CN106094217A - 自聚焦光束发生器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自聚焦光束发生器及其设计方法。该自聚焦光束发生器的设计方法包括：给定一束线偏振光，创建天线数据库；对预期的环形艾里光束传播初始平面的电场的振幅和相位分别进行量化，得到多个量化的第一振幅和多个量化的第一相位；从天线数据库中选择出多个能产生第一振幅和第一相位的天线结构；利用多个天线结构组成二维天线阵列；由基底和具有二维天线阵列的金属膜组成自聚焦光束发生器。本发明实施例的自聚焦光束发生器的设计方法，设计出的自聚焦光束发生器可以实现全波段的光束自聚焦效应，对产生的正交偏振散射光的振幅和相位同时调制，填补了红外波段、太赫兹波段、以及微波波段产生自聚焦光束的空白。

Description

自聚焦光束发生器及其设计方法

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种自聚焦光束发生器及其设计方法。

背景技术

一般来讲，想要实现光波的聚焦需要通过聚焦光学元件，比如，透镜，菲涅尔波带片。但通过这种方式聚焦的光束在聚焦的过程中，光强是逐渐增大的，也就是说在靠近焦点处也会有很高的能量。在一些实际应用中，焦点之外的能量可能会带来不便。因此，需要引入一种突然的自聚焦光束来解决这一问题。突然自聚焦的光束在传播的过程中可以一直保持很低的能量，直到焦点处，光能量会迅速聚积，而这一过程并不需要任何的透镜和非线性介质。环形艾里光束(ring-Airy beam,RAB)就是一种典型的自聚焦光束，它可以被用于激光刻蚀，激光手术，以及粒子光操控等领域。

现有的产生RAB的方法是计算全息，需要利用空间光调制器来实现。具体可分为两类，一类是通过在纯相位反射式的空间光调制器(spatial light modulator,SLM)上加载环形艾里光场的傅里叶变换信息，然后通过一个透镜对反射波进行傅里叶变化来实现；另一类是将RAB和一个平面波干涉的强度图案加载在SLM上，然后通过一个4f系统产生RAB。

利用计算全息的方法总是会引入零级峰和多级衍射，这些都会造成很大的能量损失。更重要的一点是，由于只有可见光波段有空间光调制器，因此，目前产生的RAB也仅限于可见光波段。在太赫兹波段以及其他电磁波段还没有用来产生RAB的方法。

发明内容

本发明的目的是填补微波段、太赫兹波段与红外波段产生自聚焦光束研究的空白，克服现有产生RAB方法存在的引入零级光斑和多级衍射的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种自聚焦光束发生器及其设计方法。

该自聚焦光束发生器的设计方法包括：

给定一束线偏振光，创建天线数据库；

对预期的环形艾里光束传播初始平面的电场的振幅和相位分别进行量化，得到多个量化的第一振幅和多个量化的第一相位；

从所述天线数据库中选择出多个能产生所述第一振幅和所述第一相位的天线结构；

利用所述多个天线结构组成二维天线阵列；

由基底和具有所述二维天线阵列的金属膜组成所述自聚焦光束发生器。

优选地，所述线偏振光为水平偏振的太赫兹光。

优选地，所述多个天线结构为“C”形结构。

优选地，所述天线的开口角度θ的取值范围为0<θ≤π。

优选地，所述天线的对称轴的方位角β的取值范围为-π≤β≤π。

优选地，所述多个量化的第一相位为两个，分别为π和2π；所述多个量化的第一振幅为16个，所述16个第一振幅的变化间隔为最大光强的1/16。

优选地，所述二维天线阵列的相邻两个天线结构的间隔为亚波长。

优选地，所述基底采用硅半导体、砷化镓半导体或石英中的一种；所述金属膜采用金、银、铜或铝中的一种。

根据上述方法设计的自聚焦光束发生器可用于实现全波段的光束自聚焦。该自聚焦光束发生器包括：

基底；

金属膜，设置在所述基底上，所述金属膜具有二维天线阵列结构，所述二维天线阵列包含多个天线结构；

所述多个天线结构为“C”形结构。

所述基底采用硅半导体、砷化镓半导体或石英中的一种；所述金属膜采用金、银、铜或铝中的一种。

优选地，所述二维天线阵列的相邻两个天线结构的间隔为亚波长。

本发明实施例的自聚焦光束发生器的设计方法，设计出的自聚焦光束发生器可以实现全波段的光束自聚焦效应，对产生的正交偏振散射光的振幅和相位同时调制，填补了红外波段、太赫兹波段、以及微波波段产生自聚焦光束的空白。并且因为天线单元是亚波长量级，因此在使用时不会引入多级衍射，也不会像现有技术中的SLM产生没有用的零级光斑，提高了能量利用率。另外本发明实施例的自聚焦光束发生器是透射式器件，与现有的反射式SLM相比，使用方便，又是通过在比如硅基底上刻制二维金属天线阵列制作而成，相比现有的空间光调制器体积大大缩小，实现了光学器件的小型化。

附图说明

图1是本发明实施例的自聚焦光束发生器的部分结构示意图。

图2是本发明实施例的“C”形天线的结构示意图。

图3是本发明实施例的0.8THz的水平偏振光透过参数为R＝40μm、r＝30μm、θ＝100°的“C”形天线产生的正交偏振的散射光的振幅和相位随β的变化曲线。

图4(a)是本发明实施例的参数为r₀＝1.0mm,w＝0.3mm,a＝0.3的RAB初始平面电场的振幅分布的理论值。

图4(b)是本发明实施例的参数为r₀＝1.0mm,w＝0.3mm,a＝0.3的RAB初始平面电场的相位分布的理论值。

图4(c)是本发明实施例的参数为r₀＝1.0mm,w＝0.3mm,a＝0.3的RAB初始平面电场的振幅16阶量化之后的振幅分布的理论值。

图5(a)是本发明实施例的自聚焦光束发生器通过实验产生的RAB初始平面光场的强度分布。

图5(b)是本发明实施例的参数为r₀＝1.0mm,w＝0.3mm,a＝0.3的RAB初始平面光场的强度分布的理论值。

图5(c)是本发明实施例的自聚焦光束发生器分别通过实验和理论模拟产生的RAB初始平面光场沿径向的强度分布曲线对比图。

图6(a)是本发明实施例的自聚焦光束发生器通过实验产生的RAB光场在传播过程中的光强分布。

图6(b)是本发明实施例的预期的RAB通过菲涅尔衍射模拟得到的在传播过程中的光强分布。

图6(c)是本发明实施例的自聚焦光束发生器分别通过实验和菲涅尔衍射模拟产生的RAB光场在传播过程中光轴上的光强分布曲线对比图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例设计出了由一系列的C形金属狭缝天线组成的自聚焦光束发生器，实现了在全波段产生自聚焦光束。

图1是本发明实施例的自聚焦光束发生器的部分结构示意图。该自聚焦光束发生器可用于全波段产生自聚焦光束。如图所示，该自聚焦光束发生器包括：基底11和金属膜12。基底11的材料采用对所用光波段具有高透过率的材料，如硅半导体、砷化镓半导体、石英等在太赫兹波段透过率比较高。基底11的厚度范围为300μm～1000μm。金属膜12可采用良导体，如金、银、铜、铝等贵金属，厚度范围采用远小于入射光波长的范围，当入射光采用太赫兹光时，其厚度可选的范围为100nm～5000nm，设置在基底11上。金属膜12上刻有天线阵列13，可以是方形阵列、圆形阵列或其他形状的阵列，阵列的大小具体根据入射光斑的大小来设定。每一个天线阵元的形状是“C”形，相邻两个天线阵元之间的间隔大小为亚波长。天线阵元可以是狭缝，此时相邻阵元之间是良导体；天线阵元也可以由良导体制成，此时相邻阵元之间是空气。当阵元的结构及阵列的排布都相同时，分别包含这两种形式的天线阵元的两种对应天线阵列，称其中一种为另一种的反结构天线阵列。

图2是本发明实施例的“C”形天线的结构示意图。如图2所示，该“C”形天线的外半径R和内半径r的大小根据入射光的波长来确定，波长越大，R和r均越大。R和r和差值，即天线的宽度根据入射光的透过率大小来确定。天线的开口角度为θ，取值范围为0<θ≤π。天线对称轴的方位角为β，取值范围为-π≤β≤π。当一束线偏振光入射到该C形天线上时，会激发出散射光。散射光中，与入射线偏振光的偏振方向垂直的正交偏振散射光的相位和振幅分别与天线的开口角度θ和天线对称轴的方位角β有关，且满足麦克斯韦方程组。该正交偏振散射光的振幅的调制通过旋转“C”形狭缝，即改变“C”形天线对称轴的方位角β来实现，相位的调制通过调节“C”形天线的开口角度θ来实现。

如上所述，当线偏振光入射时，激发的正交偏振的散射光的振幅与天线对称轴的方位角β有关，相位与天线的开口角度θ有关。因此，可以设计出一系列可以激发出具有不同振幅和相位的正交偏振的散射光的“C”形天线，由它们组成二维天线阵列，实现自聚焦光束。该设计方法具体包括以下步骤：

301、给定一束线偏振光，创建天线数据库。

给定线偏振光的频率，根据线偏振光的频率确定天线的外半径和内半径，并确定一个合适的θ值，通过改变天线的对称轴方位角β，得到一组具有相同θ值和不同β值的天线。

本发明实施例中，入射光为水平偏振的太赫兹光，频率为0.8THz，天线的外半径和内半径分别为40μm和30μm，θ＝100°，β从-45°变化到45°。

图3是本发明实施例的0.8THz的水平偏振光透过参数为R＝40μm、r＝30μm、θ＝100°的“C”形天线产生的正交偏振的散射光的振幅和相位随β的变化曲线。该曲线是通过求解麦克斯韦方程组得到。求解麦克斯韦方程组的方法可采用有限元法、时域有限差分方法(finite-difference time-domain method,FDTD)、边界元法等。本发明实施例中是利用基于FDTD的商业模拟软件FDTD Solution软件对入射线偏振光透过C形天线产生的散射场进行模拟仿真，进而得到正交偏振散射光的振幅和相位。由图3可见，0.8THz的水平偏振光入射到随着对称轴方位角β变化的“C”形天线上时，其产生的正交偏振的散射光的相位值只包括π和2π两个值，振幅是从0到最大值连续变化的。

302、对预期的环形艾里光束(RAB)传播初始平面的电场的振幅和相位分别进行量化，得到多个量化的第一振幅和多个量化的第一相位。

RAB在其初始平面的电场分布为：

$U_0(r,0)=Ai\left(\frac{r_0-r}{w}\right)\exp \&lsqb;a\&CenterDot;\left(\frac{r_0-r}{w}\right)\&rsqb;,---\left(1\right)$

其中，r是光环的半径，r₀是主环半径，w和a分别是缩放长度和截断因子。是艾里函数。

根据公式(1)可计算得到任意RAB初始平面电场的振幅分布和相位分布。

本发明实施例中，选择r₀＝1.0mm,w＝0.3mm,a＝0.3。

图4(a)是本发明实施例的参数为r₀＝1.0mm,w＝0.3mm,a＝0.3的RAB初始平面电场的振幅分布的理论值。振幅从0到最大值连续变化。

图4(b)是本发明实施例的参数为r₀＝1.0mm,w＝0.3mm,a＝0.3的RAB初始平面电场的相位分布的理论值。相位值只包括π和2π两个值。

图4(c)是本发明实施例的参数为r₀＝1.0mm,w＝0.3mm,a＝0.3的RAB初始平面电场的振幅16阶量化之后的振幅分布的理论值。为了从天线数据库中选择适当数量的天线，需要对振幅值和相位值进行量化。因为相位值只包括π和2π两个值，因此得到两个量化的第一相位分别为π和2π。振幅值是连续变化的，因此需要将连续的振幅值进行量化以得到一定数量的量化的第一振幅。将振幅值从0到最大值进行N阶量化，N的值一般选择大于8的任意数值，且越大越好。本发明实施例中，选取N＝16，即对产生的RAB初始平面电场的振幅进行了16阶量化，得到16个不同的第一振幅，第一振幅值从0变化到最大值，变化间隔为最大光强的1/16。

303、从天线数据库中选择出能产生具有上述第一振幅和第一相位的天线结构。

从天线数据库中选择满足条件的天线结构，本发明实施例中，在产生的正交偏振散射光的第一相位为2π的天线结构中，选择16个具有上述步骤中量化后的16个第一振幅值的天线结构，其对称轴方位角β分别为-1°,-3°,-4°,-6°,-7°,-8°,-9°,-10°,-12°,-13°,-17°,-19°,-21°,-25°,-30°,-45°。再从产生的正交偏振散射光的第一相位为π的天线结构中，选择16个具有上述步骤中量化后的16个第一振幅值的天线结构，这16个天线结构与第一相位为2π的16个天线结构互为镜面对称结构，其对称轴方位角β分别为1°,3°,4°,6°,7°,8°,9°,10°,12°,13°,17°,19°,21°,25°,30°,45°。

304、利用上述步骤中选择的天线结构组成二维天线阵列。

根据公式(1)，可以知道所选择的每个天线的坐标，以及每个坐标上对应的振幅和相位的量化值。按照该坐标将所需天线阵元填充到二维阵列的相应位置，便可以得到一个二维天线阵列。

本发明实施例中，将选择好的32个天线阵元按照由公式(1)得到量化之后的RAB初始场的振幅相位分布填充到相应的位置，便可以得到一个二维天线阵列。该天线阵列由100×100个阵元组成，相邻两个天线的间距为100μm，即该二维天线阵列的总面积为10×10mm²。

305、由基底和步骤304设计的二维天线阵列的金属膜组成自聚焦光束发生器。

包括：选定基底的材料、厚度，选定金属膜的材料、厚度，将金属膜设置在基底上，在金属膜上刻制步骤304得到的二维天线阵列，得到自聚焦光束发生器。

基底11的材料采用对所用光波段具有高透过率的材料，如硅半导体、砷化镓半导体、石英等在太赫兹波段透过率比较高。金属膜12可采用良导体，如金、银、铜、铝等贵金属，厚度范围采用远小于入射光波长的范围，当入射光采用太赫兹光时，其厚度可选的范围为100nm～5000nm。

本发明实施例中，基底11的材料采用高阻硅半导体，厚度为500μm；金属膜12采用金材质，厚度为100nm。

本发明实施例中的二维天线阵列也可以设计为上述结构的反结构天线阵列，由这两种结构的天线阵列设计而成的自聚焦光束发生器能够产生相同的光场分布。

利用太赫兹成像系统测试了本发明实施例的自聚焦光束发生器产生的RAB光场在初始面的强度分布以及其传播过程中的自聚焦性能。同时，也利用菲涅尔衍射做了相应的模拟。

图5(a)是本发明实施例的自聚焦光束发生器通过实验产生的RAB初始平面光场的强度分布。

图5(b)是本发明实施例的参数为r₀＝1.0mm,w＝0.3mm,a＝0.3的RAB初始平面光场的强度分布的理论值。

图5(c)是本发明实施例的自聚焦光束发生器分别通过实验和理论模拟产生的RAB初始平面光场沿径向的强度分布曲线对比图。

对比图5(a)和图5(b)，本发明实施例的自聚焦光束发生器通过实验产生的RAB初始平面光场的强度分布与通过公式(1)模拟产生的RAB初始平面光场的强度分布基本一致。图5(c)中实线和虚线分别代表模拟值和实验值，可见沿径向的强度分布的实验值与模拟值也吻合的很好。说明了该自聚焦光束发生器的有效性以及该自聚焦光束发生器设计方法的可行性。

图6(a)是本发明实施例的自聚焦光束发生器通过实验产生的RAB光场在传播过程中的光强分布。

图6(b)是本发明实施例的预期的RAB通过菲涅尔衍射模拟得到的在传播过程中的光强分布。

图6(c)是本发明实施例的自聚焦光束发生器分别通过实验和菲涅尔衍射模拟产生的RAB光场在传播过程中光轴上的光强分布曲线对比图。

实验发现不经过透镜，产生的RAB在传播的过程中就可以实现突然的自聚焦，对比图6(a)和图6(b)发现实验聚焦焦点的位置与模拟聚焦焦点的位置一样。

图6(c)中，曲线的最高点代表光强最大，对应位置即为焦点位置，实线和虚线分别代表模拟值和实验值。可见实验与模拟得到的两个焦点也重合得很好。

综上所述，通过本发明实施例的自聚焦光束发生器的设计方法，设计出的自聚焦光束发生器可以实现全波段的光束自聚焦效应，对产生的正交偏振散射光的振幅和相位同时调制，填补了红外波段、太赫兹波段、以及微波波段产生自聚焦光束的空白。并且因为天线单元是亚波长量级，因此在使用时不会引入多级衍射，也不会像现有技术中的SLM产生没有用的零级光斑，提高了能量利用率。另外本发明实施例的自聚焦光束发生器是透射式器件，与现有的反射式SLM相比，使用方便，又是通过在比如硅基底上刻制二维金属天线阵列制作而成，相比现有的空间光调制器体积大大缩小，实现了光学器件的小型化。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自聚焦光束发生器的设计方法，其特征在于，所述自聚焦光束发生器的设计方法包括：

给定一束线偏振光，创建天线数据库；

对预期的环形艾里光束传播初始平面的电场的振幅和相位分别进行量化，得到多个量化的第一振幅和多个量化的第一相位；

从所述天线数据库中选择出多个能产生所述第一振幅和所述第一相位的天线结构；

利用所述多个天线结构组成二维天线阵列；

由基底和具有所述二维天线阵列的金属膜组成所述自聚焦光束发生器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线偏振光为水平偏振的太赫兹光。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个天线结构为“C”形结构。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天线的开口角度θ的取值范围为0<θ≤π。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述天线的对称轴的方位角β的取值范围为-π≤β≤π。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个量化的第一相位为两个，分别为π和2π；所述多个量化的第一振幅为16个，所述16个第一振幅的变化间隔为最大光强的1/16。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维天线阵列的相邻两个天线结构的间隔为亚波长。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底采用硅半导体、砷化镓半导体或石英中的一种；所述金属膜采用金、银、铜或铝中的一种。

9.一种根据权利要求1所述的方法设计的自聚焦光束发生器，用于实现在全波段产生自聚焦光束，其特征在于，所述自聚焦光束发生器包括：

基底；

金属膜，设置在所述基底上，所述金属膜具有二维天线阵列结构，所述二维天线阵列包含多个天线结构；

所述多个天线结构为“C”形结构；

所述基底采用硅半导体、砷化镓半导体或石英中的一种；

所述金属膜采用金、银、铜或铝中的一种。

10.根据权利要求9所述的自聚焦光束发生器，其特征在于，所述二维天线阵列的相邻两个天线结构的间隔为亚波长。