CN105572779A - 一种角向偏振光产生装置及方法 - Google Patents

一种角向偏振光产生装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种角向偏振光产生装置及方法，其装置包括激光器、第一线偏振片、四分之一玻片和角向偏振转换微结构器件，所述激光器、第一线偏振片、四分之一玻片和角向偏振转换微结构器件由前到后依次排列，所述角向偏振转换微结构器件的一级衍射方向上设置有CCD电荷耦合成像器件，所述角向偏振转换微结构器件与所述CCD电荷耦合成像器件之间设置有第二线偏振片。相对现有技术，本发明能获得横截面只有几个微米的角向偏振光束，结构简单、适用范围广。

Description

一种角向偏振光产生装置及方法
技术领域
本发明涉及一种角向偏振光产生装置及方法。
背景技术
随着纳米微结构，微光电器件，人工超材料研究的深入，这类器件和材料的照明与激发光路已显得越来越重要。如表面等离激元开关，表面等离激元逻辑门，表面等离激元透镜，纳米线或纳米波导的照明需要微米尺寸的激光光斑。入射光斑与器件的相互作用与光的偏振状态密切相关。因此，对于产生各种不同偏振状态的微小光斑的研究和方法具有非常重要的科学意义。
利用传统的线偏振检偏器和四分之一玻片很容易获得线偏振光束和圆偏振光束；但是柱面圆对称偏振光束即径向偏振光束和角向偏振光束则需要利用软件控制的液晶组件才能获得；还有一些利用其它方法获得径向偏振光束的报道；但是这些方法获得的光束横截面都非常大，至少也是几个毫米以上；目前还没有直接产生横截面只有几个微米的角向偏振光束的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能获得横截面只有几个微米的角向偏振光束，结构简单、适用范围广的角向偏振光产生装置及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种角向偏振光产生装置，包括激光器、第一线偏振片、四分之一玻片和角向偏振转换微结构器件，所述激光器、第一线偏振片、四分之一玻片和角向偏振转换微结构器件由前到后依次排列，所述角向偏振转换微结构器件的一级衍射方向上设置有CCD电荷耦合成像器件，所述角向偏振转换微结构器件与所述CCD电荷耦合成像器件之间设置有第二线偏振片。
进一步，所述角向偏振转换微结构器件包括石英玻璃基底，所述石英玻璃基底上设置有铬层，所述铬层上设置有金膜，所述金膜上刻蚀对应的微结构。
进一步，所述铬层的厚度为5nm，所述金膜的厚度为150nm。
本发明的有益效果是：激光器发出的激光束无需通过望远镜系统进行扩束和准直，可以直接通过线偏振检偏器和四分之一玻片获得横截面很小的圆偏振光，然后入射角向偏振转换微结构器件获得横截面只有几个微米的角向偏振光束；这样的角向偏振光束可以广泛应用在纳米微结构器件，微光电器件，人工超材料等领域照明和激发；尤其在输出状态与入射偏振相关的表面等离激元光开关，逻辑门，纳米线，纳米波导的照明与激发方面有很好的应用。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种角向偏振光产生方法，包括以下步骤：
步骤S1.激光器发出激光束入射到第一线偏振片上，得线偏振激光束；
步骤S2.线偏振激光束入射到四分之一玻片上，得到圆偏振光；
步骤S3.圆偏振光入射到角向偏振转换微结构器件，角向偏振转换微结构器件衍射一级光束入射到CCD电荷耦合成像器件进行成像；
步骤S4.旋转位于角向偏振转换微结构器件和CCD电荷耦合成像器件之间的第二线偏振片的偏振方向，观察并验证微结构器件衍射一级光束的角向偏振特性。
进一步，所述角向偏振转换微结构器件的制作步骤：在石英玻璃基底上，利用电子束蒸发镀膜依次镀一层铬层和金膜；绘制微结构的二元灰度图像，将二元灰度图像保存成BMP图像，通过聚焦离子束将BMP图像刻蚀在金膜上，得到需要的微结构。
进一步，所述二元灰度图像的实现步骤：绘制计算全息图和圆对称的微结构图，将计算全息图和圆对称的微结构图叠加，再将叠加后的结构二元化。
进一步，所述计算全息图的实现步骤：拓扑荷为1的涡旋位相光束作为物光束，斜入射平面波光束作为参考光束，物光束和参考光束干涉得到条纹图作为计算全息图。
进一步，所述圆对称的微结构图以其中心位置为圆心，将其划分为多个紧邻的圆环，每一个圆环的内外半径差相等，再将每一个圆环沿角向分成周期为入射激光波长三分之一的黑白相间的条纹，黑白占空比为百分之五十；
进一步，所述计算全息图中条纹为相消处，所述计算全息图和圆对称的微结构图叠加叠加后仍为黑色；计算全息图中条纹为增强处，圆对称的微结构图为黑色处，计算全息图和圆对称的微结构图叠加叠加后为黑色。
进一步，所述计算全息图和圆对称的微结构图叠加后的结构二元化具体实现：先将最大灰度值归一化，再将灰度不为零的地方分成两类，当灰度大于0.5时，灰度转换为1，而当灰度小于等于0.5时，灰度转换为0。
本发明的有益效果是：激光器发出的激光束无需通过望远镜系统进行扩束和准直，可以直接通过线偏振检偏器和四分之一玻片获得横截面很小的圆偏振光，然后入射角向偏振转换微结构器件获得横截面只有几个微米的角向偏振光束；这样的角向偏振光束可以广泛应用在纳米微结构器件，微光电器件，人工超材料等领域照明和激发；尤其在输出状态与入射偏振相关的表面等离激元光开关，逻辑门，纳米线，纳米波导的照明与激发方面有很好的应用。
附图说明
图1为本发明一种角向偏振光产生装置的结构示意图；
图2为本发明的物光束与参考光束干涉条纹图；
图3是本发明的圆对称的微结构图；
图4是本发明的微结构灰度图；
图5为本发明的叠加并二元化的微结构灰度图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、激光器，2、第一线偏振片，3、四分之一玻片，4、角向偏振转换微结构器件，5、第二线偏振片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种角向偏振光产生装置，包括激光器1、第一线偏振片2、四分之一玻片3和角向偏振转换微结构器件4，所述激光器1、第一线偏振片2、四分之一玻片3和角向偏振转换微结构器件4由前到后依次排列，所述角向偏振转换微结构器件4的一级衍射方向上设置有CCD电荷耦合成像器件6，所述角向偏振转换微结构器件4与所述CCD电荷耦合成像器件6之间设置有第二线偏振片5。
优选的，所述角向偏振转换微结构器件4包括石英玻璃基底，所述石英玻璃基底上设置有铬层，所述铬层上设置有金膜，所述金膜上刻蚀对应的微结构。
优选的，所述铬层的厚度为5nm，所述金膜的厚度为150nm。
激光器1发出的激光束无需通过望远镜系统进行扩束和准直，可以直接通过第一线偏振片2和四分之一玻片3获得横截面很小的圆偏振光，然后入射角向偏振转换微结构器件4获得横截面只有几个微米的角向偏振光束；这样的角向偏振光束可以广泛应用在纳米微结构器件，微光电器件，人工超材料等领域照明和激发；尤其在输出状态与入射偏振相关的表面等离激元光开关，逻辑门，纳米线，纳米波导的照明与激发方面有很好的应用。
如图2至图5所示，一种角向偏振光产生方法，包括以下步骤：
步骤S1.激光器1发出激光束入射到第一线偏振片2上，得线偏振激光束；
步骤S2.线偏振激光束入射到四分之一玻片3上，得到圆偏振光；
步骤S3.圆偏振光入射到角向偏振转换微结构器件4，角向偏振转换微结构器件4衍射一级光束入射到CCD电荷耦合成像器件6进行成像；
步骤S4.旋转位于角向偏振转换微结构器件4和CCD电荷耦合成像器件6之间的第二线偏振片5的偏振方向，观察并验证微结构器件衍射一级光束的角向偏振特性。
优选的，所述角向偏振转换微结构器件4的制作步骤：在石英玻璃基底上，利用电子束蒸发镀膜依次镀一层铬层和金膜；利用Matlab程序编写绘制微结构的二元灰度图像，将二元灰度图像保存成BMP图像，通过聚焦离子束将BMP图像刻蚀在金膜上，得到需要的微结构；
其中二元灰度图大条纹周期约为波长的两倍，可以通过调节参考光与物光的夹角得到；位于圆环上的沿径向的黑白条纹周期约为波长的三分之一。而一个周期的黑白占比为1比1；
再者聚焦离子束刻蚀时，二元灰度图像的黑色表示金膜保留，而白色表示刻透金膜，二元灰度图像的像素数要大于聚焦离子束所能加工的像素数。
优选的，所述二元灰度图像的实现步骤：绘制计算全息图和圆对称的微结构图，将计算全息图和圆对称的微结构图叠加，再将叠加后的结构二元化。
优选的，所述计算全息图的实现步骤：拓扑荷为1的涡旋位相光束作为物光束，斜入射平面波光束作为参考光束，参考光束为与物光束夹角C的平面波，物光束和参考光束干涉得到条纹图作为计算全息图。
优选的，所述圆对称的微结构图以其中心位置为圆心，将其划分为多个紧邻的圆环，每一个圆环的内外半径差相等，再将每一个圆环沿角向分成周期为入射激光波长三分之一的黑白相间的条纹，黑白占空比为百分之五十；假定第一个圆环为n个周期，则第二个圆环为2n个周期，第三个圆环为3n个周期，以此类推。该结构周期较小。
优选的，所述计算全息图中条纹为相消处，所述计算全息图和圆对称的微结构图叠加叠加后仍为黑色；计算全息图中条纹为增强处，圆对称的微结构图为黑色处，计算全息图和圆对称的微结构图叠加叠加后为黑色。
优选的，所述计算全息图和圆对称的微结构图叠加后的结构二元化具体实现：先将最大灰度值归一化，再将灰度不为零的地方分成两类，当灰度大于0.5时，灰度转换为1，而当灰度小于等于0.5时，灰度转换为0。
激光器1发出的激光束无需通过望远镜系统进行扩束和准直，可以直接通过第一线偏振片2和四分之一玻片3获得横截面很小的圆偏振光，然后入射角向偏振转换微结构器件4获得横截面只有几个微米的角向偏振光束；这样的角向偏振光束可以广泛应用在纳米微结构器件，微光电器件，人工超材料等领域照明和激发；尤其在输出状态与入射偏振相关的表面等离激元光开关，逻辑门，纳米线，纳米波导的照明与激发方面有很好的应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种角向偏振光产生装置，其特征在于：包括激光器(1)、第一线偏振片(2)、四分之一玻片(3)和角向偏振转换微结构器件(4)，所述激光器(1)、第一线偏振片(2)、四分之一玻片(3)和角向偏振转换微结构器件(4)由前到后依次排列，所述角向偏振转换微结构器件(4)的一级衍射方向上设置有CCD电荷耦合成像器件(6)，所述角向偏振转换微结构器件(4)与所述CCD电荷耦合成像器件(6)之间设置有第二线偏振片(5)。
2.根据权利要求1所述一种角向偏振光产生装置，其特征在于：所述角向偏振转换微结构器件(4)包括石英玻璃基底，所述石英玻璃基底上设置有铬层，所述铬层上设置有金膜，所述金膜上刻蚀对应的微结构。
3.根据权利要求2所述一种角向偏振光产生装置，其特征在于：所述铬层的厚度为5nm，所述金膜的厚度为150nm。
4.一种角向偏振光产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1.激光器(1)发出激光束入射到第一线偏振片(2)上，得线偏振激光束；
步骤S2.线偏振激光束入射到四分之一玻片(3)上，得到圆偏振光；
步骤S3.圆偏振光入射到角向偏振转换微结构器件(4)，角向偏振转换微结构器件(4)衍射一级光束入射到CCD电荷耦合成像器件(6)进行成像；
步骤S4.旋转位于角向偏振转换微结构器件(4)和CCD电荷耦合成像器件(6)之间的第二线偏振片(5)的偏振方向，观察并验证微结构器件衍射一级光束的角向偏振特性。
5.根据权利要求4所述一种角向偏振光产生方法，其特征在于，所述角向偏振转换微结构器件(4)的制作步骤：在石英玻璃基底上，利用电子束蒸发镀膜依次镀一层铬层和金膜；绘制微结构的二元灰度图像，将二元灰度图像保存成BMP图像，通过聚焦离子束将BMP图像刻蚀在金膜上，得到需要的微结构。
6.根据权利要求5所述一种角向偏振光产生方法，其特征在于，所述二元灰度图像的实现步骤：绘制计算全息图和圆对称的微结构图，将计算全息图和圆对称的微结构图叠加，再将叠加后的结构二元化。
7.根据权利要求6所述一种角向偏振光产生方法，其特征在于，所述计算全息图的实现步骤：拓扑荷为1的涡旋位相光束作为物光束，斜入射平面波光束作为参考光束，物光束和参考光束干涉得到条纹图作为计算全息图。
8.根据权利要求6所述一种角向偏振光产生方法，其特征在于，所述圆对称的微结构图以其中心位置为圆心，将其划分为多个紧邻的圆环，每一个圆环的内外半径差相等，再将每一个圆环沿角向分成周期为入射激光波长三分之一的黑白相间的条纹，黑白占空比为百分之五十。
9.根据权利要求8所述一种角向偏振光产生方法，其特征在于，所述计算全息图中条纹为相消处，所述计算全息图和圆对称的微结构图叠加叠加后仍为黑色；计算全息图中条纹为增强处，圆对称的微结构图为黑色处，计算全息图和圆对称的微结构图叠加叠加后为黑色。
10.根据权利要求6至9任一项所述一种角向偏振光产生方法，其特征在于，所述计算全息图和圆对称的微结构图叠加后的结构二元化具体实现：先将最大灰度值归一化，再将灰度不为零的地方分成两类，当灰度大于0.5时，灰度转换为1，而当灰度小于等于0.5时，灰度转换为0。
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