CN110989180A - 紧凑型艾里光束相位板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种紧凑型艾里光束相位板及其制造方法，该制造方法包括以下步骤计算聚焦透镜的透过率因子；将立体相位面的立方相位直接叠加所述聚焦透镜的透过率因子，即实现艾里相位板的相位设计，并依此设计方案制造所述艾里光束相位板。本发明可以利用一个单独的相位板直接生成自加速艾里光，不需要立方相位和聚焦透镜的组合，使结构更紧凑，更容易小型化和集成化。本发明解决了在微观尺度生成自加速艾里光的难题。本发明制造中的两个特征参数：立方相位常数k0和透镜焦距f可以自由选择，从而得到自加速弯曲程度和主瓣尺寸可调控的艾里光束，具有很好的灵活性。

Description

紧凑型艾里光束相位板及其制造方法
技术领域
本发明涉及信息光学技术领域，尤其涉及一种紧凑型艾里光束相位板及其制造方法。
背景技术
2007年，美国科学家Georgios A.Siviloglou和Demetrios N.Christodoulides提出了自加速艾里光(self-accelerating Airy beams)，并第一次从实验上获得了具有抛物线轨迹的有限能量艾里光束。自此，关于艾里光的研究得到了广泛的开展。和其他矢量光束相比，艾里光具有独特的性质，包括可保持长距离无衍射，自修复性和具有横向二次自加速类弹道轨迹。艾里光在光操纵、片光显微镜、激光成丝以及激光加工等领域具有重要的应用前景。目前为止，艾里光的生成主要依赖对光束进行立方相位波前调控，然后通过聚焦透镜的傅里叶变换来实现。这种方法需要将立方相位面置于傅里叶变换透镜的前焦面位置，并在透镜后方焦面形成艾里光束。因此，这种生成艾里光的方法至少需要二倍焦距的横向长度，很难小型化。在微观尺度生成自加速艾里光，既需要在微米尺度对光束波面进行立方相位调控，又需要具有微米尺度孔径和焦距的透镜进行聚焦，其技术非常具有挑战。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种紧凑型艾里光束相位板，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的第一方面，提供了一种艾里光束相位板的制造方法，包括以下步骤：
计算聚焦透镜的透过率因子；
将立体相位面的立方相位直接叠加所述聚焦透镜的透过率因子，即实现所述艾里光束相位板的相位设计，并依此设计方案制造所述艾里光束相位板。
其中，所述艾里光束相位板的相位设计满足如下公式：
Figure BDA0002278927400000021
其中，PABG为艾里光束相位板的相位，kx为相位面横向坐标，ky为相位面纵向坐标，λ0为入射的平面高斯光的波长，f为透镜焦距，k0为立方相位常数。
其中，所述透镜焦距决定了艾里光束中心的生成位置，所述立方相位常数决定了艾里光束的横向加速度。
其中，所述立体相位面通过液晶空间光调制器、光折变晶体或光学超表面来实现。
作为本发明的第二方面，还提供了一种如上所述的艾里光束相位板的制造方法制造的艾里光束相位板。
其中，所述艾里光束相位板生成的自加速艾里光在传播方向的自加速过程呈现高次弹道轨迹的特征。
其中，所述艾里光束相位板为单独的一块相位板，其中不包括聚焦透镜。
作为本发明的第三方面，还提供了一种自加速艾里光的产生方法，包括以下步骤：
采用如上所述的艾里光束相位板对入射光束进行处理，由此生成所述自加速艾里光。
作为本发明的第四方面，还提供了一种光操纵、片光显微镜、激光成丝和/或激光加工领域的光学设备，所述光学设备中采用如上所述的艾里光束相位板。
基于上述技术方案可知，本发明的紧凑型艾里光束相位板相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
(1)本发明可以利用一个单独的相位板直接生成自加速艾里光，不需要立方相位和聚焦透镜的组合，使结构更紧凑，更容易小型化和集成化。本发明解决了在微观尺度生成自加速艾里光的难题。
(2)本发明的制造方法中的两个特征参数：立方相位常数k0和透镜焦距f可以自由选择，从而得到自加速弯曲程度和主瓣尺寸可调控的艾里光束，具有很好的灵活性。
附图说明
图1是艾里光束相位板制造原理图；
图2是艾里光束相位板直接生成自加速艾里光示意图；
图3是传统的艾里光自加速轨迹和紧凑型艾里光相位板生成的艾里光自加速轨迹对比示意图；
图4是特征参数k0＝7μm，f＝60μm的艾里光束相位板制造与加工结果；
图5是特征参数分别为k0＝7.5μm，f＝60μm，k0＝7.5μm，f＝50μm，和k0＝9.5μm，f＝40μm的三组艾里光束相位板制造与加工结果。
具体实施方式
本发明提出一种可用于生成微观尺度的艾里光束的紧凑型艾里光束相位板。该相位板可以直接在其后方生成自加速艾里光，而不需要傅里叶变换透镜聚焦，极大简化了光学器件制造，易于光学芯片的集成。
具体的，本发明公开了一种艾里光束相位板的制造方法，包括以下步骤：
计算聚焦透镜的透过率因子；
将立体相位面的立方相位直接叠加所述聚焦透镜的透过率因子，即实现艾里相位板的相位设计。
其中，所述立体相位面通过液晶空间光调制器、光折变晶体或光学超表面来实现。
其中，所述艾里光束相位板的相位设计满足如下公式：
Figure BDA0002278927400000041
其中，PABG为艾里光束相位板的相位，kx为相位面横向坐标，ky为相位面纵向坐标，λ0为入射的平面高斯光的波长，f为透镜焦距，k0为立方相位常数。
其中，所述透镜焦距决定了艾里光束中心的生成位置，所述立方相位常数决定了艾里光束的横向加速度。
本发明还公开了一种如上所述的艾里光束相位板的制造方法所制造加工的艾里光束相位板。
其中，所述艾里光束相位板生成的自加速艾里光在传播方向的自加速过程呈现高次弹道轨迹的特征。
其中，所述艾里光束相位板为单独的一块相位板。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
根据已有知识可知，对艾里光空间分布Ai(s)exp(as)进行傅里叶变化，可以得到立方相位调制的高斯光束分布：
Figure BDA0002278927400000042
也就是说，利用平面高斯光照射立方相位面，然后再经过聚焦透镜的傅里叶变化，可以生成有限能量的艾里光束，其横向偏移量为xd，
Figure BDA0002278927400000043
其中z为光束传播方向上到透镜焦点的距离。其中立方相位面可由相位板实现，也可以由液晶空间光调制器、光折变晶体或光学超表面实现。当a＜＜1时，高斯光束近似于均匀分布的平面光束。聚焦透镜的透过率因子为：
Figure BDA0002278927400000044
这里λ0是光的波长，f是透镜的焦距。在制造中省略立方相位面到透镜的衍射距离，将立方相位直接叠加聚焦透镜的透过率因子，如图1所示，即可实现艾里相位板的相位设计：
Figure BDA0002278927400000045
此相位分布中具有两个特征参数：k0和
Figure BDA0002278927400000051
为立方相位常数，决定了艾里光束的横向加速度；f为透镜焦距，决定了艾里光束中心的生成位置。
根据这种方法制造得到的相位板，可以省略中间聚焦透镜的傅里叶变换过程，直接在其后方生成自加速艾里光。其横向截面的光强分布符合艾里光的光强分布特性。如图2所示。
值得注意的是，基于本发明制造的艾里光束相位板，其生成的艾里光束在传播方向的自加速过程与传统艾里光束的二次抛物线型的自加速轨迹略有不同，呈现高次弹道轨迹的特征，如图3所示。但它仍保持了较好的长距离非衍射特性和自加速特性，具有很好的应用前景。
实施例1
依据本发明的设计，可以制造出立方相位常数k0为7μm和透镜焦距f为60μm的艾里相位板，如图4所示。制造的艾里光相位板可有飞秒激光直写三维加工技术制备。为保证良好的加工效果，在此相位板底部增加了厚度为2μm的圆柱形底座，用于补偿z向加工起始位置误差；
基于本发明的相位板制造，可以针对不同的激光光源波长和材料制造不同的相位调制深度。在实施例1中，针对波长为532nm的绿光光源进行制造，其最大相位调制深度为4π，所用的聚合物材料折射率为1.505，因此，相位板条纹的最大高度为2.11μm。
实施例2
本发明中的相位板制造方法，两个特征参数都可以自由调整，从而生成不同特征的艾里光束。对于k0＝7.5μm、f＝60μm，k0＝7.5μm、f＝50μm和k0＝9.5μm、f＝40μm三种参数组合的相位板制造与飞秒激光三维加工效果如图5所示。
以上所述的具体实施例，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，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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)

1.一种艾里光束相位板的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算聚焦透镜的透过率因子；
将立体相位面的立方相位直接叠加所述聚焦透镜的透过率因子，即实现所述艾里光束相位板的相位设计，并依此设计方案制造所述艾里光束相位板。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述艾里光束相位板的相位设计满足如下公式：
Figure FDA0002278927390000011
其中，PABG为艾里光束相位板的相位，kx为相位面横向坐标，ky为相位面纵向坐标，λ0为入射的平面高斯光的波长，f为透镜焦距，k0为立方相位常数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述透镜焦距f决定了艾里光束中心的生成位置，所述立方相位常数k0决定了艾里光束的横向加速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述立体相位面通过液晶空间光调制器、光折变晶体或光学超表面来实现。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的艾里光束相位板的制造方法制造的艾里光束相位板。
6.根据权利要求5所述的艾里光束相位板，其特征在于，所述艾里光束相位板生成的自加速艾里光在传播方向的自加速过程呈现高次弹道轨迹的特征。
7.根据权利要求5所述的艾里光束相位板，其特征在于，所述艾里光束相位板为单独的一块相位板，其中不包括聚焦透镜。
8.一种自加速艾里光的产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用如权利要求5-7任一项所述的艾里光束相位板对入射光束进行处理，由此生成所述自加速艾里光。
9.一种光操纵、片光显微镜、激光成丝和/或激光加工领域的光学设备，其特征在于，所述光学设备中采用如权利要求5-7任一项所述的艾里光束相位板。
10.根据权利要求9所述的光学设备，其特征在于，所述光学设备在微米尺度对光束波面进行立方相位调控。
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