CN105158834B - 一种轴向线聚焦螺旋波带片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向线聚焦螺旋波带片，该波带片由一系列非连续的螺旋形透光环带和挡光环带交替排列构成，以一定的排布调节不同周期内的螺旋环带坐标，使得入射光经过不同周期内的环带聚焦到不同的焦点处，形成一个空心柱状的线焦点。与具有相同数值孔径的普通螺旋波带片相比，有效拉长光轴上的焦点尺度；设计制作便捷，只需要根据需求，设计螺旋环带的生成公式及每个周期对应的焦距；易于实际推广应用，特别是真空紫外到软X射线波段；在微粒子操控、极紫外光刻、天文学、显微镜、微电力系统等研究领域具有广泛应用前景。

Description

一种轴向线聚焦螺旋波带片

技术领域

本发明属于衍射光学领域，尤其涉及一种轴向线聚焦螺旋波带片。

背景技术

奇点光学作为现代光学的一个重要分支，近年来发展迅速。在位相奇点处，光波场的位相变得不确定，场的振幅为0。光学涡旋是一种特殊的光场，具有螺旋型波前及轨道角动量等特征，光束中心存在相位奇点，具有暗空心结构，已成为近年来学术界的热门研究课题。国内外学者提出了诸如几何模式转换、全息图、螺旋相位板/波带片、液晶空间光调制等方法产生光学涡旋，在微粒子操控、引导、原子俘获、激光通信、边缘增强成像等多个方面展现出了诱人的应用前景。特别的，在X射线领域，考虑到涡旋光束作为光学扳手是通过粒子对光子的吸收而将其角动量传递给粒子实现旋转等操控，由于材料对X射线的吸收在吸收边附近最强，利用这一特性，在微电力系统中，可以实现对粒子的选择性操控。

螺旋波带片是一种简单有效的产生涡旋场的方式，这种波带片结合了光学希尔伯特变换和菲涅尔波带片聚焦的特点，在焦点处形成一个涡旋场；由于螺旋波带片是二值化结构，因此可以广泛应用到微波、太赫兹、红外光、可见光、紫外光、X射线等各个电磁波段。目前已经应用于微粒子操纵、显微成像、天文学等领域。

然而，对微粒子大尺度、长时间的操纵囚禁希望涡旋光场具有小聚焦光斑和轴向线聚焦的特点。然而对常规的聚焦系统来说，轴向线聚焦和小聚焦光斑存在矛盾关系，即小的聚焦光斑需要较大的数值孔径，而轴向尺寸大的焦点需要较小的数值孔径。因此，在数值孔径一定的情况下，如何有效增大螺旋波带片的轴向焦点尺寸是一个非常重要的技术问题。但目前尚没有产生轴向线聚焦涡旋光场的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴向线聚焦螺旋波带片，旨在在数值孔径一定的情况下，有效增大螺旋波带片的轴向焦点尺寸。

本发明是这样实现的，一种轴向线聚焦螺旋波带片由一系列非连续的螺旋形透光环带和挡光环带交替排列构成；环带的极角在每个周期内从2nπ到2(n+1)π连续变化(n＝0,1,2,3……)；每个周期内的透光螺旋状环带坐标满足或者

其中m为周期数，m＝1,2,3……，p为拓扑荷，p＝1,2,3……；r为环带的极径，λ为入射光波的波长，f_m为每个周期对应的焦距。在不同的周期内，调节f_m为不同的值，覆盖一定的焦距范围[f_min,f_max]；每个周期的焦距f_m满足或者M为波带片总的周期。这样构造的波带片在极角的位置处有明显的环带错位，并不是一个整体的连续螺旋结构。

进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片适用于微波、太赫兹、红外光、可见光、紫外光、X射线等各个电磁波段。

进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片是透射式波带片。

进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片基底可为透明基底，或不透明基底。

进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片的透光环带之间添加各种形式的用于自支撑的加强筋。

进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片可以只选取完整对称结构的一部分，或者遮挡中心部分环带只选取边缘的部分环带。

进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片的挡光环带是透明表面上的由额外厚度引起位相差的半波带。

进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片经转印成为为反波带片。

进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片经转复制成为复制波带片。

本发明的轴向线聚焦螺旋波带片具有以下优点：

1、设计制作便捷，只需要根据需求，设计螺旋环带的生成公式及每个周期对应的焦距；

2、加工难度与普通螺旋波带片相当，适用于电子束刻蚀等加工工艺；

3、轴向线聚焦,与相同数值孔径的普通螺旋波带片相比，可以将轴向焦点尺寸提高至10倍；

4、易于实际推广应用，特别是真空紫外到软X射线波段。

附图说明

图1为本发明实施例提供的拓扑荷p＝1的轴向线聚焦螺旋波带片在(x,y)坐标系下的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的拓扑荷p＝1的轴向线聚焦螺旋波带片在(r²,θ)坐标系下的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的轴向线聚焦螺旋波带片的工作原理示意图；

图4为本发明实施例提供的在相同参数下轴向线聚焦螺旋波带片与普通螺旋波带片焦点尺寸的比较图；

图5为本发明实施例提供的轴向不同位置处轴向线聚焦螺旋波带片与普通螺旋波带片焦点的比较图；

图6为本发明实施例提供的轴向线聚焦螺旋波带片的加工制作流程示意图；

图中：1、光刻胶；2、金；3、硅。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

请参阅图1-图6：

本实施例公开了一种适用于软X射线透射式轴向线聚焦螺旋波带片，参考图1和图2；

图1所示为本发明的50周期，p＝1的轴向线聚焦螺旋波带片结构示意图，图中白色填充的螺旋环带为透光部分，黑色区域为不透光部分；图2为本发明在(r²,θ)坐标系下的结构示意图，对于第m个周期的环带，所述的环带由下式决定：

式中，r,f_m,λ分别为极径、极角、第m个环带对应的焦距、波长；其中，f_min,f_max为最内环带周期和最外环带周期的焦距；M＝50，为总的周期数；

轴向线聚焦螺旋波带片基本原理示意图见图3所示。

为更好的说明本发明产生轴向线聚焦涡旋焦点的作用，以下对本发明的衍射特性进行计算机模拟，同时将结果与同参数的螺旋波带片进行对比；采用的光路如图3所示，轴向线聚焦螺旋波带片的参数为：

p＝1,M＝50，λ＝5nm，f_min＝450mm，f_max＝550mm；普通螺旋波带片的参数为：p＝1,M＝50，λ＝5nm，f＝500mm。

图4(a)和(b)分别给出了本发明的轴向线聚焦螺旋波带片与普通螺旋波带片在上述参数下的沿光轴方向光强分布的比较，图中可以发现本发明的焦深，与理论估计的100mm一致，比同等参数的普通螺旋波带片焦深提高一个量级；

图5(a)、(b)、(c)给出了本发明的轴向线聚焦螺旋波带片在距离波带片450mm,500mm,550mm位置处的光斑形貌；图5(d)、(e)、(f)给出了普通螺旋波带片在距离波带片450mm,500mm,550mm位置处的光斑形貌；可以看出本发明所述的轴向线聚焦螺旋波带片在设计的离焦量±50mm处，聚焦光斑远小于同等参数的普通螺旋波带片，轴向线聚焦的焦点尺寸基本不变。

本实例仅给出软X射线波段的衍射特性实例，本发明的轴向线聚焦螺旋波带片仍可适用于其它的波段，如紫外光、可见光及红外光等波段，仅需在本实例下修改相应参数即可。

以上对本发明的轴向线聚焦螺旋波带片结构和聚焦特性进行了详细的描述，为了更好的理解本发明的方案及效果，以下将本发明具体实施例的制造方法进行了详细的描述：

如图6所示，具体步骤如下：

根据实际的应用需求，确定波带片的周期数M、拓扑荷p、目标波长λ、所需的焦距范围[f_min,f_max]等，利用计算机生成波带片的L-Edit格式图形文件；

在双面抛光的(100)晶面的硅片上镀一层金膜，然后涂上一层光刻胶，对硅片基底开孔，形成一块镂空的自支撑金薄膜；

利用数控聚焦电子束光刻设备，由步骤b)中产生的LEDIT文件控制，将如图1所示的波带片版图结构在步骤c产生的薄膜上进行电子束曝光，然后利用显影液和定影液进行显影，得到波带片光刻胶图形；

利用刻蚀溶液对显影区域的金膜进行恰当时间的化学腐蚀，在显影区形成通孔；

去除光刻胶，即得到适用于所需波长的轴向线聚焦螺旋波带片；图6是加工制作流程图，与步骤b、步骤c、步骤d、步骤e相对应。

本发明设计制作便捷，只需要根据需求，设计螺旋环带的生成公式及每个周期对应的焦距；加工难度与普通螺旋波带片相当，适用于电子束刻蚀等加工工艺；轴向线聚焦,与相同数值孔径的普通螺旋波带片相比，可以将轴向焦点尺寸提高至10倍；易于实际推广应用，特别是真空紫外到软X射线波段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种轴向线聚焦螺旋波带片，其特征在于，所述的轴向线聚焦螺旋波带片由一系列非连续的螺旋形透光环带和挡光环带交替排列构成；

环带的极角在每个周期内从2nπ到2(n+1)π连续变化(n＝0,1,2,3……)，每个周期内的透光螺旋状环带坐标满足或者

其中：

m为周期数，m＝1,2,3……；

p为拓扑荷，p＝1,2,3……；

r为环带的极径；

λ为入射光波的波长；

f_m为每个周期对应的焦距；

在不同的周期内，调节f_m为不同的值，覆盖的焦距范围[f_min,f_max]；每个周期的焦距f_m满足或者

M为波带片总的周期数。

2.根据权利要求1所述的轴向线聚焦螺旋波带片，其特征在于，所述轴向线聚焦螺旋波带片适用于微波、太赫兹、红外光、可见光、紫外光、X射线各个电磁波段。

3.根据权利要求1所述的轴向线聚焦螺旋波带片，其特征在于，使用对可见光透明基底，或对可见光不透明基底。

4.根据权利要求1所述的轴向线聚焦螺旋波带片，其特征在于，在所述轴向线聚焦螺旋波带片的透光环带之间添加用于自支撑的加强筋。

5.根据权利要求1所述的轴向线聚焦螺旋波带片，其特征在于，只选取所述轴向线聚焦螺旋波带片完整对称结构的一部分，或者遮挡中心部分环带只选取边缘的部分环带。

6.根据权利要求1所述的轴向线聚焦螺旋波带片，其特征在于，所述轴向线聚焦螺旋波带片的挡光部分是透明环带表面上的由额外厚度引起位相差的半波带。

7.一种反波带片，其特征在于，所述反波带片由权利要求1～6任意一项所述轴向线聚焦螺旋波带片转印而成。

8.一种复制波带片，其特征在于，所述复制波带片由权利要求1～6任意一项所述轴向线聚焦螺旋波带片复印而成。