数的棱锥产生点阵的结构是不同的，其中三棱锥镜产生的二维光点阵列见图7、三棱台镜产生的三维光点阵列见图8、四棱锥镜产生的二维光点阵列见图9、四棱台镜产生的三维光点阵列见图10。扩束准直仪2可对激光束进行扩束和准直，扩束准直仪2可采用多种形式，比较常用的是采用两组透镜，其中一组为扩束透镜组6，另一组为准直透镜组7，最简单的实现方式为两个凸透镜，其中离激光器近的凸透镜用来扩束，离激光器远的凸透镜用来准直，且两个凸透镜的焦点在激光发射方向上重合。如果激光器发射的激光束是平行的激光束(发散角很小)且光束直径不小于5mm，本发明设备可以不用扩束准直仪，激光束直接入射到多棱镜的底面。

本设备的多棱锥镜或多棱台镜由普通光学玻璃、石英或其它透明光学材料构成，经光学切割、研磨、抛光、镀膜等工序加工成特定棱数和底角度数的正多棱锥镜或多棱台镜。平行的相干光束入射多棱锥镜或多棱台镜的底面，经玻璃棱锥/台镜时在各个锥面上会分束并发生偏折，各分光束在出射棱锥/台镜后会发生多光束干涉从而产生二维或三维的光点阵列。各光束的夹角由棱锥/台的底角决定，光束的数目由棱数决定。

以正四棱锥镜为例，如图5所示，激光束经扩束准直后正入射棱锥的底面，在四个锥面上入射光被折射，形成四束与光轴夹角相同的对称分布平面波，并且它们的振幅和初相位也都相同。在棱锥的后面，它们有一段相交的区域，在此形成干涉区。为了产生图3所示的m+1束光，我们将棱锥的顶部磨平抛光，使其可以直接透过一部分入射光形成第m+1束光，如图6所示。

实施例1

使用波长633nm的He-Ne激光照射底角5度的正三棱锥镜，可以得到如图7所示的周期性二维光点阵列。使用波长633nm的He-Ne激光照射底角5度的正三棱台镜，可以得到如图8所示的周期性三维光点阵列。

实施例2

使用波长633nm的He-Ne激光照射底角2度的正四棱锥镜，可以得到如图9所示的周期性二维光点阵列。使用波长633nm的He-Ne激光照射底角2度的正四棱台镜，可以得到如图10所示的周期性三维光点阵列。

多束平面波在空间相干叠加会产生二维或三维的空间光点阵列分布。当各光束之间的夹角较小时(＜10°)，可以近似认为各光束的偏振态都相同。如果光束之间的夹角不满足小角度情况，则计算时必须要考虑到各光束的偏振态关系对干涉光场对比度的影响。为了说明原理，这里我们只考虑各束平面波偏振方向相同的情况，此时可以用标量波来处理。设第j束平面波的复振幅为：

$E_j\left(\stackrel{\→}{r}\right)=E_j\exp (i{\stackrel{\→}{K}}_j\·\stackrel{\→}{r}+i{\mathrm{\δ}}_j)---\left(1\right)$

其中E_j表示电场强度振幅，

是位矢，

是波矢，δ_j是初相位。设θ_j和φ_j分别表示与z轴夹角及其在xy平面内投影与x轴的夹角，λ表示波长，则

${\stackrel{\→}{K}}_j=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[\sin {\mathrm{\θ}}_j\cos {\mathrm{\φ}}_j,\sin {\mathrm{\θ}}_j\sin {\mathrm{\φ}}_j,\cos {\mathrm{\θ}}_j]---\left(2\right)$

设有m束沿z轴对称分布的平面波干涉，如图2所示，此时各束平面波的波矢与z轴夹角都相同(即θ₁＝θ₂＝...＝θ_m＝θ)，各束平面波波矢在xy平面的投影将360°圆周均分(即φ_j＝360°*(j-1)/m，j＝1...m)。所以各波矢的z向分量都相同，干涉场沿z轴方向没有变化，干涉场只在xy平面上形成二维周期性分布。干涉后的电场强度复振幅为：

$E_{\mathrm{tot}}\left(\stackrel{\→}{r}\right)=E_1+E_2+....+E_m---\left(3\right)$

光强分布为：

$I\left(\stackrel{\→}{r}\right)={\left|E_{\mathrm{tot}}\right|}^2=E_{\mathrm{tot}}\·E_{\mathrm{tot}}^{*}---\left(4\right)$

如果在图2光束配置的基础上再引入一束沿z轴传播的平面波k_m+1，如图3所示，由于第m+1束光沿z轴传播，其z轴波矢分量与其它m束z轴波矢分量不同，所以此时干涉场除了在xy平面上形成周期性分布外，沿z轴方向也会有周期性变化，此时这m+1束光干涉会在空间形成三维光学晶格。m+1束光干涉的后的光强分布为：

$I\left(\stackrel{\→}{r}\right){|E_1+E_2+....+E_m+E_{m+1}|}^2---\left(5\right)$

下面分析一下干涉光场的性质。如图4所示，半径为w₀的平行光束垂直对称入射底角为γ的棱锥(棱台)，光束传播方向定义为z轴，纸面上垂直于z轴方向定义为x轴。入射光束经棱锥(棱台)折射分束后会在图示的阴影区内发生干涉，形成沿z轴方向没有变化的二维周期性图案(棱锥情况)，或沿z轴也有周期性变化的三维周期性图案(棱台情况)。干涉区在z轴方向的长度为：

Z_max＝w₀/tgθ(6)

其中θ表示折射光束E₁(或E₂)与z轴的夹角。为了得到较长的干涉区域，棱锥的底角通常加工得很小，此时有近似关系：

θ≈(n-1)γ(7)

其中n是锥镜的折射率。对于棱台产生的m+1束光束，在z方向形成的光强调制周期为：

d₂＝λ/(1-cosθ)≈2λ/[(n-1)γ]²(8)

三维点阵在z方向的周期与棱锥镜底角的平方成反比，xy平面点阵周期也与棱锥底角有关，棱锥底角越大，形成的光格周期越小，但干涉区域也越小。使用短波长的激光(如紫外激光)可以得到周期小的光学格子。

Claims (10)

1.一种用多棱锥镜和多棱台镜产生空间光点阵列的设备，包括可发射激光束的激光器(1)，其特征在于：所述设备还包括设置在激光束发射方向上的多棱镜(3)；所述激光束从多棱镜(3)底面垂直入射进入多棱镜(3)。

2.根据权利要求1所述的用多棱锥镜和多棱台镜产生空间光点阵列的设备，其特征在于：所述设备还包括设置在激光束发射方向上的扩束准直仪(2)，所述扩束准直仪(2)设置在激光器(1)和多棱镜(3)之间。

3.根据权利要求2所述的用多棱锥镜和多棱台镜产生空间光点阵列的设备，其特征在于：所述扩束准直仪(2)包括扩束透镜组(6)和准直透镜组(7)。

4.根据权利要求3所述的用多棱锥镜和多棱台镜产生空间光点阵列的设备，其特征在于：所述扩束透镜组(6)至少包括一个凸透镜，所述准直透镜组(7)至少包括一个凸透镜；所述扩束透镜组(6)和准直透镜组(7)之间的距离为其焦距之和。

5.根据权利要求1至4之任一权利要求所述的用多棱锥镜和多棱台镜产生空间光点阵列的设备，其特征在于：所述多棱镜(3)为多棱锥镜(4)或多棱台镜(5)。

6.根据权利要求5所述的用多棱锥镜和多棱台镜产生空间光点阵列的设备，其特征在于：所述激光器(1)为各种脉冲或连续的激光器。

7.一种用多棱锥镜产生空间光点阵列的方法，其特征在于：所述方法包括：

1]取一个多棱锥镜；

2]激光器发射激光束；

3]将激光束从多棱锥镜底面垂直入射进入多棱锥镜，经折射形成多路干涉光束。

8.根据权利要求7所述的用多棱锥镜产生空间光点阵列的方法，其特征在于：所述激光束入射前进行扩束准直。

9.一种用多棱台镜产生空间光点阵列的方法，其特征在于：所述方法包括：

1]取一个多棱台镜；

2]激光器发射激光束；

3]将激光束从多棱台镜底面垂直入射进入多棱台镜，经折射形成多路干涉光束。

10.根据权利要求9所述的用多棱台镜产生空间光点阵列的方法，其特征在于：所述激光束入射前进行扩束准直。

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