CN107390382A - 纳米尺度径向偏振环形光源产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米尺度径向偏振环形光源产生装置及方法，装置包括线偏振光发生装置、空间光调制器、傅里叶变换成像系统、角向偏振转换器和聚焦成像装置；所述线偏振光发生装置产生的线偏振光经过空间光调制器的相位调制后，进入傅里叶变换成像系统，再通过角向偏振转换器转换为角向偏振光，最后在聚焦成像装置中形成径向偏振环形光斑。这样的环形光斑可以作为光源,最有效地同时激发环形微结构表面各点的表面等离激元。在集成光电子学器件的重要元件即表面等离激元透镜领域具有非常重要的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种产生纳米尺度径向偏振环形光源的装置，还涉及一种产生纳米尺度径向偏振环形光源的方法。
背景技术
柱面矢量光束包括径向偏振光束和角向偏振光束。径向偏振光束聚焦产生横向尺寸非常小的实心光束，且产生位于光轴上的很强的纵向偏振分量。径向偏振涡旋光束具有轨道角动量，在光通信领域和光操控领域具有应用前景。拓抔荷为2的径向偏振涡旋光束经过高数值孔径聚焦产生环形光斑且具有纵向偏振分量。
未经特殊相位调制的角向偏振光束聚焦产生圆对称环形光斑，且偏振方向仍为角向偏振，没有纵向分量。光斑的偏振方向是光场的一个重要特征。具有特定偏振的光斑在与微纳结构相互作用，以及与具有偶极矩的分子、纳米线、纳米棒相互作用中，其作用强度取决于光斑的偏振方向。
一个纳米尺度无纵向偏振分量的径向偏振环形光斑可以作为径向偏振环形光源,在微纳光学领域具有很多潜在的应用。例如可以用来激发位于金膜上的环形狭缝上的表面等离激元。可以用于周期性多环表面等离激元透镜。而表面等离激元透镜是集成光电子器件中不可或缺的近场器件，可以产生高度压缩和增强的突破传统光学衍射局限的纳米光斑。由于没有纵向分量和角向分量，径向偏振分量与狭缝在圆周上总是相互垂直，因而激发和耦合效率达到最大，而且不会产生对邻近器件干扰的无用噪声。但是目前还没有产生纳米尺度无纵向偏振分量及角向偏振分量、只有径向偏振分量的环形光源的方法或装置。
发明内容
本发明提出了一种纳米尺度径向偏振环形光源产生装置及方法,其目的是：产生纳米尺度径向偏振环形光源。
本发明技术方案如下：
纳米尺度径向偏振环形光源产生装置，其特征在于：包括线偏振光发生装置、空间光调制器、傅里叶变换成像系统、角向偏振转换器和聚焦成像装置；
所述线偏振光发生装置产生的线偏振光经过空间光调制器的相位调制后，进入傅里叶变换成像系统，再通过角向偏振转换器转换为角向偏振光，最后在聚焦成像装置中形成径向偏振环形光斑；
所述环形光斑由若干光斑组成，每个光斑的偏振方向均指向环形光斑的圆周中心且位于成像的焦平面内，当所述环形光斑的圆周半径小于波长量级时，所述环形光斑为纳米尺度的环形光斑。
所述空间光调制器为反射型空间光调制器，所述反射型空间光调制器连接有第一计算机，所述相位调制包括如下步骤：
步骤S1，将物镜的圆形后孔径平面均分为M个面积相同的扇形，M为偶数，每个扇形区域的顶点为入射后孔径平面的中心，扇形的半径为物镜后孔径平面的半径R，每个扇形的圆心角为
步骤S2，将步骤S1划分的每个扇形区域进一步分为N个面积相等的子扇形区域，每个子扇形区域的顶点依然是后孔径平面的中心，每个子扇形区域的半径为圆形后孔径平面的半径R，则每个子扇形区域对应的圆心角为Δθ＝2π/(M×N)；
步骤S3，将(M×N)个子扇形区域进行以下相位调制，第m个扇形区域的第n个子扇形区域中坐标点(x0，y0)的相位调制值ψmn(x0，y0)为：
上式中，m为小于等于M的正整数，N.A.为物镜的数值孔径，λ为波长，R为物镜后孔径的半径，nt为焦点区域的折射率，(x0，y0)为该点在后孔径平面上的直角坐标值；
Δxn和Δyn分别由下两式得到：
Δxn＝rcos(2nπ/N)；
Δyn＝rsin(2nπ/N)；
其中，r为环形光斑的圆周半径；
φ值由以下规则确定:当(x0，y0)位于第m个扇形区域的第n个子扇形区域内,而且点(x0，y0)对应的方位角小于等于2nπ/N、大于2nπ/N-π时,φ＝π,当点(x0，y0)对应的方位角大于2nπ/N,小于等于2nπ/N+π时,φ＝0,即：
将ψmn(x0，y0)绘制成代表0到2π的灰度图；
步骤S4，将绘制的灰度图加载到反射型空间光调制器的反射面上。
所述线偏振光发生装置包括激光器、扩束准直系统、线偏振器和第一分束器，所述激光器产生的激光经过扩束准直系统后变成平行光束，然后经过线偏振器后变成线偏振光，该线偏振光经过第一分束器的反射到达反射型空间光调制器，经过反射型空间光调制器的相位调制和反射后到达傅里叶变换成像系统。
所述聚焦成像装置包括第二分束器、聚焦物镜、反射镜、聚焦透镜、电荷耦合成像器件以及与电荷耦合成像器件相连接的第二计算机；
所述角向偏振转换器转换的角向偏振光透过第二分束器并经过聚焦物镜到达反射镜，所述反射镜位于聚焦物镜的焦平面上；
光线经过反射镜的反射后到达第二分束器，再经过第二分束器的反射后经过聚焦透镜到达电荷耦合成像器件，然后在第二计算机的显示屏上成像。
本发明还提出了一种基于上述的纳米尺度径向偏振环形光源产生装置的纳米尺度径向偏振环形光源产生方法，使用线偏振光发生装置产生线偏振光，所述线偏振光经过空间光调制器的相位调制后，进入傅里叶变换成像系统，再通过角向偏振转换器转换为角向偏振光，最后在聚焦成像装置中形成径向偏振环形光源；
所述环形光斑由若干光斑组成，每个光斑的偏振方向均指向环形光斑的圆周中心且位于成像的焦平面内，当所述环形光斑的圆周半径小于波长量级时，所述环形光斑为纳米尺度的环形光斑。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：提出了一种纳米尺度径向偏振环形光源产生装置及方法，可以同时最有效地激发环形微结构表面各点的表面等离激元。该光源可以用于周期性多环表面等离激元透镜。而表面等离激元透镜是集成光电子器件中不可或缺的近场器件，可以产生高度压缩和增强的突破传统光学衍射局限的纳米光斑。由于没有纵向分量和角向分量，径向偏振分量与狭缝在圆周上总是相互垂直，因而激发和耦合效率达到最大，而且不会产生对邻近器件干扰的无用噪声。
附图说明
图1为纳米尺度径向偏振环形光源产生装置的结构示意图。
图2为本发明产生的每个焦点偏振沿径向分布的12焦点强度图。
图3为本发明产生的每个焦点偏振沿径向分布的12焦点偏振图。
图1中，1.激光器；2.扩束准直系统；3.线偏振器；4.第一分束器；5.反射型空间光调制器；6.第一计算机；7.傅里叶变换成像系统；8.角向偏振转换器；9.第二分束器；10.聚焦物镜；11.反射镜；12.聚焦透镜；13.电荷耦合成像器件；14.第二计算机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。
如图1，一种纳米尺度径向偏振环形光源产生装置，包括线偏振光发生装置、空间光调制器、傅里叶变换成像系统7、角向偏振转换器8和聚焦成像装置，所述空间光调制器为反射型空间光调制器5，品牌Holoeye pluto，像素数1920x1080，像素尺寸8微米。
所述线偏振光发生装置包括激光器1(波长532纳米)、扩束准直系统2、线偏振器3。
所述激光器1产生的激光经过扩束准直系统2后变成平行光束，然后经过线偏振器3后变成线偏振光，在反射型空间光调制器5和傅里叶变换成像系统7之间设有和第一分束器4，该线偏振光经过第一分束器4的反射到达反射型空间光调制器5，经过反射型空间光调制器5的相位调制和反射后透过第一分束器4到达傅里叶变换成像系统7，再通过角向偏振转换器8转换为角向偏振光，最后在聚焦成像装置中形成径向偏振环形光斑。该环形光斑由十二个亚波长光斑组成,十二个光斑位于一个半径很小的圆周上,使得十二个光斑组成一个微纳尺度的环形光斑，并且每个亚波长光斑的偏振方向正好指向光斑所在位置的半径方向，这样的环形光斑可以作为光源,最有效地同时激发环形微结构表面各点的表面等离激元。
所述聚焦成像装置包括第二分束器9、聚焦物镜10、反射镜11、聚焦透镜12、电荷耦合成像器件13以及与电荷耦合成像器件13相连接的第二计算机14。
所述角向偏振转换器8转换的角向偏振光透过第二分束器9并经过聚焦物镜10到达反射镜11，所述反射镜11位于聚焦物镜10的焦平面上；光线经过反射镜11的反射后到达第二分束器9，再经过第二分束器9的反射后经过聚焦透镜12到达电荷耦合成像器件13，然后在第二计算机14的显示屏上成像。
基于上述装置的纳米尺度径向偏振环形光源产生方法为：
所述线偏振光发生装置产生的线偏振光经过空间光调制器的相位调制后，进入傅里叶变换成像系统7，再通过角向偏振转换器8转换为角向偏振光，最后如图2和3在聚焦成像装置焦平面产生偏振独立可控的十二个亚波长焦点光斑。十二个亚波长焦点光斑组成一个环形光斑，且每个光斑的偏振方向均指向圆心。
所述反射型空间光调制器5连接有第一计算机6，通过第一计算机6实现如下相位调制步骤：
步骤S1，将物镜的圆形后孔径平面均分为M个面积相同的扇形，M为偶数，本实施例中M为36，每个扇形区域的顶点为入射后孔径平面的中心，扇形的半径为物镜后孔径平面的半径R，每个扇形的圆心角为
步骤S2，将步骤S1划分的每个扇形区域进一步分为N个面积相等的子扇形区域，本实施例中N为12，每个子扇形区域的顶点依然是后孔径平面的中心，每个子扇形区域的半径为圆形后孔径平面的半径R，则每个子扇形区域对应的圆心角为Δθ＝2π/(432)；
步骤S3，将432个子扇形区域进行以下相位调制，第m个扇形区域的第n个子扇形区域中坐标点(x0，y0)的相位调制值ψmn(x0，y0)为：
上式中，m为小于等于36的正整数，N.A.为物镜的数值孔径1.25，λ为波长，R＝3.2mm为物镜后孔径的半径，nt为焦点区域的折射率1.5，(x0，y0)为该点在后孔径平面上的直角坐标值；
Δxn和Δyn分别由下两式得到：
Δxn＝rcos(2nπ/12)；
Δyn＝rsin(2nπ/12)；
其中，r＝1000nm为环形光斑的圆周半径；
φ值由以下规则确定:当(x0，y0)位于第m个扇形区域的第n个子扇形区域内,而且点(x0，y0)对应的方位角小于等于2nπ/12、大于2nπ/12-π时,φ＝π,当点(x0，y0)对应的方位角大于2nπ/12,小于等于2nπ/12+π时,φ＝0,即：
将ψmn(x0，y0)绘制成代表0到2π的灰度图；
步骤S4，将绘制的灰度图加载到反射型空间光调制器5的反射面上。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (5)
1.纳米尺度径向偏振环形光源产生装置，其特征在于：包括线偏振光发生装置、空间光调制器、傅里叶变换成像系统(7)、角向偏振转换器(8)和聚焦成像装置；
所述线偏振光发生装置产生的线偏振光经过空间光调制器的相位调制后，进入傅里叶变换成像系统(7)，再通过角向偏振转换器(8)转换为角向偏振光，最后在聚焦成像装置中形成径向偏振环形光斑；所述环形光斑由若干光斑组成，每个光斑的偏振方向均指向环形光斑的圆周中心且位于成像的焦平面内，当所述环形光斑的圆周半径小于波长量级时，所述环形光斑为纳米尺度的环形光斑。
2.如权利要求1所述的纳米尺度径向偏振环形光源产生装置，其特征在于：所述空间光调制器为反射型空间光调制器(5)，所述反射型空间光调制器(5)连接有第一计算机(6)，相位调制包括如下步骤：步骤S1，将物镜的圆形后孔径平面均分为M个面积相同的扇形，M为偶数，每个扇形区域的顶点为入射后孔径平面的中心，扇形的半径为物镜后孔径平面的半径R，每个扇形的圆心角为
步骤S2，将步骤S1划分的每个扇形区域进一步分为N个面积相等的子扇形区域，每个子扇形区域的顶点依然是后孔径平面的中心，每个子扇形区域的半径为圆形后孔径平面的半径R，则每个子扇形区域对应的圆心角为Δθ＝2π/(M×N)；
步骤S3，将(M×N)个子扇形区域进行以下相位调制，第m个扇形区域的第n个子扇形区域中坐标点(x0，y0)的相位调制值ψmn(x0，y0)为：
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上式中，m为小于等于M的正整数，N.A.为物镜的数值孔径，λ为波长，R为物镜后孔径的半径，nt为焦点区域的折射率，(x0，y0)为该点在后孔径平面上的直角坐标值；
Δxn和Δyn分别由下两式得到：
Δxn＝rcos(2nπ/N)；
Δyn＝rsin(2nπ/N)；
其中，r为环形光斑的圆周半径；
φ值由以下规则确定:当(x0，y0)位于第m个扇形区域的第n个子扇形区域内,而且点(x0，y0)对应的方位角小于等于2nπ/N、大于2nπ/N-π时,φ＝π,当点(x0，y0)对应的方位角大于2nπ/N,小于等于2nπ/N+π时,φ＝0,即：
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将ψmn(x0，y0)绘制成代表0到2π的灰度图；
步骤S4，将绘制的灰度图加载到反射型空间光调制器(5)的反射面上。
3.如权利要求1所述的纳米尺度径向偏振环形光源产生装置，其特征在于：所述线偏振光发生装置包括激光器(1)、扩束准直系统(2)、线偏振器(3)和第一分束器(4)，所述激光器(1)产生的激光经过扩束准直系统(2)后变成平行光束，然后经过线偏振器(3)后变成线偏振光，该线偏振光经过第一分束器(4)的反射到达反射型空间光调制器(5)，经过反射型空间光调制器(5)的相位调制和反射后到达傅里叶变换成像系统(7)。
4.如权利要求1至3任一所述的纳米尺度径向偏振环形光源产生装置，其特征在于：所述聚焦成像装置包括第二分束器(9)、聚焦物镜(10)、反射镜(11)、聚焦透镜(12)、电荷耦合成像器件(13)以及与电荷耦合成像器件(13)相连接的第二计算机(14)；
所述角向偏振转换器(8)转换的角向偏振光透过第二分束器(9)并经过聚焦物镜(10)到达反射镜(11)，所述反射镜(11)位于聚焦物镜(10)的焦平面上；
光线经过反射镜(11)的反射后到达第二分束器(9)，再经过第二分束器(9)的反射后经过聚焦透镜(12)到达电荷耦合成像器件(13)，然后在第二计算机(14)的显示屏上成像。
5.基于如权利要求1或2所述的纳米尺度径向偏振环形光源产生装置的纳米尺度径向偏振环形光源产生方法，其特征在于：使用线偏振光发生装置产生线偏振光，所述线偏振光经过空间光调制器的相位调制后，进入傅里叶变换成像系统(7)，再通过角向偏振转换器(8)转换为角向偏振光，最后在聚焦成像装置中形成径向偏振环形光斑；所述环形光斑由若干光斑组成，每个光斑的偏振方向均指向环形光斑的圆周中心且位于成像的焦平面内，当所述环形光斑的圆周半径小于波长量级时，所述环形光斑为纳米尺度的环形光斑。
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