CN105467600B - 非线性介质微螺旋器件 - Google Patents

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Abstract

一种能够产生加速光场、实现能量转移并用于微光学整形、实现特定区域粒子捕获和筛选的非线性介质微螺旋器件。该非线性介质微螺旋器件由介质微螺旋结构构成，当入射光垂直于非线性介质微螺旋器件底面入射并通过该器件之后，光场沿着双曲线状的轨道向前传播，产生角加速度，并形成微聚焦和涡旋光场，通过改变该器件的非线性因子N(1<N<10)，使其产生的能量分布发生转移，产生局部增强，为特定区域的粒子捕获、筛选以及特定方向的粒子驱动提供了新的实现途径，本发明可在光学整形、光学操控、光镊和粒子筛选等领域广泛应用。

Description

非线性介质微螺旋器件
技术领域
本发明属于光学和光电技术领域，涉及微光学器件、微光学整形、光学操纵和粒子筛选，特别是一种能够产生能量转移和角加速度进而实现特定区域粒子捕获和筛选的非线性介质微螺旋器件。
背景技术
光波携带的轨道角动量，对于微光学整形和粒子操纵都至关重要。涡旋光束因其携带轨道角动量而被广泛研究，早期的螺旋相位板是产生涡旋光束最典型的方法。但目前对螺旋结构的研究其相位变化大都为线性的，在入射光、材料和角度确定时所产生的相位差是固定的，产生的能量分布是确定的，且线性螺旋结构不存在角加速度，不利于实现粒子筛选，在光学整形和光学操纵方面具有一定的局限性。
发明内容
本发明目的是为能够实现能量转移产生角加速度从而实现特定区域粒子捕获和筛选的微光场，而提供的一种非线性介质微螺旋器件。
本发明非线性介质微螺旋器件能够使能量分布产生转移产生角加速度，为利用光势阱实现特定区域的粒子捕获以及粒子筛选提供了新的实现途径.
本发明提供能够产生能量转移且仍具有涡旋效应的非线性介质微螺旋器件，该器件在柱状坐标系下的结构方程h(θ)为：
其中：λ是入射光波长，n是介质材料折射率，θ是柱状坐标系下的角度且0≤θ≤2π，N是非线性结构因子，且为大于1小于10的正整数；其中，h(θ)的大小在微米量级。
所述的非线性介质微螺旋器件，因其螺旋的结构特点，产生的光束仍具有涡旋特性。
所述的非线性介质微螺旋器件，引入非线性因子N(1<N<10)，改变N的大小可以实现对该器件能量分布的调制，实现能量转移。
所述的非线性介质微螺旋器件，引入非线性因子N，可以产生角加速度，其相关公式为：
u∝exp{i[ψ(θ)+Δkz·z]}+exp{-i[ψ(θ)+Δkz·z]} (3)
所以，场中固定一点非线性下的传播距离：
则
所以θ″(z)≠0，即角加速度不等于零。其中，ψ(θ)为关于θ的相位分布，u为光场的复振幅，Δkz为传播方向z波矢变化量，z为传播方向，θ′(z)为角速度，θ″(z)为角加速度。
本发明的优点和积极效果：
本发明提供的非线性介质微螺旋器件，当入射光垂直入射器件底面并通过该器件时，其能量传播呈近似双曲线分布，并形成涡旋光束。通过改变非线性介质微螺旋器件中的非线性因子N(1<N<10)，能量传播的双曲线分布未发生改变，但是可以使最强能量分布发生偏移并形成涡旋光束，而传统的螺旋相位板是线性螺旋，在入射光、材料和角度确定时所产生的相位差是固定的，其能量分布也是确定的，而且不产生角加速度。而在线性结构中引入非线性因子，可以改变能量分布和转移并产生角加速度，为实现特定区域粒子的捕获以及粒子筛选提供有力条件。
附图说明
图1是能产生能量转移的非线性介质微螺旋器件的三视图。其中：(a)是非线性介质微螺旋器件的主剖视图；(b)是非线性介质微螺旋器件的右剖视图；(c)是非线性介质微螺旋器件的俯视图。
图2是用时域有限差分方法(FDTD)计算的线偏振光垂直入射非线性因子N分别为2、3、4时的该器件的电场分布模拟计算结果。其中：(a)、(b)、(c)分别为N＝2时电场E在yz平面、xz平面及xy平面上的强度分布图；(d)、(e)、(f)分别为N＝3时电场E在yz平面、xz平面及xy平面上的强度分布图；(g)、(h)、(i)分别为N＝4时电场E在yz平面、xz平面及xy平面上的强度分布图。
图3是线振偏光垂直入射非线性因子N分别为2、3、4时的该器件在焦点处xy平面上的坡印廷矢量Sxy的模拟分布：(a)N＝2时，坡印廷矢量Sxy的分布；(b)N＝3时，坡印廷矢量Sxy的分布；(c)N＝4时，坡印廷矢量Sxy的分布，其中白色箭头表示矢量Sxy的方向。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明提供的能产生能量转移和角加速度的非线性介质微螺旋器件由介质微螺旋结构构成，其在柱状坐标系的结构方程h(θ)为：
其中：λ是入射光波长，n是介质材料折射率，θ是柱状坐标系下的角度且0≤θ≤2π；h(θ)的大小在微米量级。
本发明中非线性介质微螺旋器件的制作可采用光刻工艺和干法刻蚀技术来实现。其具体步骤如下：
(1)利用激光直写/电子束直写方法在光敏介质上曝光，并通过显影制作非线性介质微螺旋器件。
(2)利用反应离子刻蚀/电感耦合等离子体刻蚀技术将非线性介质微螺旋器件转移到光学玻璃上。
具体应用实例1
非线性介质微螺旋器件的具体参数以如下为例：
材料为玻璃，折射率n＝1.5，入射波长λ＝550nm，在时域有限差分计算方法(FDTD)中，取非线性介质微螺旋锥底面半径R＝2μm，以入射光为线偏振光为例进行模拟计算分析，并且线偏振光取偏振方向沿x轴正方向。
图2是用时域有限差分方法(FDTD)计算的线偏振光垂直入射非线性因子N分别为2、3、4时的该器件的电场分布。其中：(a)、(b)、(c)分别为N＝2时电场E在yz平面、xz平面及xy平面上的强度分布图；(d)、(e)、(f)分别为N＝3时电场E在yz平面、xz平面及xy平面上的强度分布图；(g)、(h)、(i)分别为N＝4时电场E在yz平面、xz平面及xy平面上的强度分布图。由图中可以看出，不同非线性因子的器件产生的光场总强度并没有多大差异，而在yz平面、xz平面和xy平面上的电场最强能量分布随N的不同发生了转移。
图3是线振偏光垂直入射非线性因子N分别为2、3、4时的该器件在焦点处xy平面上的坡印廷矢量Sxy的模拟分布：(a)N＝2时，坡印廷矢量Sxy的分布；(b)N＝3时，坡印廷矢量Sxy的分布；(c)N＝4时，坡印廷矢量Sxy的分布，其中白色箭头表示矢量Sxy的方向。当改变非线性因子N时，由图中可以看出，其仍能产生效果较好的涡旋光束。
当入射光垂直入射器件底面并通过该器件时，其能量传播呈近似双曲线分布，并在顶端形成涡旋光束。通过改变非线性介质微螺旋器件中的非线性因子N(1<N<10)，能量传播的双曲线分布未发生改变，但是可以使能量分布发生转移并产生较好的涡旋光束。相对于传统的线性螺旋相位板，本发明提出的非线性介质螺旋器件，通过改变非线性因子N，可以根据要求改变其能量分布并产生角加速度，为利用光势阱实现特定区域的粒子捕获和实现粒子的筛选提供了新的途径。

Claims (4)

1.一种能够产生能量转移并用于微光学整形、实现特定区域粒子捕获的非线性介质微螺旋器件，其特征在于介质微螺旋为非线性的，该器件在柱状坐标系下的结构方程h(θ)为：
<mrow> <mi>h</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>&amp;lambda;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>N</mi> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中：λ是入射光波长，n是介质材料折射率，θ是柱状坐标系下的角度且0≤θ≤2π，N是非线性结构因子，且为大于1小于10的正整数；其中，h(θ)的大小在微米量级；
当入射光垂直于非线性介质微螺旋器件底面入射并通过该器件之后，光场沿着双曲线状的轨道向前传播，形成微聚焦场。
2.根据权利要求1所述的非线性介质微螺旋器件，其特征在于当结构参数和介质材料确定时，入射光通过该器件之后，产生的微光场仍具有涡旋效应。
3.根据权利要求1或2所述的非线性介质微螺旋器件，其特征在于通过改变非线性介质微螺旋器件的非线性因子N，1<N<10，非线性介质微螺旋器件的能量分布发生转移，产生局部增强。
4.根据权利要求1或2所述的非线性介质微螺旋器件，其特征在于结构中引入非线性因子，能够产生角加速度，相关公式为：
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u∝exp{i[ψ(θ)+Δkz·z]}+exp{-i[ψ(θ)+Δkz·z]} (3)
所以，场中固定一点非线性下的传播距离：
<mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msub> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>N</mi> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;k</mi> <mi>z</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>z</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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所以θ″(z)≠0，即角加速度不等于零；其中，ψ(θ)为关于θ的相位分布，u为光场的复振幅，Δkz为传播方向z波矢变化量，z为传播方向，θ′(z)为角速度，θ″(z)为角加速度。
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