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

非线性介质微螺旋器件 Download PDF

Info

Publication number
CN105467600B
CN105467600B CN201610016554.XA CN201610016554A CN105467600B CN 105467600 B CN105467600 B CN 105467600B CN 201610016554 A CN201610016554 A CN 201610016554A CN 105467600 B CN105467600 B CN 105467600B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mrow
micro
mfrac
nonlinear
spiral device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201610016554.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN105467600A (zh
Inventor
匡登峰
董立群
曹燕燕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nankai University
Original Assignee
Nankai University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nankai University filed Critical Nankai University
Priority to CN201610016554.XA priority Critical patent/CN105467600B/zh
Publication of CN105467600A publication Critical patent/CN105467600A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105467600B publication Critical patent/CN105467600B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

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：
<mrow> <mi>&amp;psi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</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>&amp;CenterDot;</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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>
则 <mrow> <mover> <msubsup> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;k</mi> <mi>z</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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。
CN201610016554.XA 2016-01-12 2016-01-12 非线性介质微螺旋器件 Expired - Fee Related CN105467600B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610016554.XA CN105467600B (zh) 2016-01-12 2016-01-12 非线性介质微螺旋器件

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610016554.XA CN105467600B (zh) 2016-01-12 2016-01-12 非线性介质微螺旋器件

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105467600A CN105467600A (zh) 2016-04-06
CN105467600B true CN105467600B (zh) 2017-09-12

Family

ID=55605468

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610016554.XA Expired - Fee Related CN105467600B (zh) 2016-01-12 2016-01-12 非线性介质微螺旋器件

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105467600B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105739132A (zh) * 2016-05-04 2016-07-06 南开大学 非对称微介质双螺旋锥器件
CN106896615A (zh) * 2017-03-10 2017-06-27 南开大学 非线性螺旋相位器件
CN108281800B (zh) * 2017-12-15 2019-11-15 西安电子科技大学 一种涡旋电磁波的发生装置
CN109539976A (zh) * 2018-11-23 2019-03-29 哈尔滨工业大学 基于螺旋相位板的零差干涉仪非线性误差修正方法与装置

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105137127A (zh) * 2015-09-28 2015-12-09 南开大学 介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9389349B2 (en) * 2013-03-15 2016-07-12 Kla-Tencor Corporation System and method to determine depth for optical wafer inspection
JP6188079B2 (ja) * 2014-02-28 2017-08-30 国立大学法人 千葉大学 光渦発生装置及びこれに用いられる連続螺旋型位相板並びに光渦発生方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105137127A (zh) * 2015-09-28 2015-12-09 南开大学 介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
二维涡旋空间孤子在Ｋｅｒｒ型自聚焦介质中的传输及相互作用;李淑青;《中北大学学报（自然科学版）》;20140331;第35卷(第3期);全文 *
非局域非线性介质中多极表面光孤子的解析解及其稳定性分析;蔡善勇;《物理学报》;20120831;第61卷(第15期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105467600A (zh) 2016-04-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105467600B (zh) 非线性介质微螺旋器件
CN105629463B (zh) 一种基于人工微结构超表面的圆偏振光分离器的设计方法
WO2017020792A1 (zh) 一种左旋圆偏振转换的超材料薄膜
Cheng et al. Achromatic terahertz Airy beam generation with dielectric metasurfaces
Zhu et al. Graded index photonic crystals: a review
CN103792605A (zh) 叉形液晶光栅的制备及其在生成涡旋光束中的应用
CN203965658U (zh) 一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透镜
CN104090332A (zh) 一种径向偏振光下的长焦、紧聚焦表面等离激元透镜
CN105137127B (zh) 介质微螺旋锥和金属粮仓形纳米锥复合探针
Liu et al. Smart optically induced nonlinear photonic crystals for frequency conversion and control
Momeni et al. Asymmetric metal-dielectric metacylinders and their potential applications from engineering scattering patterns to spatial optical signal processing
CN107247339A (zh) 一种基于矢量光场的径向偏振特性的双成像方法及系统
Jiang et al. Continuous-phase-transformation elastic metasurface for flexural wave using notched structure
Zhang et al. Study on evolving phases of accelerating generalized polygon beams
Zhou et al. Optical singularity built on tiny holes
CN105182544B (zh) 单轴对称微螺旋锥器件
CN115439422B (zh) 二维空间微分运算及图像边缘检测方法及装置
WO2023130636A1 (zh) 基于单轴晶体的相衬显微模块、设备及方法
CN111562707A (zh) 一种用于超晶格非线性成像过程的迂回编码设计方法
CN106896615A (zh) 非线性螺旋相位器件
CN107908012A (zh) 等腰三角形晶格阵列器件
CN108828787A (zh) 一种微纳结构大视场角消色差波片
CN102402006A (zh) 一种用于产生空心光束的位相型光瞳滤波器
Jiao et al. Improvement of focusing efficiency of plasmonic planar lens by oil immersion
CN113376843A (zh) 基于光学诱导原子晶格的可调涡旋阵列产生方法和装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20170912

Termination date: 20220112

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee