CN108281882A - 一种产生倍频Ince-Gaussian光束的方法 - Google Patents
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Abstract
一种产生倍频Ince‑Gaussian光束的方法；基于非线性光学计算全息的理论，将IG光束的相位和振幅信息带入全息图的定义式中，用MATLAB编程做出携带有IG光束光场分布的全息图；采用无掩膜光刻的方法，将全息图转移到LN晶体薄膜上，在LN晶体薄膜中制备出全息图的畴结构:用电子束蒸发的方法在LN晶体薄膜表面镀一层金属Cr，剥离后形成极化所需的图案电极；用探针加压的方法实现畴结构的制备；将飞秒激光泵浦到畴结构LN晶体薄膜中，在远场一阶衍射处产生倍频IG光束。该方法同时实现了光束整形和频率转化的过程，具有集成化的优势。
Description
技术领域
本发明涉及到非线性光学计算全息的理论、LN晶体薄膜畴结构的制备方法、以及产生倍频IG光束的实验装置。具体流程为：基于非线性光学计算全息理论设计出能够产生IG光束的全息图，通过探针加压的方法，在LN晶体薄膜中制备出全息图的畴结构，将飞秒激光泵浦到畴结构LN晶体薄膜中，在远场一阶衍射处产生倍频IG光束。
背景技术
众所周知，Hermite-Gaussian(HG)模式和Laguerre-Gaussian(LG)模式分别是自由空间近轴波动方程(PWE)在直角坐标系和圆柱坐标系上的准确正交解。2004年，Bandres等人推导出了PWE在椭圆坐标系下的准确正交解，即IG模式。近几年，由于这一系列模式的光束在微粒操纵和制备涡旋光束等方面的应用，人们对这三种光束的研究也越来越多。比如，Arie等人利用非线性光学全息的方法实现了HG和LG模式光束的产生，但没有实现IG光束的产生(参见：A.Shapira,A.Arie et al.“Nonlinear optical holograms for spatialand spectral shaping of light waves.”Sci Bull 60(16):1403–1415(2015))。IG光束是自由空间近轴波动方程(PWE)在椭圆坐标系下的准确正交解，其光场的横向分布利用因斯多项式来描述，横模图形多样，在生物医学、微粒操纵、光学通讯等领域具有广阔的应用前景。Ince-Gaussian模式是继Hermite-Gaussian和Laguerre-Gaussian模式之后的第3类近轴波动方程的完整解系,其横模图形多样,且螺旋Ince-Gaussian模式存在分离的涡旋结构；IG模式是LG模式和HG模式之间的连续过渡模式，所以研究IG光束的意义更大。产生IG光束的方法也有很多，比如，利用空间光调制器，但该方法只能实现IG光束的产生，无法同时实现频率转换。通过掩膜版的制备来产生IG光束也是可行的，但每一个掩膜版只能产生一种模式的IG光束，制备掩膜版的费用也较高，且这个过程也是无法同时实现光束整形和频率转换的。
发明内容：
本发明的目的是，提供一种产生倍频IG光束的方法。本发明基于非线性光学计算全息理论设计出携带IG光束信息的全息图，通过探针加压的方法制备LN晶体薄膜畴结构，将普通飞秒高斯光束聚焦到畴结构LN晶体薄膜表面，在远场一阶衍射处得到倍频IG光束。
本发明的技术方案如下：一种产生倍频Ince-Gaussian光束的方法，基于非线性光学计算全息的理论，将IG光束的相位和振幅信息带入全息图的定义式中，用MATLAB编程做出携带有IG光束光场分布的全息图；利用无掩膜光刻和探针加压的方法将全息图转移到LN晶体薄膜中；无掩膜光刻的方法，将全息图转移到LN晶体薄膜上，在LN晶体薄膜中制备出全息图的畴结构:用电子束蒸发的方法在LN晶体薄膜表面镀一层金属Cr，剥离后形成极化所需的图案电极；用探针加压的方法实现畴结构的制备；将飞秒激光泵浦到畴结构LN晶体薄膜中，在远场一阶衍射处产生倍频IG光束。
飞秒激光由Ti:sapphire飞秒脉冲激光器产生，所述飞秒脉冲激光器泵浦出波长为900nm、重复频率为80MHz、脉冲宽度为140fs的基波高斯光束，经过三个反射镜的调节，将基波准直照射到聚焦透镜上，透镜焦距为50mm，将基波聚焦到畴结构LN晶体薄膜表面，LN晶体薄膜放置在显微镜的载物台上，将显微镜连接CCD，时刻观测畴结构LN晶体薄膜表面的结构，保证基波照射到畴结构LN晶体薄膜的准确位置；在畴结构LN晶体薄膜之后放置一个低通滤波片，将基波滤掉，在远场一阶衍射处产生倍频IG光束。
本发明中制备的畴结构能够将普通高斯光束整形为IG光束，同时实现频率转换。
用探针加压的方法实现LN晶体薄膜极化方向的反转，使得畴结构LN晶体薄膜携带有权利要求1中的全息图信息；整个畴结构的制备过程中，保证探针正极与图案电极的准确接触；
探针加压法：实验装置为：信号发生器产生方波，频率为1Hz，振幅设置为所需要施加的电压大小V，偏移量为V/2，通过信号放大器将电压信号放大1000倍，连接到金属探针上，探针正极接触2维图案电极，负极接触ITO玻璃，在LN晶体薄膜和ITO玻璃之间滴有NaCl溶液，保证ITO玻璃和LN晶体薄膜-C面的欧姆接触；极化过程中，施加的脉冲电压持续时间为10个脉冲，通过示波器的显示来控制；通过三维移动平台控制样品的移动。
所述2维图案电极的制备方法，步骤如下：
7)用探针加压划线的方法确定LN晶体薄膜的+C面；
8)清洗；
9)匀胶；在LN晶体薄膜的+C面涂覆光刻胶；光刻胶涂覆1±0.2um厚度的光刻胶；匀胶后，在65±15℃热台上进行烘干，时间为7±3分钟；
10)光刻与显影；选用无掩膜光刻的方法，将全息图转移到LN晶体薄膜表面。根据图案的分辨率可以选择4倍、10倍、20倍的物镜，分别对应分辨率为5um、2um、1um；
11)镀膜；采用电子束蒸发镀膜，在显影后的样品表面镀上一层金属电极，作为后续极化的电极图案；镀膜金属为铬，膜厚为120±20nm；
12)光刻胶剥离.
全息图的大小为400像素*400像素，无掩膜光刻时选用10倍物镜，实际制备的畴结构尺寸为0.2*0.2mm2。激光器出射光斑面积约为此尺寸，这样可以保证基波可以完全覆盖全息图，而又能达到工艺制备的分辨率要求。
LN晶体薄膜的厚度为30-50微米。
本发明基于非线性光学计算全息理论和探针加压极化的方法，在铌酸锂(LN)晶体薄膜中制备携带IG光束信息的畴结构，将泵浦的基波垂直入射到畴结构铌酸锂晶体薄膜表面，在远场的一阶衍射处得到倍频IG光束。该方法同时实现了光束整形和频率转化的过程，具有集成化的优势。IG光束是自由空间近轴波动方程(PWE)在椭圆坐标系下的准确正交解，其光场的横向分布利用因斯多项式来描述，横模图形多样，在光通讯等领域具有广阔的应用前景。
本发明的有益效果：利用非线性光学计算全息技术和探针加压技术，在LN晶体薄膜中制备畴结构并可以将普通高斯光束转换为IG光束，同时实现频率转换。产生的IG光束可以广泛应用于生物医学、微粒操控、光学通讯等领域。且该方法中，畴结构制备过程简单，技术实施成本低，效率高，成品率高。该方法同时实现了光束整形和频率转化的过程，具有集成化的优势。具体的优点：
1)利用非线性光学全息的方法设计全息图，只需要电脑计算，操作简单，且可以得到存储任意光束信息的全息图。
2)利用无掩膜光刻，节约了掩膜版制作成本，纯数字化操作，灵活方便。
3)利用探针加压的方法，在30-50微米厚的LN晶体薄膜中制备的畴结构均匀、贯穿、可稳定存在。
4)IG模式是LG模式和HG模式之间的连续过渡模式，研究IG光束更具有代表性，意义更大。
5)产生的IG光束质量高，且频率转换的功能拓宽了其频谱范围，可以广泛应用于生物医学、微粒操控、光学通讯等领域。
6)
附图说明
图1A、图1B为利用非线性光学计算全息设计的分别对应两种模式的IG光束信息的全息图；
图2探针加压极化装置示意图；
图3A、图3B制备的LN晶体薄膜畴结构示意图；分别对应图1的两种模式；
图4产生倍频IG光束的装置示意图；
图5A、5B、5C远场一阶衍射处产生的三种倍频IG光束。
具体实施方式
基于现成的非线性光学计算全息的理论，用MATLAB编程设计出携带有IG光束光场分布的全息图，如图1所示。利用无掩膜光刻和探针加压的方法将全息图转移到LN晶体薄膜中。Ti:sapphire飞秒脉冲激光器泵浦出的基波高斯光束，垂直入射到畴结构LN晶体薄膜表面，在远场一阶衍射处产生倍频IG光束。该方法可以将普通高斯光束转化为IG光束，同时实现频率转换，具有集成化优势。
LN晶体薄膜畴结构制备的具体步骤：
1)通过探针加压划线的方法来确定LN晶体薄膜的+C面，将大于LN晶体薄膜矫顽场的脉冲电压加到金属探针上，并让金属探针在LN晶体薄膜的一个表面划过，如果是+C面，那么金属探针划过的区域将会被反向极化，此时，在偏光显微镜下，能明显地看到正负畴之间的畴界，即表现为一条亮线。该方法简单易操作，而且判断正确率为100％。
2)清洗，将LN晶体薄膜+C面朝上，用石蜡固定在玻璃片上，进行等离子清洗10分钟，去除样品表面的有机物；然后将样品放入纯水中，超声清洗三次，每次10分钟，去除样品表面的无机物；在65°条件下，将样品烘干，时间为30分钟。石蜡熔点较高，为90°以上，所以对样品用65°烘干时，不会受到影响。
3)匀胶，匀胶过程分为两步，先以800转/秒的转速匀胶10秒，再用4000转/秒的转速匀胶40秒，即可完成1um厚的光刻胶涂覆。如果光刻胶太薄，容易发生缺陷，无法制备出完整的图案，如果光刻胶太厚，显影不好实现，所以通过工艺试验，发现1um厚度的光刻胶具有较好的效果。匀胶后，胶膜中会残留部分溶剂，影响后续的曝光过程，所以，匀胶后，在65°热台上进行烘干，时间为7分钟。
4)光刻与显影；选用无掩膜光刻的方法，根据图案的分辨率可以选择4倍、10倍、20倍的物镜，分别对应分辨率为5um、2um、1um；本发明中选用10倍物镜。在实验前，先用匀胶的载玻片作为试验片，确定最佳曝光时间。曝光时间的长短严重影响图案的制备效果。曝光后，将样品浸入正胶显影液中进行显影20秒，用去离子水清洗吹干后，在显微镜下观察光刻图案，与设计的图案对比。
5)镀膜，采用电子束蒸发镀膜，在显影后的样品表面镀上一层金属电极，作为我们后续极化的电极图案。镀膜金属选为铬，膜厚为120nm。
6)光刻胶剥离。首先使用丙酮溶液溶解将大部分的光刻胶去除，然后将样品放入正胶剥离液中，进行超声剥离。为了避免金属铬膜的脱落，超声功率只需30％左右即可，超声时间为3分钟。然后依次通过异丙醇、乙醇、超纯水对样品进行超声清洗，去除正胶剥离液残迹，用氮气将样品表面吹干。
7)探针加压极化，探针加压法的实验装置的构成是：信号发生器产生方波，频率为1Hz，振幅设置为所需要施加的电压大小V，偏移量为V/2，通过信号放大器将电压信号放大1000倍，连接到金属探针上，探针正极接触2维图案电极，负极接触ITO玻璃，在LN晶体薄膜和ITO玻璃之间滴有NaCl溶液，保证ITO玻璃和LN晶体薄膜-C面的欧姆接触。极化过程中，施加的脉冲电压持续时间为10个脉冲，可以通过示波器的显示来控制。通过三维移动平台控制样品的移动使得探针正极接触上图案电极，整个过程中，可通过CCD观测样品表面的图案电极，保证探针正极与图案电极的准确接触。
图4示：产生倍频IG光束的过程：Ti:sapphire飞秒脉冲激光器泵浦出波长为900nm、重复频率为80MHz、脉冲宽度为140fs的基波高斯光束，经过三个反射镜(反射镜1-3)的调节，将基波准直照射到聚焦透镜上，透镜焦距为50mm，将基波聚焦到畴结构LN晶体薄膜表面，LN晶体薄膜放置在显微镜的载物台上，将显微镜4连接CCD，时刻观测畴结构LN晶体薄膜表面的结构，保证基波照射到畴结构LN晶体薄膜5的准确位置。在畴结构LN晶体薄膜之后放置一个低通滤波片6，将基波滤掉，在远场一阶衍射处产生倍频IG光束，用CCD(光电器件)记录。
本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施实例相同或近似的方法与构造，而得到的其它结构设计，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种产生倍频Ince-Gaussian光束的方法，其特征是基于非线性光学计算全息的理论，将IG光束的相位和振幅信息带入全息图的定义式中，用MATLAB编程做出携带有IG光束光场分布的全息图；采用无掩膜光刻的方法，将全息图转移到LN晶体薄膜上，在LN晶体薄膜中制备出全息图的畴结构:用电子束蒸发的方法在LN晶体薄膜表面镀一层金属Cr，剥离后形成极化所需的图案电极；用探针加压的方法实现畴结构的制备；将飞秒激光泵浦到畴结构LN晶体薄膜中，在远场一阶衍射处产生倍频IG光束。
2.根据权利要求1所述的产生倍频Ince-Gaussian光束的方法，其特征是飞秒激光由Ti:sapphire飞秒脉冲激光器产生，所述飞秒脉冲激光器泵浦出波长为900nm、重复频率为80MHz、脉冲宽度为140fs的基波高斯光束，经过三个反射镜的调节，将基波准直照射到聚焦透镜上，透镜焦距为50mm，将基波聚焦到畴结构LN晶体薄膜表面，LN晶体薄膜放置在显微镜的载物台上，将显微镜连接CCD，时刻观测畴结构LN晶体薄膜表面的结构，保证基波照射到畴结构LN晶体薄膜的准确位置；在畴结构LN晶体薄膜之后放置一个低通滤波片，将基波滤掉，在远场一阶衍射处产生倍频IG光束。
3.根据权利要求1所述的产生倍频Ince-Gaussian光束的方法，其特征是制备的畴结构能够将普通高斯光束整形为IG光束，同时实现频率转换。
4.根据权利要求1所述的产生倍频Ince-Gaussian光束的方法，其特征是用探针加压的方法实现LN晶体薄膜极化方向的反转，使得畴结构LN晶体薄膜携带有权利要求1中的全息图信息；整个畴结构的制备过程中，保证探针正极与图案电极的准确接触；
探针加压法：实验装置为：信号发生器产生方波，频率为1Hz，振幅设置为所需要施加的电压大小V，偏移量为V/2，通过信号放大器将电压信号放大1000倍，连接到金属探针上，探针正极接触2维图案电极，负极接触ITO玻璃，在LN晶体薄膜和ITO玻璃之间滴有NaCl溶液，保证ITO玻璃和LN晶体薄膜-C面的欧姆接触；极化过程中，施加的脉冲电压持续时间为10个脉冲，通过示波器的显示来控制；通过三维移动平台控制样品的移动。
5.根据权利要求4所述的产生倍频Ince-Gaussian光束的方法，其特征是所述2维图案电极的制备方法，步骤如下：
1)用探针加压划线的方法确定LN晶体薄膜的+C面；
2)清洗；
3)匀胶；在LN晶体薄膜的+C面涂覆光刻胶；光刻胶涂覆1±0.2um厚度的光刻胶；匀胶后，在65±15℃热台上进行烘干，时间为7±3分钟；
4)光刻与显影；选用无掩膜光刻的方法，将全息图转移到LN晶体薄膜表面。根据图案的分辨率可以选择4倍、10倍、20倍的物镜，分别对应分辨率为5um、2um、1um；
5)镀膜；采用电子束蒸发镀膜，在显影后的样品表面镀上一层金属电极，作为后续极化的电极图案；镀膜金属为铬，膜厚为120±20nm；
6)光刻胶剥离。
6.根据权利要求1和3所述的产生倍频Ince-Gaussian光束的方法，其特征是，全息图的大小为400像素*400像素，无掩膜光刻时选用10倍物镜，实际制备的畴结构尺寸为0.2*0.2mm2；激光器出射光斑面积近似为此尺寸，这样保证基波能完全覆盖全息图，而又能达到工艺制备的分辨率要求。
7.根据权利要求2或3中所述产生倍频Ince-Gaussian光束的方法，其特征是，LN晶体薄膜的厚度为30-50微米。
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|---|---|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113031289A (zh) * | 2021-02-28 | 2021-06-25 | 哈尔滨理工大学 | 一种传播不变结构光场的非线性全息产生方法及装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN1213218A (zh) * | 1997-09-29 | 1999-04-07 | 南京大学 | 准位相匹配光学参量过程中的周期加场电调谐方法及其应用 |
| CN103792605A (zh) * | 2013-12-11 | 2014-05-14 | 南京大学 | 叉形液晶光栅的制备及其在生成涡旋光束中的应用 |
| CN104122666A (zh) * | 2014-08-14 | 2014-10-29 | 苏州大学 | 自分裂光束的产生装置及其产生方法 |
-
2017
- 2017-12-18 CN CN201711363816.0A patent/CN108281882A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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| CN113031289A (zh) * | 2021-02-28 | 2021-06-25 | 哈尔滨理工大学 | 一种传播不变结构光场的非线性全息产生方法及装置 |
| CN113031289B (zh) * | 2021-02-28 | 2021-12-10 | 哈尔滨理工大学 | 一种传播不变结构光场的非线性全息产生方法及装置 |
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