CN106054303A - 一种获取角向偏振光或径向偏振光的微结构器件 - Google Patents

Abstract

一种获取角向偏振光或径向偏振光的微结构器件，属于光学技术领域。本发明包括圆形器件本体；所述圆形器件本体具有透光区域和非透光区域；所述非透光区域为以所述圆形器件本体的中心作为圆心构成半径为r的区域；所述透光区域为以所述圆心器件本体的中心作为圆心构成半径为R的区域去除所述非透光区域后的区域；所述透光区域上浮雕有以所述圆形器件本体的中心为对称中心成旋转对称的沟槽结构。本发明结构简单，产生偏振光质量高，减少了产生偏振光的光学系统复杂程度，降低了成本。

Description

一种获取角向偏振光或径向偏振光的微结构器件

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于获取角向偏振光或径向偏振光的微结构器件。

背景技术

偏振性是光的一种基本特性。目前，角向偏振光和径向偏振光作为矢量光束得到了大量的研究。它们的产生方法主要有两大类：一类是腔内法，即在激光腔内直接添加特殊光学元器件产生偏振光，如在激光器的谐振腔中放置双折射晶体等介质，通过选模的方法来产生角向偏振光；另一类是腔外法，如螺旋相位板法，组合波片法，相干偏振操纵法，使用径向偏振光转换器等。然而，现有角向偏振光和径向偏振光产生装置大多较为复杂，成本过高，操作及产生光束的过程非常繁琐。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、产生偏振光质量高的微结构器件，以解决上述问题。

本发明提供一种微结构器件，包括圆形器件本体；所述圆形器件本体具有透光区域和非透光区域；所述非透光区域为以所述圆形器件本体的中心作为圆心构成半径为r的区域；所述透光区域为以所述圆心器件本体的中心作为圆心构成半径为R的区域去除所述非透光区域后的区域；所述透光区域上设有以所述圆形器件本体的中心为对称中心成旋转对称的沟槽结构。

该微结构器件利用在器件本体设置透光区域和非透光区域，以及设于透光区域上的沟槽结构，控制出射光的偏振方向，可得到角向偏振光或径向偏振光。本发明结构简单，得到一个实现局部圆偏光与线偏光相互转换的结构。

作为优选，所述圆形器件本体为薄片状。

作为优选，所述沟槽结构由若干条凹陷条纹和若干条突起条纹交错分布构成。

作为优选，相邻突起条纹与凹陷条纹之间的相交线构成曲率不同的沟槽交界线。

作为优选，沟槽周期宽度d随所述透光区域的半径R增大而增大。

作为优选，所述凹陷条纹的宽度与所述突起条纹的宽度相等。

作为优选，所述透光区域上的沟槽结构在器件的同一面上。

作为优选，该微结构器件由高折射率透明光学材料制成。

本发明具有以下有益效果：

本发明微结构器件，结构简单，产生偏振光质量高，减少了产生偏振光的光学系统复杂程度，降低了成本。

附图说明

图1为本发明微结构器件的整体结构示意图；

图2为本发明微结构器件的局部周期结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，本发明一种微结构器件包括圆形器件本体，该器件本体优选为圆形薄片状。所述圆形器件本体的分为两个区域，中心区域为非透光区域，所述非透光区域以所述圆形器件本体的中心作为圆心构成半径为r的区域；剩下的区域为透光区域，所述透光区域是半径大于r的区域，为环形区域，也就是以所述圆心器件本体的中心作为圆心构成半径为R的区域除去所述非透光区域后的区域。所述透光区域上浮雕有沟槽结构。所述沟槽结构以该圆形器件本体的圆心为对称中心呈旋转对称。

如图1、2，所述沟槽结构由若干条凹陷条纹（如图1中白色部分）和若干条突起条纹（如图1中黑色部分）交错分布构成。所述凹陷条纹和所述突起条纹均按相同方向成一定曲率旋转布置，所形成的沟槽结构成旋转对称的。一般，所述微结构器件的沟槽结构数量是固定的，当沟槽的周期宽度d随着半径增大而增大，其中，所述沟槽的周期宽度为所述凹陷条纹宽度和所述突起条纹宽度之和，而在任意一个圆周上沟槽的周期宽度d为常数。

根据矢量光学理论，光波的偏振电矢量可以看作是电矢量垂直于入射面的偏振（s矢量）与电矢量平行于入射面的偏振（p矢量）的叠加。当光束入射如图2所示的周期性沟槽结构时，其出射光束的方向、振幅和相位均会发生相应的变化，其变化的具体数值同沟槽结构的周期宽度d、最终蚀刻深度h、填充因子（a与d的比值）以及材料折射率密切相关。其中，填充因子为一常数，一般为便于加工，可优选为二分之一，即所述凹陷条纹的宽度与所述突起条纹的宽度相等；所述材料折射率也为定值，当制成该微结构器件的材料一定时，材料折射率则一定，该微结构器件优选为高折射率透明光学材料。当这四个主要参数均为合适数值时，器件可使入射光束的s矢量和p矢量产生一个π/2的相差，而对s矢量和p矢量的振幅比以及光束的传播方向不形成改变。在局部的作用如同λ/4波片下，再通过控制沟槽的刻蚀方向，即可以达到控制出射光偏振方向目的，进而可以产生角向偏振光场或者径向偏振光场。沟槽参数与出射光参数之间的关系可以通过严格耦合波理论分析得到，并且有相当高的精度。

制作器件，首先应获取局部沟槽微观结构参数。假定与s矢量夹角为45°的线偏光入射器件，根据严格耦合波理论和如图2所示的器件微观结构，列出相应的严格耦合波方程组，计算出出射光电矢量在x和y方向上振动的复振幅和；检验和是否满足出射光的约束条件：（1）除0级外，其他级次的出射光为0；（2）透射光0级的电矢量复振幅在x和y两个方向上大小相等；（3）透射光0级的电矢量复振幅在x和y两个方向上相位相差π/2。如果不满足，对本次蚀刻深度值进行更新，再代入严格耦合波方程组，直到满足约束条件为止，则此时得到最终蚀刻深度h值，即突起条纹的高度；而周期宽度d是根据器件整体结构得到的，可以根据器件本体周长除以沟槽数量获得，或根据实际加工便利性而人为确定。这样得到了完整的器件沟槽微观局部参数。

之后，还需要确定沟槽整体形状。沟槽凸起条纹和凹陷条纹之间的相交线为沟槽交界线。所述沟槽交界线的数量为所述沟槽数量的两倍；第n条沟槽交界线满足特定极坐标函数（极坐标系原点为器件本体中心），以产生角向偏振光或径向偏振光。

每条凸起条纹具有两侧相邻的凹陷条纹，且凸起条纹与不同相邻凹陷条纹构成曲率不同的交界线，在此我们将对同一条凸起条纹两侧的不同交界线划分为第一侧交界线和第二侧交界线。以角向偏振光为例进行说明，且本申请不局限于角向偏振光。刻蚀沟槽前首先要得到描述沟槽结构的函数。得到了第一侧交界线和第二侧交界线在以器件中心为原点建立的极坐标下的函数方程，整个器件的结构也就随之确定了。由于出射光为角向偏振光，在出射光场中某一点的偏振方向应与此点的方位角方向垂直。根据沟槽切线方向与出射光偏振方向夹角为45°的关系可得知，第一侧交界线和第二侧交界线在极坐标下的函数应为对数函数。

得到沟槽的描述函数后，就可以根据函数，在光学材料表面上刻蚀出相应的结构，以实现器件功能。

上面所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (8)

1.一种获取角向偏振光或径向偏振光的微结构器件，其特征在于，包括圆形器件本体；所述圆形器件本体具有透光区域和非透光区域；所述非透光区域为以所述圆形器件本体的中心作为圆心构成半径为r的区域；所述透光区域为以所述圆心器件本体的中心作为圆心构成半径为R的区域去除所述非透光区域后的区域；所述透光区域上设有以所述圆形器件本体的中心为对称中心成旋转对称的沟槽结构。

2.根据权利要求1所述一种获取角向偏振光或径向偏振光的微结构器件，其特征在于，所述圆形器件本体为薄片状。

3.根据权利要求1所述一种获取角向偏振光或径向偏振光的微结构器件，其特征在于，所述沟槽结构由若干条凹陷条纹和若干条突起条纹交错分布构成。

4.根据权利要求3所述一种获取角向偏振光或径向偏振光的微结构器件，其特征在于，相邻突起条纹与凹陷条纹之间的相交线构成曲率不同的沟槽交界线。

5.根据权利要求3所述一种获取角向偏振光或径向偏振光的微结构器件，其特征在于，沟槽周期宽度d随所述透光区域的半径R增大而增大。

6.根据权利要求3所述一种获取角向偏振光或径向偏振光的微结构器件，其特征在于，所述凹陷条纹的宽度与所述突起条纹的宽度相等。

7.根据权利要求1所述一种获取角向偏振光或径向偏振光的微结构器件，其特征在于，所述透光区域上的沟槽结构在器件的同一面上。

8.根据权利要求1所述一种获取角向偏振光或径向偏振光的微结构器件，其特征在于，该微结构器件由高折射率透明光学材料制成。