CN107515470A - 一种振幅调制器件产生椭圆涡旋光的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种振幅调制器件产生椭圆涡旋光的方法，此方法的特征在于通过仿螺旋线生成一类新型的振幅型光子筛，用于指定平面上椭圆涡旋光的产生。此类振幅型光子筛包括透明介质基底、不透光金属薄膜和螺旋状筛孔结构，其特征在于在传统波带片结构上引入仿螺旋线，小孔沿螺旋线排列，生成振幅型仿螺旋光子筛，不需要额外的光学元件，就可以实现涡旋光束产生。这种方法涉及的振幅型光子筛易于加工和复制，可以应用于光通讯、超分辨成像、激光精密加工、微粒操纵、数据储存和遥感等领域，且从X射线到太赫兹波段都适用。

Description

一种振幅调制器件产生椭圆涡旋光的方法
技术领域
本发明涉及衍射光学领域，具体涉及一种振幅型仿螺旋光子筛。
背景技术
所谓涡旋光束即具有连续螺旋相位的光束，换句话说，光束的波阵面既不是平面，也不是球面，而是像旋涡状，具有奇异性。涡旋光束具有柱对称的传播性质，此种光束的涡旋中心是一个暗核，在此光强消，其在传播过程中也保持中心光强为零。涡旋光束的相位波前呈螺旋形分布，所以波矢量有方位项，且其绕着涡旋中心旋转。而正是因为这个旋转，使光波携带了轨道角动量。
国内中国科学院上海光学精密机械研究所李建郎首次发表了基于空心光束泵浦的微片激光器中直接输出涡旋光束的研究。出现了很多产生方法，但大多数都是只是针对某一种特定的涡旋光束而设计的，在实际使用过程中往往会受限制。所以，近几年开始将重点集中于任意涡旋光束产生方法的研究，如国内南京大学和山东师范大学结合液晶空间光调制器构成共光路干涉仪装置，实现了任意涡旋光束的产生，但是这种共光路干涉仪装置结构复杂，对光路中光学元件的位置精度要求非常高，所需的衍射光学元件不易获得，成本高。
相位型的光学元件，例如SLM像素尺寸在3.5-20μm，分辨率不够。随着波长越来越短，相位型光学元件因加工工艺限制，就不能再继续使用，而因为振幅器件没有波长限制，所以振幅器件用来解决短波问题。在光学微控领域，涡旋光可以作为光学镊子(光钳)，光学扳手和原子电动机等，这些都可以用于操控某些微观粒子(包括中性原子或分子等)，但是传统涡旋是圆形的，各向同性，目前还没有见到有关椭圆涡旋光的相关报道，椭圆涡旋光可能在光压方面有更多潜在的应用。
综上，如何采用较为简单的办法和装置实现任意离心率的椭圆涡旋光束，同时还能保证光束质量，同时可以用全振幅调制来实现短波段涡旋光。这仍然是一个亟待解决的问题。
发明内容
1.发明目的：
本发明为了解决如何实现任意离心率的椭圆涡旋光束，同时还能保证光束质量，同时可以用全振幅调制来实现短波段涡旋光的问题，提出一种振幅调制器件产生椭圆涡旋光的方法。2.技术方案：
一种振幅调制器件产生椭圆涡旋光的方法，该方法采用振幅型仿螺旋光子筛产生椭圆涡旋光，所述振幅型仿螺旋光子筛包括透明介质基底、不透光金属薄膜和螺旋状筛孔结构，所述透明介质基底上设有所述不透光金属薄膜，所述螺旋状筛孔结构设在所述不透光金属薄膜上，其特征在于所述螺旋状筛孔结构包括一系列小孔，所述小孔沿螺旋线排列，所述螺旋线的公式为：
其中，m表示螺旋线的圈数，m≥0，m可以取小数，2πm表示从螺旋线的起点开始旋转的总角度，R2πm表示旋转总角度为2πm时，螺旋线上该点到螺旋线中心的距离，R2πm随着旋转总角度2πm变化而连续变化。
r1的取值如下：
其中λ是设计波长，f是参考焦距。
优选地，所述小孔为所述金属薄膜上的通孔。
优选地，所述透明介质基底呈平板形状。
优选地，所述振幅型仿螺旋光子筛适用微波、太赫兹波、红外光、可见光、紫外光、X射线各个电磁波段。
优选地，所述振幅型仿螺旋光子筛适用对可见光透明的透明介质基底。
优选地，所述振幅型仿螺旋光子筛是采用全振幅调制原理。
优选地，所述振幅型仿螺旋光子筛可以产生任意离心率的椭圆涡旋光。
在平面波照明下，所述振幅型仿螺旋光子筛不需要额外的透镜等光学元件即可以产生涡旋光束，并且涡旋光的离心率可以根据小孔的孔径、小孔间距排布的变化而随意调控。且这种振幅型仿螺旋光子筛易于加工和复制，可以应用于光通讯、超分辨成像、激光精密加工、微粒操纵、数据储存和遥感等领域，且从X射线到微波波段都适用。
本发明所述振幅型仿螺旋光子筛可以转印为反光子筛，也可以复制为复制光子筛，且本发明所述光子筛结构只存在挡光和透光两种区域，是一种二值化的结构，易于加工制作。
本发明所述振幅型仿螺旋光子筛设计制作便捷，只需要根据需求设计光子筛相应参数，即可实现不同离心率的涡旋光束。
3.有益效果：
本发明具有以下技术效果：
(1)本发明在平面波照明下，不需要额外的光学元件，就可以实现椭圆涡旋光束产生。
(2)本发明采用全振幅调制的方法，无相位调制，加工成本极低。
(3)本发明产生的涡旋光分辨率可到纳米级别，可应用于光通讯、超分辨成像、激光精密加工、微粒操纵、数据储存和遥感等领域，且从X射线到太赫兹波段都适用。
(4)本发明提出的产生离心率可调的涡旋光的方法，所涉及的光学元器件都是最基本的，结构简单，易于实现，光路稳定性好，实用性强。
(5)这种产生离心率可调的涡旋光束的方法，对涡旋光束在工程中的应用和推广具有重要意义。
附图说明
图1为本发明振幅型仿螺旋光子筛结构的示意图
图2为本发明振幅型仿螺旋光子筛设计图
图3为本发明振幅型仿螺旋光子筛产生涡旋光的能量分布图(纵横坐标单位为微米)
图4为本发明振幅型仿螺旋光子筛产生涡旋光的相位分布图(纵横坐标单位为微米)
图5为本发明振幅型仿螺旋光子筛产生涡旋光的焦长分布图(横坐标单位为微米)
具体实施方式
下面结合实施实例和附图对本发明作进一步说明。
为使发明的目的，技术方案和有点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参考附图，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1-图5：
一种振幅调制器件产生椭圆涡旋光的方法，该方法采用振幅型仿螺旋光子筛产生椭圆涡旋光，所述振幅型仿螺旋光子筛的结构示意图如图1所示，所述振幅型仿螺旋光子筛包括透明介质基底1、不透光金属薄膜2和螺旋状筛孔结构3，所述透明介质基底1上设有所述不透光金属薄膜2，所述螺旋状筛孔结构3设在所述不透光金属薄膜2上，其特征在于所述螺旋状筛孔结构3包括一系列小孔，所述小孔沿螺旋线排列，所述螺旋线的公式为：
其中，m表示螺旋线的圈数，m≥0，m可以取小数，2πm表示从螺旋线的起点开始旋转的总角度，R2πm表示旋转总角度为2πm时，螺旋线上该点到螺旋线中心的距离，R2πm随着旋转总角度2πm变化而连续变化。
r1的取值如下：
其中λ是设计波长，f是参考焦距。此处的波长范围适用于微波、太赫兹波、红外光、可见光、紫外光、X射线各个电磁波段。而本实施例中，入射波长λ为632.8nm，但此波长同样可设于微波、太赫兹波、红外光、可见光、紫外光、X射线各个电磁波段。
所述透明介质基底为平板形状。
最终设计的振幅型仿螺旋光子筛如图2所示。
经过matlab计算后，振幅型仿螺旋光子筛产生涡旋光的能量分布图如图3所示，可得到椭圆涡旋光。
振幅型仿螺旋光子筛产生涡旋光的相位分布图如图4，此椭圆涡旋光以中心为轴。
振幅型仿螺旋光子筛产生涡旋光的焦斑分布图如图5，可以看到椭圆涡旋光的长轴约为60um，椭圆涡旋光的短轴约为46um(如图5中，长轴沿X方向，短轴沿Y方向)。此时得到的椭圆涡旋光的离心率为0.767。
本发明未详细阐述的内容为本领域技术人员的公知常识。
以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种振幅调制器件产生椭圆涡旋光的方法，该方法采用振幅型仿螺旋光子筛产生椭圆涡旋光，所述振幅型仿螺旋光子筛包括透明介质基底、不透光金属薄膜和螺旋状筛孔结构，所述透明介质基底上设有所述不透光金属薄膜，所述螺旋状筛孔结构设在所述不透光金属薄膜上，其特征在于所述螺旋状筛孔结构包括一系列小孔，所述小孔沿螺旋线排列，所述螺旋线的公式为：
<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msqrt> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <msqrt> <mi>m</mi> </msqrt> <mo>)</mo> <msub> <mi>r</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>
其中，m表示螺旋线的圈数，m≥0，m可以取小数，2πm表示从螺旋线的起点开始旋转的总角度，R2πm表示旋转总角度为2πm时，螺旋线上该点到螺旋线中心的距离，R2πm随着旋转总角度2πm变化而连续变化。
r1的取值如下：
其中λ是设计波长，f是参考焦距。
2.如权利要求1所述的一种振幅调制器件产生椭圆涡旋光的方法，其特征在于：所述小孔为所述金属薄膜上的通孔。
3.如权利要求1所述的一种振幅调制器件产生椭圆涡旋光的方法，其特征在于：所述透明介质基底呈平板形状。
4.如权利要求1所述的一种振幅调制器件产生椭圆涡旋光的方法，其特征在于：所述振幅型仿螺旋光子筛适用微波、太赫兹波、红外光、可见光、紫外光、X射线各个电磁波段。
5.如权利要求1所述的一种振幅调制器件产生椭圆涡旋光的方法，其特征在于：所述振幅型仿螺旋光子筛适用对可见光透明的透明介质基底。
6.如权利要求1所述的一种振幅调制器件产生椭圆涡旋光的方法，其特征在于：所述振幅型仿螺旋光子筛是采用全振幅调制原理。
7.如权利要求1所述的一种振幅调制器件产生椭圆涡旋光的方法，其特征在于：所述振幅型仿螺旋光子筛可以产生任意离心率的椭圆涡旋光。
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