CN106066541A - 一种产生广义柱面矢量偏振光束的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种产生广义柱面矢量偏振光束的方法及装置，方法包括：步骤1，在石英玻璃基底上用电子束蒸发镀膜先后镀一层厚度5nm～10nm的铬层和140nm～180nm的金膜；步骤2，利用Matlab编写程序绘制由两种不同尺度的结构图叠加而成的二元灰度图像；步骤3，将二元灰度图像导入聚焦离子束控制软件，刻蚀玻璃基底上的金膜以得到需要的偏振转换微结构；步骤4，将圆偏振光垂直入射到偏振转换微结构上，得到广义柱面矢量偏振光；步骤5，在CCD电荷耦合成像器件前面放置检测线偏振片，并旋转检测线偏振片的偏振方向，检验衍射一级光束的偏振特性。本发明利用偏振转换微结构直接产生广义柱面矢量偏振光束，装置体积小，可广泛应用在纳米微结构器件、微光电器件以及人工超材料等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种广义柱面矢量偏振光束的产生方法及装置，尤其涉及利用偏振转换微结构直接产生广义柱面矢量偏振的远场光束的方法及装置。
背景技术
随着纳米微结构、微光电器件以及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，产生各种不同偏振状态微小光斑的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，目前还没有用微结构直接产生广义柱面矢量偏振光束的方法，本发明利用偏振转换微结构直接产生广义柱面矢量偏振光束，具有装置体积小，不需要复杂的液晶组件等特点，应用广泛。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用偏振转换微结构直接产生广义柱面矢量偏振光束的方法及装置，以及检验产生光束偏振特性的测试方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种利用偏振转换微结构直接产生广义柱面矢量偏振光束并检验产生光束偏振特性的方法，包括：
步骤1，利用电子束蒸发镀膜先在石英玻璃基底上镀一层铬层，然后在铬层之上镀一层金膜；
步骤2，利用Matlab编写程序绘制由两种不同尺度的结构图叠加而成的二元灰度图像；
步骤3，将二元灰度图像导入聚焦离子束控制软件，由聚焦离子束控制软件产生聚焦离子束刻蚀石英玻璃基底上的金膜以得到需要的偏振转换微结构；
步骤4，将激光光束入射到线偏振片得到线偏振光，线偏振光通过四分之一玻片得到圆偏振光，圆偏振光通过偏振转换微结构得到广义柱面矢量偏振光。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，步骤1所述的铬层厚度为5nm～10nm，金膜的厚度为140nm～180nm。
采用上述进一步方案的有益效果是：利于聚焦离子束刻蚀金膜。
进一步地，步骤S2包括以下步骤：
步骤2-1，绘制第一尺度结构图。由拓扑荷为1的涡旋位相光束作为物光束，将斜入射平面波光束作为参考光束，两者干涉得到宽条纹的条纹图，为所述的第一尺度结构图的计算全息图；
步骤2-2，绘制由互相紧邻的N×N个正方形单元组成第二尺度结构图。将每个正方形单元划分为20×20个像素，以第二尺度结构图的中心为坐标原点，建立直角坐标系，以平行于正方形单元水平一边的方向为X轴，以正方形的中心坐标代表该正方形的位置坐标，将该中心坐标与坐标原点的连线相对于X轴的夹角作为该正方形所在位置的方位角，在此正方形内，内切一个在正方形单元中心内的长方形狭缝，以同样的方法计算并画出每一个正方形单元内的狭缝；
步骤2-3，将第一尺度结构图的结构二元化，得到第一尺度结构灰度图，所述二元化方法包括：先将第一尺度结构图的最大灰度值归一化，再将归一化后的第一尺度结构图中灰度不为零的地方分成两类，在灰度大于0.5的区域，将灰度转换为1，在灰度小于等于0.5的区域，将灰度转换为0；
步骤2-4，将第一尺度结构灰度图和第二尺度结构图叠加组合在一起。第一尺度结构图条纹灰度为0的地方，叠加后得到的图像灰度为0；第一尺度结构图条纹灰度为1的地方，与第二尺度结构图狭缝区域叠加后灰度为1，与狭缝区域以外的区域叠加后灰度为0。
采用上述进一步方案的有益效果是：利于得到二元灰度图像，便于聚焦离子束加工。
进一步地，步骤2-2所述狭缝宽度控制为激光波长的三分之一，狭缝的取向为所在正方形单元的方位角加上一个小于180度的固定角度。
采用上述进一步方案的有益效果是：利于绘制第二尺度结构图。
进一步地，所述偏振转换微结构二元灰度图中条纹周期为波长的2倍，通过调节参考光与物光的夹角来实现。
采用上述进一步方案的有益效果是：利于得到二元灰度图像。
进一步地，步骤3所述聚焦离子束刻蚀玻璃基底上的金膜时，二元灰度图像的黑色部分表示保留金膜，白色部分表示刻透金膜。
采用上述进一步方案的有益效果是：利于聚焦离子束刻蚀玻璃基底上的金膜以得到需要的偏振转换微结构。
进一步地，本发明还包括一种广义柱面矢量偏振光的检测方法，该方法包括：广义柱面矢量偏振光通过检测线偏振片后由CCD电荷耦合成像器件接收，旋转检测线偏振片的偏振方向，观察并测试偏振转换微结构远场一级衍射的广义柱面矢量偏振光束的偏振特性。
采用上述进一步方案的有益效果是：便于对广义柱面矢量偏振光的偏振特性进行检测。
为解决上述技术问题，本发明还提出了一种利用偏振转换微结构直接产生广义柱面矢量偏振光束并检验产生光束偏振特性的装置，包括：依次放置的激光器、线偏振片、四分之一玻片以及偏振转换微结构。所述激光器用于产生激光，所述线偏振片用于产生线偏振光，所述四分之一玻片用于产生圆偏振光，所述偏振转换微结构由聚焦离子束控制软件根据两种不同尺度的结构图叠加而成的二元灰度图像，刻蚀镀有铬层以及金膜的玻璃基底上的金膜得到，用于产生广义柱面矢量偏振光。
进一步地，本发明还包括一种广义柱面矢量偏振光的检测装置，具体包括检测线偏振片以及CCD电荷耦合成像器件。所述检测线偏振片用于检测广义柱面矢量偏振光的偏振特性，所述CCD电荷耦合成像器件用于观察并测试并测试偏振转换微结构远场一级衍射的广义柱面矢量偏振光束的偏振特性。
采用上述进一步方案的有益效果是：便于对广义柱面矢量偏振光束的偏振特性进行检测。
本发明的有益效果是：本发明产生广义柱面矢量光束的方法及装置具有装置体积小，不需要复杂的液晶组件，可获得不同角度的径向或角向偏振光束等特点，将圆偏振光通过偏振转换微结构即可获得广义柱面矢量光束，这样的广义柱面矢量偏振光束可以广泛应用在纳米微结构器件，微光电器件以及人工超材料等领域的照明和激发，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多潜在应用。
附图说明
图1为本发明所述一种产生并测试广义柱面矢量偏振光束的光路装置图；
图2为本发明所述二元化的物光束与参考光束干涉条纹图；
图3为本发明所述偏振转换微结构的二元灰度图；
图4为本发明所述广义柱面矢量偏振光束的偏振空间分布。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1.激光器，2.线偏振片，3.四分之一玻片，4.偏振转换微结构，5.检测线偏振片，6.CCD电荷耦合成像器件。
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。
本发明实施例如下：
图1为本发明所述的光路装置图，结合图1，本装置依次包括激光器、线偏振片、四分之一玻片、偏振转换微结构、检测线偏振片、CCD电荷耦合成像器件，所述偏振转换微结构用于将圆偏振光转换为广义柱面矢量偏振光束，所述检测线偏振片用于观察并测试偏振转换微结构远场一级衍射的广义柱面矢量偏振光束的偏振特性。
与上述产生广义柱面矢量偏振光束装置所匹配的方法如下：
步骤1，假定入射激光波长λ＝633nm，首先利用电子束蒸发镀膜先在石英玻璃基底上镀一层铬层，然后在铬层之上镀一层金膜；
本实施例的优选方案，铬层厚度为5nm，金膜厚度为150nm；
步骤2，利用Matlab编写程序绘制由两种不同尺度的结构图叠加而成的二元灰度图像；
步骤2-1，利用Matlab编写程序绘制第一尺度结构图，由拓扑荷为1的涡旋位相光束作为物光束，由斜入射平面波光束作为参考光束，两者干涉得到条纹较宽的条纹图，为所述的第一尺度结构的计算全息图；
步骤2-2，利用Matlab编写程序绘制第二尺度结构图，将每个正方形单元划分为20×20个像素，以第二尺度结构图的中心为坐标原点，建立直角坐标系，以平行于正方形单元水平一边的方向为X轴，以正方形的中心坐标代表该正方形的位置坐标，将该中心坐标与坐标原点的连线相对于X轴的夹角作为该正方形所在位置的方位角，在此正方形内，内切一个通过正方形单元中心的长方形狭缝，以同样的方法计算并画出每一个正方形单元内的狭缝；
所述狭缝宽度控制在激光波长的的大约三分之一，而狭缝的取向则为所在正方形单元的方位角加上一个小于180度的固定角度；
本实施例的优选方案，所述正方形单元的边长为1μm，内切其中的长方形狭缝宽度为200nm；
步骤2-3，将第一尺度结构图的结构二元化，方法是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，如图2所示；
步骤2-4，将两种尺度结构图叠加组合在一起。第一尺度结构图条纹灰度为0的地方，叠加后得到的图像灰度为0；第一尺度结构图条纹灰度为1的地方，与第二尺度结构图狭缝区域叠加后灰度为1，与狭缝区域以外的区域叠加后灰度为0，如图3所示；
本实施例的优选方案，偏振转换微结构二元灰度图中条纹周期约为波长的2倍，可以通过调节参考光与物光的夹角来实现；
本实施例的优选方案，所述聚焦离子束刻蚀玻璃基底上的金膜时，二元灰度图像的黑色部分表示保留金膜，白色部分表示刻透金膜；
步骤3，将二元灰度图像保存成BMP图像格式，并将此图像导入聚焦离子束控制软件，由聚焦离子束刻蚀石英玻璃基底上的金膜以得到需要的偏振转换微结构，加工后结构尺寸控制在30μm×30μm；
步骤4，将激光光束入射到线偏振片，得到线偏振光，然后将线偏振光通过四分之一玻片，得到圆偏振光，然后将圆偏振光通过偏振转换微结构，得到广义柱面矢量偏振光；
步骤5，最后在CCD电荷耦合成像器件前面放置一个检测线偏振片，并旋转检测线偏振片的偏振方向，观察并测试偏振转换微结构远场一级衍射的广义柱面矢量偏振光束的偏振特性。
图4为广义柱面矢量偏振光束的空间偏振分布。
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 (9)
1.一种产生广义柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用电子束蒸发镀膜在石英玻璃基底上镀一层铬层，然后在铬层之上镀一层金膜；
步骤2，利用Matlab编写程序绘制由两种不同尺度的结构图叠加而成的二元灰度图像；
步骤3，将二元灰度图像导入聚焦离子束控制软件，由聚焦离子束控制软件产生聚焦离子束刻蚀石英玻璃基底上的金膜得到偏振转换微结构；
步骤4，将激光光束入射到线偏振片得到线偏振光，线偏振光通过四分之一玻片得到圆偏振光，圆偏振光通过偏振转换微结构得到广义柱面矢量偏振光。
2.根据权利要求1所述的一种产生广义柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，步骤1所述的铬层厚度为5nm～10nm，金膜的厚度为140nm～180nm。
3.根据权利要求1所述的一种产生广义柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，所述的步骤2包括：
步骤2-1，绘制第一尺度结构图，将拓扑荷为1的涡旋位相光束作为物光束，将斜入射平面波光束作为参考光束，两者干涉得到条纹图；
步骤2-2，绘制由互相紧邻的N×N个正方形单元组成第二尺度结构图，将每个正方形单元划分为20×20个像素，以第二尺度结构图的中心为坐标原点，建立直角坐标系，以平行于正方形单元水平一边的方向为X轴，以正方形的中心坐标代表该正方形的位置坐标，将该中心坐标与坐标原点的连线相对于X轴的夹角作为该正方形所在位置的方位角，在此正方形内，内切一个在正方形单元中心内的长方形狭缝，以同样的方法计算并画出每一个正方形单元内的狭缝；
步骤2-3，将第一尺度结构图的结构二元化，得到第一尺度结构灰度图，所述二元化方法包括：先将第一尺度结构图的最大灰度值归一化，再将归一化后的第一尺度结构图中灰度不为零的地方分成两类，在灰度大于0.5的区域，将灰度转换为1，在灰度小于等于0.5的区域，将灰度转换为0；
步骤2-4，将第一尺度结构灰度图和第二尺度结构图叠加组合在一起。
4.根据权利要求3所述的一种产生广义柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，所述狭缝宽度控制为激光波长的三分之一，狭缝的取向为所在正方形单元的方位角加上一个小于180度的固定角度。
5.根据权利要求1所述的一种产生广义柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，所述偏振转换微结构二元灰度图中条纹周期为波长的2倍，通过调节参考光与物光的夹角来实现。
6.根据权利要求1所述的一种产生广义柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，所述聚焦离子束刻蚀玻璃基底上的金膜时，二元灰度图像的黑色部分表示保留金膜，白色部分表示刻透金膜。
7.根据权利要求1所述的一种产生广义柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，还包括一种广义柱面矢量偏振光的检测方法，该方法包括：广义柱面矢量偏振光通过检测线偏振片后由CCD电荷耦合成像器件接收，旋转检测线偏振片的偏振方向，观察并测试偏振转换微结构远场一级衍射的广义柱面矢量偏振光束的偏振特性。
8.一种产生广义柱面矢量偏振光束的装置，其特征在于，包括：依次设置的激光器、线偏振片、四分之一玻片以及偏振转换微结构；
所述激光器用于产生激光；
所述线偏振片用于产生线偏振光；
所述四分之一玻片用于产生圆偏振光；
所述偏振转换微结构由聚焦离子束控制软件根据两种不同尺度的结构图叠加而成的二元灰度图像，刻蚀镀有铬层以及金膜的玻璃基底上的金膜得到，用于产生广义柱面矢量偏振光。
9.根据权利要求8所述的一种产生广义柱面矢量偏振光束的装置，其特征在于，还包括一种广义柱面矢量偏振光的检测装置，具体包括检测线偏振片以及CCD电荷耦合成像器件；
所述检测线偏振片用于检测广义柱面矢量偏振光的偏振特性；
所述CCD电荷耦合成像器件用于观察并测试偏振转换微结构远场一级衍射的广义柱面矢量偏振光束的偏振特性。
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