CN111221119A - 一种人工微结构构建方法及包含该人工微结构的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种人工微结构构建方法及包含该人工微结构的光学系统，该方法包括步骤：S10、根据待生成部分相干光的相干性确定其在对应人工微结构区域各元胞位置处的相位；S20、计算各元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度；S30、将具有不同的旋转角度的纳米元胞在对应的元胞位置处进行排布，构建用于实现光束相干性调控的人工微结构。通过将聚焦后的光束入射到构建的人工微结构表面，根据需求选取所述人工微结构的入射区域，即可获得相应相干度大小的部分相干光束。

Description

一种人工微结构构建方法及包含该人工微结构的光学系统
技术领域
本发明涉及相干光学技术领域，特别涉及一种人工微结构构建方法及包含该人工微结构的光学系统。
背景技术
相干光学作为现代光学的重要分支，吸引了国内外大量研究者的关注。相干性实际上表示涨落光场中两个点的某些量之间的相关的结果，这种相关可以用杨氏双缝干涉的条纹衬比度测定。相干性是光场的一个重要特性，对光场相干性调控的研究具有重要意义，研究发现光场相干性调控在自由空间光通讯、激光雷达、激光核聚变、特种光学成像、量子光学等众多领域中具有重要的应用价值。过去对光场相干度大小的调控主要利用旋转的毛玻璃产生部分相干光，通过调控毛玻璃与聚焦透镜之间的距离来调控光场相干性。但是现有的方法多是基于厘米量级的系统，不利于集成化和微型化设计。并且现有的方法不能在未测量的情况下已知产生光束的相干度，能量利用率低，对其进一步的应用存在限制。
人工微结构是具有亚波长尺度结构单元的人造光学材料，人工微结构的提出为实现对光与物质相互作用的增强和有效控制提供了全新方式，为光学器件的小型化、轻质化和集成化提供了全新手段。目前，人工微结构已经能够在亚波长尺度下实现对光场振幅、相位和偏振态的有效控制，具有很高的应用价值，例如实现偏振光学防伪、消色差透镜、高饱和度结构色等等，而目前为止，人工微结构对于光场相干性这一维度的调控还少有涉及。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的之一在于提供一种能量利用率高，可以实现对光束精准调控的人工微结构。其采用如下技术方案：
一种人工微结构构建方法，其包括以下步骤：
S10、根据待生成部分相干光的相干性确定其在对应人工微结构区域各元胞位置处的相位；
S20、计算各元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度；
S30、将具有不同的旋转角度的纳米元胞在对应的元胞位置处进行排布，构建用于实现光束相干性调控的人工微结构。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S10，具体包括：
根据部分相干光的产生条件可知，待生成部分相干光对应的随机相位的范围决定了其相干性的大小，其中，由特定相位分布的人工微结构产生的部分相干光的相干度为：
Figure BDA0002412963130000021
其中，μ(r1,r2)为所述待生成部分相干光的相干度，
Figure BDA0002412963130000022
为所述待生成部分相干光所对应的人工微结构区域各元胞位置处的相位分布，“<>”代表时间平均。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S10中人工微结构的相位分布公式为：
Figure BDA0002412963130000023
其中，
Figure BDA0002412963130000024
为所述待生成部分相干光在其不同元胞位置处的相位，a为调节人工微结构不同区域产生的部分相干光的相干性的大小参数，rand为随机函数，代表人工微结构各个元胞处对应的相位为固定区间内的随机相位。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S20，具体包括：
根据相位关系公式和所述待生成部分相干光在各元胞位置处的相位分别计算各元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S30中构建的人工微结构为纳米元胞排列组成的阵列结构。
本发明的目的之二在于提供一种光学系统，该系统包含上述方法所构建的人工微结构，该系统还包括激光器、扩束镜、聚焦透镜、物镜、电荷耦合元件、位移机构、第二计算机，所述位移机构用于驱动所述人工微结构位移，所述第二计算机用于控制所述电荷耦合元件采集并记录产生的部分相干光束；
所述激光器产生的光束经过所述扩束镜扩束，扩束后的激光束经所述聚焦透镜聚焦，接着入射到所述人工微结构表面并透射，然后经所述物镜将光束放大后由所述电荷耦合元件采集记录。
作为本发明的进一步改进，所述位移机构包括第一计算机和电动位移台，所述电动位移台用于承载所述人工微结构，所述第一计算机用于控制所述电动位移台移动。
作为本发明的进一步改进，所述第一计算机控制所述电动位移台以预定的频率沿人工微结构同一种相位分布的方向移动，使得对入射光束赋予的随机相位是随时间变化的，进而产生平滑均匀的部分相干光束。
作为本发明的进一步改进，当构建的人工微结构是由多个多个圆环组成时，所述电动位移台驱动所述人工微结构沿圆环方向移动，进而产生平滑均匀的部分相干光束。
本发明的有益效果：
该人工微结构构建方法通过计算部分相干光束对应的相位分布，确定不同元胞位置处具有不同的旋转角度的纳米元胞，可以使不同的纳米元胞实现不同的光场相干性调控，可以实现定量地控制光束的相干性；对光束能量的利用率大大提高，产生的部分相干光束的光强增大；通过采用纳米元胞来构建实现相干性调控的人工微结构，可以较大程度地缩减器件的尺寸，进而可以有利于实现应用该器件的光学系统的微型化设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明优选实施例中人工微结构构建方法的示意图；
图2是本发明优选实施例中单个纳米元胞的结构示意图；
图3是本发明优选实施例中产生不同相干度的部分相干光束的人工微结构方形相位分布梯度示意图；
图4是本发明优选实施例中光学系统的示意图；
图5是本发明实施例中产生不同相干度的部分相干光束的光学人工微结构圆形相位分布梯度示意图。
标记说明：1、激光器；2、扩束镜；3、聚焦透镜；4、人工微结构；5、物镜；6、电荷耦合元件；7、第一计算机；8、电动位移台；9、第二计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明优选实施例中人工微结构构建方法，该方法包括以下步骤：
S10、根据待生成部分相干光的相干性确定其在对应人工微结构区域各元胞位置处的相位。
其中，元胞位置为构建所述人工微结构的各纳米元胞的空间排布位置。
根据部分相干光的产生条件可知，待生成部分相干光对应的随机相位的范围决定了其相干性的大小，其中，由特定相位分布的微纳结构产生的部分相干光的相干度为：
Figure BDA0002412963130000041
其中，μ(r1,r2)为所述待生成部分相干光的相干度，
Figure BDA0002412963130000042
为所述待生成部分相干光所对应的人工微结构区域各元胞位置处的相位分布，“<>”代表时间平均。
其中，上述人工微结构的相位分布公式为：
Figure BDA0002412963130000043
其中，
Figure BDA0002412963130000044
为所述待生成部分相干光在其不同元胞位置处的相位，a为调节人工微结构不同区域产生的部分相干光的相干性的大小参数，rand为随机函数，代表人工微结构各个元胞处对应的相位为固定区间内的随机相位。上述光学参数为用户基于对部分相干光束的相干度的实际需求而预先设定的。在本实施例中，所述部分相干光束为焦场处的部分相干涡旋光束。
在本实施例中，用于实现待生成的部分相干光束的人工微结构是一种由纳米元胞排列组成的阵列结构，因此，人工微结构的每个元胞位置处均具有相应的相位，该相位可以根据预先设定的光学参数确定。
S20、计算各元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度；
具体包括：根据相位关系公式和所述待生成部分相干光在各元胞位置处的相位分别计算各元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度。
所述相位关系公式为：
Figure BDA0002412963130000051
其中，
Figure BDA0002412963130000052
为所述调控光束相干性人工微结构在第i个元胞位置处的相位，θi为第i个元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度。
在其中一种实施例中，该纳米元胞可以为纳米级尺寸的二氧化钛长方柱元胞，并通过设置不同的旋转角度实现不同的相位，进而实现不同相干度的部分相干光束的产生。
S30、将具有不同的旋转角度的纳米元胞在对应的元胞位置处进行排布，构建用于实现光束相干性调控的人工微结构。
通过上述方法构建好人工微结构后，通过将聚焦后的光束入射到构建的人工微结构表面，根据需求选取所述人工微结构的入射区域，即可获得相应相干度大小的部分相干光束。
具体的：根据所需相干度的大小确定人工微结构各元胞位置处的相位分布，各元胞位置处的相位分布由参数a调控，参数a可以取任意的非负实数值，即可以产生相干度为0到1的任意值的部分相干光，其中，相干度为0时，产生光束为完全非相干光，相干度为1时，产生光束为完全相干光，相干度介于0到1之间时，产生光束为部分相干光。
在其中一实施例中，选取a＝0、0.2、0.4、0.6、0.8、1，其对应随机相位区间的相位差作为确定待产生部分相干光对应人工微结构区域的各元胞位置处的相位分布的依据。
采用纳米元胞构建光学人工微结构的方式有多种，诸如可以在人工微结构的各元胞位置处加工制备对应的旋转角度的纳米元胞，也可以在现有纳米元胞中选取满足元胞位置处对应的旋转角度的纳米元胞，并将选取出的纳米元胞排列至面阵的匹配元胞位置处。当然，以上两种方式仅为构建面阵的示例性说明，不应理解为限制。
具体的，如图2所示，为其中一实施例中单个纳米元胞的结构示意图，该纳米元胞为二氧化钛长方柱元胞，其包括二氧化硅衬底(SiO2)和位于二氧化硅衬底上的长方柱(TiO2)。更具体的，二氧化硅衬底可以为边长p＝330nm，长方柱的尺寸包括：长a＝260nm，宽b＝90nm，高h＝450nm。人工微结构中全部纳米元胞具有相同的长、宽、高，通过设置不同的旋转角度θ来实现不同的相位分布，进而实现光场相干性的调控；其中，旋转角度θ可以为长方柱在x-y平面内关于y轴的旋转角度。
关于待生成不同相干度的部分相干光，在本实施例中可以用
Figure BDA0002412963130000061
表示对应待生成部分相干光束的相位分布，在本实施例中，共有6种不同相干度的部分相干光束产生，所述人工微结构对应6种相位分布，相位分布为：
Figure BDA0002412963130000062
其中，
Figure BDA0002412963130000063
为第i种相干度的部分相干光束对应的人工微结构的相位分布，ai为对应的光学参数，在本实施例中，取a1＝0，a2＝0.2，a3＝0.4，a4＝0.6，a5＝0.8，a6＝1。所述6种相位分布按照图3所示相位梯度分布排布。
基于以上对纳米元胞和待生成部分相干光束的描述，可以采用如图3所示的纳米元胞分布示意图表示实现光场相干性调控的人工微结构，假设该人工微结构包括X×Y个纳米元胞，为便于描述，可以根据编号转换公式将人工微结构中各元胞位置的二维坐标(m，n)(该二维坐标是自由空间坐标中的任意一个坐标值)转换为纳米元胞的顺序编号i；其中，编号转换公式如下：
i＝(m-1)×Y+n
其中，i为纳米元胞的顺序编号，m、n分别为第i个纳米元胞在人工微结构中的横、纵坐标参数，Y为面阵中沿纵向排布的纳米元胞总个数。基于此，可以将第i个元胞位置处所排布纳米元胞简称为第i个纳米元胞。
如图4所示，为本实施例中利用人工微结构调控光束相干性的系统，其包含上述实施例中的方法所构建的人工微结构4，该系统还包括激光器1、扩束镜2、聚焦透镜3、物镜5、电荷耦合元件6、位移机构、第二计算机9，位移机构用于驱动人工微结构4位移，第二计算机9用于控制电荷耦合元件6采集并记录产生的部分相干光束；
激光器1产生的光束经过扩束镜2扩束，扩束后的激光束经聚焦透镜3聚焦，在本实施例中，光束束腰约为40um(如图4所示人工微结构每一相位梯度的宽度)，接着入射到人工微结构4表面并透射，然后经物镜5将光束放大后由电荷耦合元件6采集记录。
具体的，位移机构包括第一计算机7和电动位移台8，电动位移台8用于承载人工微结构4，第一计算机7用于控制电动位移台8移动。第一计算机7控制电动位移台8以预定的频率沿人工微结构4同一种相位分布的方向移动，使得对入射光束赋予的随机相位是随时间变化的，进而产生平滑均匀的部分相干光束。
如图3所示，为本发明其中一实施例中的人工微结构，该人工微结构是采用上述人工微结构构建方法构建的，人工微结构包括在空间排布的多个纳米元胞，其中，在空间不同元胞位置处所排布的纳米元胞具有不同的旋转角度；纳米元胞用于在受到激光束照射时生成不同相干度的部分相干光束。利用多张散斑求光束相干度的方法测得激光束通过上述六种相位分布的人工微结构所产生的部分相干光束与预测的相干度基本符合。
可以看出，通过设置光学参数a＝0，0.2，0.4，0.6，0.8，1对入射光束进行相干性的调控，可以产生相干度由高到低的部分相干光束，其中当a＝0时，产生的光束为完全相干光束，其相干度可以看作为1，当a＝0时，产生光束的相干度为0.08，可近似看作完全非相干光束(相干度为0)。这里的相干度为全局相干度，即实验测得相干长度/光束束腰。
如图5所示，为本发明另一实施例中的人工微结构，在实际应用的多种具体调控相干性的人工微结构样品中，可以不限于图3所示的方形结构，还可以使其他任意形状的结构，诸如图5所示的一种人工微结构的相位梯度分布示意图，是一种共有十个圆环组成的圆形人工微结构样品。该结构通过激光照射在不同的相位分布区域会产生不同相干度的部分相干光束，与图3通过位移台驱动人工微结构平移不同的是，图5中人工微结构样品需要承载在电动旋转平台上沿圆环方向移动使得随机相位随时间而变化，进而产生平滑均匀的部分相干光束，对入射光束相干性进行调控。
综上，本发明人工微结构构建方法及通过相位确定不同元胞位置处具有不同旋转角度的纳米元胞，可以使不同的纳米元胞实现光场调控，由纳米元胞组合而成的人工微结构实现光场相干性调控，通过将聚焦后的光束入射到构建的人工微结构表面，根据需求选取所述人工微结构的入射区域，即可获得相应相干度大小的部分相干光束。
本发明可以提前预知所述待生成部分相干光束的相干度，实现定量地控制光束的相干性；通过采用透过率高达90％以上的纳米元胞构建的人工微结构，相对于现有的通过毛玻璃调控相干性的方式，可以避免光场调控的噪声，对光束的利用率大大提高，产生的部分相干光束的光强增大；通过采用纳米元胞来构建实现相干性调控的人工微结构，可以较大程度地缩减器件的尺寸，进而可以有利于实现应用该器件的光学系统的微型化设计。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种人工微结构构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、根据待生成部分相干光的相干性确定其在对应人工微结构区域各元胞位置处的相位；
S20、计算各元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度；
S30、将具有不同的旋转角度的纳米元胞在对应的元胞位置处进行排布，构建用于实现光束相干性调控的人工微结构。
2.如权利要求1所述的人工微结构构建方法，其特征在于，所述步骤S10，具体包括：
根据部分相干光的产生条件可知，待生成部分相干光对应的随机相位的范围决定了其相干性的大小，其中，由特定相位分布的人工微结构产生的部分相干光的相干度为：
Figure FDA0002412963120000011
其中，μ(r1,r2)为所述待生成部分相干光的相干度，
Figure FDA0002412963120000012
为所述待生成部分相干光所对应的人工微结构区域各元胞位置处的相位分布，“<>”代表时间平均。
3.如权利要求1所述的人工微结构构建方法，其特征在于，所述步骤S10中人工微结构的相位分布公式为：
Figure FDA0002412963120000013
其中，
Figure FDA0002412963120000014
为所述待生成部分相干光在其不同元胞位置处的相位，a为调节人工微结构不同区域产生的部分相干光的相干性的大小参数，rand为随机函数，代表人工微结构各个元胞处对应的相位为固定区间内的随机相位。
4.如权利要求1所述的人工微结构构建方法，其特征在于，所述步骤S20，具体包括：
根据相位关系公式和所述待生成部分相干光在各元胞位置处的相位分别计算各元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度。
5.如权利要求4所述的人工微结构构建方法及包含该人工微结构的光学系统，其特征在于，所述相位关系公式为：
Figure FDA0002412963120000015
其中，
Figure FDA0002412963120000016
为所述调控光束相干性人工微结构在第i个元胞位置处的相位，θi为第i个元胞位置处所排布纳米元胞的旋转角度。
6.如权利要求1所述的人工微结构构建方法，其特征在于，所述步骤S30中构建的人工微结构为纳米元胞排列组成的阵列结构。
7.一种光学系统，其特征在于，包含如权利要求1-6任一方法所构建的人工微结构，该系统还包括激光器、扩束镜、聚焦透镜、物镜、电荷耦合元件、位移机构、第二计算机，所述位移机构用于驱动所述人工微结构位移，所述第二计算机用于控制所述电荷耦合元件采集并记录产生的部分相干光束；
所述激光器产生的光束经过所述扩束镜扩束，扩束后的激光束经所述聚焦透镜聚焦，接着入射到所述人工微结构表面并透射，然后经所述物镜将光束放大后由所述电荷耦合元件采集记录。
8.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述位移机构包括第一计算机和电动位移台，所述电动位移台用于承载所述人工微结构，所述第一计算机用于控制所述电动位移台移动。
9.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述第一计算机控制所述电动位移台以预定的频率沿人工微结构同一种相位分布的方向移动，使得对入射光束赋予的随机相位是随时间变化的，进而产生平滑均匀的部分相干光束。
10.如权利要求9所述的光学系统，其特征在于，当构建的人工微结构是由多个多个圆环组成时，所述电动位移台驱动所述人工微结构沿圆环方向移动，进而产生平滑均匀的部分相干光束。
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