CN107728236A - 产生纳米尺度纵向光斑链的超构表面元件及产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种产生纳米尺度纵向光斑链的超构表面元件及产生方法。不同取向或尺寸的纳米天线对入射光进行散射，散射光的相位产生不同的突变，按一定规律将不同取向的纳米天线组成阵列，从而形成超构表面元件，可以实现对入射圆偏振光沿轴向等间距的多点聚焦，产生光斑链。设计时将材料表面划分成亚波长的正方形单元阵列。当正方形单元中心在确定的半径和方位角，施加与之对应的相位调制值。相位调制由镶嵌在正方形单元内的不同取向的长方体纳米天线完成。用圆偏振光入射该超构表面元件产生纳米尺度纵向等间距光斑链。该系统可以组成微型的光镊探针，用于纵向排列或堆砌被操纵的纳米微粒。
Description
技术领域
本发明涉及一种超构表面元件，尤其是一种能产生纳米尺度纵向光斑链的人工超构表面元件，同时还涉及一种基于该元件产生纳米尺度纵向光斑链的方法。
背景技术
由于不同尺寸或取向的金属或电介质纳米天线对入射光散射可以产生相位突变效应和偏振选择效应，在基底表面利用镀膜技术和现代微加工技术，可以加工按相位调制所需要的各类纳米天线阵列，从而得到对入射光的相位、偏振进行调制的各种超构表面元件和器件，如偏振转换器、分束器、色散元件、无色差聚焦透镜等。这类器件厚度和尺寸通常可以在微米量级，因而体积极小，重量轻，易于进行光电子学器件大规模集成，是未来的发展方向。
利用传统的高数值孔径物镜进行矢量光束聚焦，通过相位、振幅或偏振调制能够产生各种各样的聚焦光斑，如环形光斑、链状光斑、螺旋光斑、针状光斑、隧道形光斑、球状光斑、二维阵列光斑和三维阵列光斑。这些光斑在超分辨荧光成像、共焦显微镜、超精密激光并行加工、光刻技术、超分辨激光增材制造、微纳米尺度激光捕获操控以及光学数据存储等领域具有非常广泛的应用。但是随着器件和设备向着小型化、多功能化方向发展，传统的高数值孔径物镜体积显得越来越笨重，已经越来越不适应小型化、多功能化、集成化的要求。对微纳米粒子进行操控、排列和堆砌的纵向光斑链光镊系统也同样需要向着小型化、便携式和多功能化方向发展。
目前还没有能够替代传统的高数值孔径物镜和相位调制元件组合产生纵向等间距光斑链的微型光电材料或器件。
发明内容
本发明提出了一种产生纳米尺度纵向光斑链的超构表面元件及产生方法，其目的是：提供一种微型光电材料来替代传统的高数值孔径物镜和相位调制元件组合，为光镊系统等设备向小型化、多功能化、集成化的方向发展奠定基础。
本发明技术方案如下：
一种产生纳米尺度纵向光斑链的超构表面元件，通过下述步骤制作：
(1)选择基底材料，在基底材料上镀膜，并根据波长确定亚波长尺寸正方形单元的边长尺寸；
(2)将膜表面划分成MxM个亚波长尺寸正方形单元；以材料中心点为中心，作辐射状射线将基底材料表面划分为若干分区，每个分区再从材料中心点作射线进一步划分成若干中心角相等的子区域，每个分区所包含的子区域的数量n与要产生的光斑链的光斑数相等，每个分区的第i个子区域均对应第i个光斑；
(3)在每个正方形单元中心嵌套一个狭缝，所述狭缝与正方形单元的横向边相平行；
(4)以膜表面中心点为坐标原点建立直角坐标系，所述坐标系的x轴与正方形单元的横向边相平行，根据各正方形单元中心所在的以原点为圆心的圆周的半径、以及该正方形单元中心在该圆周上相对于直角坐标系的方位角，确定该正方形单元内的狭缝需要旋转的角度；
(5)根据计算出的各狭缝需要旋转的角度确定狭缝最终的角度，然后加工各正方形单元内的狭缝，将狭缝位置的膜刻透。
进一步地：所述狭缝需要旋转的角度所述为聚焦球面波产生焦距为f所需要的相位调制值的一半，所述为使产生的光斑沿与超构表面元件垂直的方向产生位移所需要的相位调制值的一半，所述位移是指光斑相对于超构表面元件焦平面的位移。
进一步地：对于中心在分区中第i个子区域的正方形单元中的狭缝，所需要旋转的角度：
上式中，λ为入射光波长，f为焦平面对应的焦距，r为该狭缝所在的正方形单元的中心所在的以原点为圆心的圆周的半径，Δzi为该第i个子区域所对应的光斑相对于超构表面元件焦平面的位移。
进一步地：使用镀膜和聚焦离子束加工方法加工所述狭缝。
基于所述的超构表面元件产生纳米尺度纵向光斑链的方法：以圆偏振光垂直入射所述的超构表面元件,在超构表面元件后沿垂直超构表面元件的方向产生等间距光斑链。
进一步地：所述圆偏振光的产生方法为，将激光束通过相应波长的线偏振器和四分之一波片转换成圆偏振光。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：第一，整个超构表面元件是一个平面二维元件，尺寸、厚度都非常小，可以在微米量级，非常易于集成；第二，整个纵向等间距排列的光斑链由超构表面元件统一完成，无需额外制作相位调制元件，也无需利用空间光调制器以及傅里叶变换成像系统即可实现纵向等间距排列的光斑链。
附图说明
图1为本发明超构表面元件设计原理示意图，其中：101为超构表面元件的正方形单元；102为以超构表面元件中心为圆心的圆周；103为辐射状射线划分出的分区，整个圆周等分为偶数个分区，每个分区又被分为五个子区域。
图2为本发明超构表面元件俯视图，通过不同旋转角度的狭缝阵列实现特定相位调制。
图3为本发明实现纵向等间距排列的光斑链的装置示意图，其中：201为激光器，202为线偏振器，203为四分之一波片，204为本发明制作出的超构表面元件，205为纵向等间距排列的光斑链。
图4为利用本发明方法制作的超构表面元件所产生的纵向等间距排列的光斑链的示意图。
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，下面将结合本发明中的附图，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一部分实施例，而不是全部的实施例。
首先确定要设计的超构表面元件的尺寸、所用的基底材料、要产生的光斑数以及间距。本实施例中超构表面元件的外形为正方形，边长为80微米，基底材料为0.17毫米厚度石英玻璃。焦平面为60微米，光斑数量5个。所用激光波长为633纳米。按照以下步骤进行设计、制作与验证：
步骤1：在基底材料上镀膜，根据波长确定亚波长尺寸正方形单元101的边长尺寸，本实施例中边长尺寸为500纳米；
步骤2：如附图1所示，将膜表面划分成160X160个亚波长尺寸正方形单元，形成正方形阵列；以材料中心点为中心，作辐射状射线将基底材料表面划分为若干个分区103，本实施例为等分出36个分区，每个分区103再从材料中心点作射线进一步划分成五个中心角相等的子区域，需要说明的是，子区域的数量要与将产生的光斑链的光斑数相等，每个分区的第i个子区域均对应第i个光斑。
步骤3：在每个正方形单元中心嵌套一个具有一定长宽比的狭缝，本实施例中狭缝长度400纳米、宽度90纳米，所述狭缝与正方形单元的横向边相平行。
步骤4：如附图2所示，以膜表面中心点为坐标原点建立直角坐标系，所述坐标系的x轴与正方形单元的横向边相平行，根据各正方形单元中心所在的以原点为圆心的圆周102的半径、以及该正方形单元中心在该圆周102上相对于直角坐标系的方位角，确定该正方形单元内的狭缝需要旋转的角度；
具体地，所述狭缝需要旋转的角度所述为聚焦球面波产生焦距为f所需要的相位调制值的一半，这个值的大小由正方形单元中心点所在的圆周的半径大小r决定；所述为使产生的光斑沿与超构表面元件垂直的方向产生位移所需要的相位调制值的一半，所述位移是指光斑相对于超构表面元件焦平面的位移；本实施例要产生5个光斑，公式在5个子区域可以分别表示为：
其中，λ为入射光波长，f为焦平面对应的焦距，r为该狭缝所在的正方形单元的中心所在的以原点为圆心的圆周的半径，Δzi为该第i个子区域所对应的光斑相对于超构表面元件焦平面的位移；本实施例中，Δz1＝1200纳米，Δz2＝600纳米，Δz3＝0纳米，Δz3＝-600纳米，Δz5＝-1200纳米。
步骤5：在每个正方形单元内,以嵌套在内的狭缝的长和宽作为长方体的长和宽，根据计算出的各狭缝需要旋转的角度确定狭缝最终的角度，再利用镀膜技术和聚焦离子束加工技术制作相应电介质的长方体阵列，将狭缝位置的膜刻透，得到超构表面元件，如附图2所示。
步骤6：如附图3所示，激光器201产生激光束，将激光束通过相应波长的线偏振器202和四分之一波片203转换成圆偏振光，垂直入射到已经对准的超构表面元件204，在超构表面元件后面产生纵向等间距排列的光斑链205，如附图4所示。
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 (6)
1.一种产生纳米尺度纵向光斑链的超构表面元件，其特征在于：通过下述步骤制作：
(1)选择基底材料，在基底材料上镀膜，并根据波长确定亚波长尺寸正方形单元的边长尺寸；
(2)将膜表面划分成MxM个亚波长尺寸正方形单元；以材料中心点为中心，作辐射状射线将基底材料表面划分为若干分区，每个分区再从材料中心点作射线进一步划分成若干中心角相等的子区域，每个分区所包含的子区域的数量n与要产生的光斑链的光斑数相等，每个分区的第i个子区域均对应第i个光斑；
(3)在每个正方形单元中心嵌套一个狭缝，所述狭缝与正方形单元的横向边相平行；
(4)以膜表面中心点为坐标原点建立直角坐标系，所述坐标系的x轴与正方形单元的横向边相平行，根据各正方形单元中心所在的以原点为圆心的圆周的半径、以及该正方形单元中心在该圆周上相对于直角坐标系的方位角，确定该正方形单元内的狭缝需要旋转的角度；
(5)根据计算出的各狭缝需要旋转的角度确定狭缝最终的角度，然后加工各正方形单元内的狭缝，将狭缝位置的膜刻透。
2.如权利要求1所述的产生纳米尺度纵向光斑链的超构表面元件，其特征在于：所述狭缝需要旋转的角度所述为聚焦球面波产生焦距为f所需要的相位调制值的一半，所述为使产生的光斑沿与超构表面元件垂直的方向产生位移所需要的相位调制值的一半，所述位移是指光斑相对于超构表面元件焦平面的位移。
3.如权利要求2所述的产生纳米尺度纵向光斑链的超构表面元件，其特征在于：对于中心在分区中第i个子区域的正方形单元中的狭缝，所需要旋转的角度：
上式中，λ为入射光波长，f为焦平面对应的焦距，r为该狭缝所在的正方形单元的中心所在的以原点为圆心的圆周的半径，Δzi为该第i个子区域所对应的光斑相对于超构表面元件焦平面的位移。
4.如权利要求1所述的产生纳米尺度纵向光斑链的超构表面元件，其特征在于：使用镀膜和聚焦离子束加工方法加工所述狭缝。
5.基于如权利要求1至4任一所述的超构表面元件产生纳米尺度纵向光斑链的方法，其特征在于：以圆偏振光垂直入射所述的超构表面元件,在超构表面元件后沿垂直超构表面元件的方向产生等间距光斑链。
6.如权利要求5所述的产生纳米尺度纵向光斑链的方法，其特征在于：所述圆偏振光的产生方法为，将激光束通过相应波长的线偏振器和四分之一波片转换成圆偏振光。
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