CN111522140A - 一种产生多次自聚焦光束的方法、器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产生多次自聚焦光束的方法、器件及其制备方法，本发明提出基于叠加焦散线原理产生的多次自聚焦光束，相较于现有技术的基于艾里光束的急剧自聚焦光束，不在局限于抛物线型聚焦光束，而趋向于多类型轨迹的聚焦，而且还能聚焦更多的焦点。本发明提出的用来产生多次自聚焦光束的微纳结构器件，相较于传统的空间光调制器，该器件更加小型化，更容易集成。

Description

一种产生多次自聚焦光束的方法、器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及光束调控技术领域，更具体的，涉及一种产生多次自聚焦光束的方法、器件及其制备方法。
背景技术
对光束能量聚焦一直是科学研究工作者们的一个重要的研究对象。一般来说都是用凸透镜、凹面镜或者两者的组合来聚焦光束，但是这种方式有很多缺陷。自从2007年在光学背景下第一次实验证实了艾里光束以来，能够在自由空间中弯曲传播的自加速光束最近得到广泛的研究。自加速光束除了弯曲传输，还有其他特别的性质，例如自愈性质和无衍射性质。
基于艾里自加速光束的研究，一种新型特别的光束即急剧自聚焦光束或者说径向对称的艾里光束首次在2010年理论上预测。这种光束的特征在于聚焦前能量密度较低，而在聚焦的地方能量突然剧增。急剧自聚焦光束很快就在实验上得到证实，并且在之后有广泛的研究和拓展。急剧自聚焦光束从傍轴情况推广到非傍轴情况，从单个焦点的环形艾里光束推广到双焦点的瓶子光束和Janus光波，从急剧自聚焦涡旋光束到结构矢量急剧自聚焦光束，和从急剧自聚焦光束到急剧自散焦反向环形艾里光束。相较于高斯光束，自聚焦光束被广泛应用到微纳粒子的操控和运输，多级光聚合，材料处理，医学激光治疗和非线性强光子弹。
然而，由于艾里光束只能沿着抛物线轨迹传输，这将限制环形艾里光束的进一步发展。所以光学焦散线方法被提出来构造任意凸轨迹，非凸轨迹和三维轨迹自加速光束。这种方法使自加速光束的轨迹更加多样化和多元化，所以我们期望基于沿着非凸轨迹的自加速光束来设计自聚焦光束。
中国专利公开号：CN 107479189 A，申请公开日：2017.12.15，公开了一种基于角谱调控的非傍轴自加速光束产生方法及产生装置，该方法虽然能获得不同的非傍轴自加速光束，但是其产生光束的装置比较复杂，不好调试。
发明内容
本发明为了解决现有技术产生的艾里光束只能沿着抛物线轨迹传输的问题，提供了一种产生多次自聚焦光束的方法、器件及其制备方法，其不在局限于抛物线型聚焦光束，而趋向于多类型轨迹的聚焦，且产生光束的器件的结构相对比较简单。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种产生多次自聚焦光束的方法，所述产生方法包括以下步骤：
S1：通过焦散线方法构造出余弦轨迹的自加速光束，将焦散线轨迹记为x1＝f(z1)，基于焦散线轨迹推导出其对应的初始角谱分布A(kx)；其中，x1轴为初始平面轴，z1轴为传播方向轴，kx为波矢k在x1轴上的分量；
S2：根据得到的初始角谱分布，通过傍轴近似下的角谱衍射积分得到主瓣近似地沿着余弦轨迹的自加速光束，其光场分布记为E(x,z)；
S3：对自加速光束的主瓣轨迹进行拟合，拟合出一条近似余弦轨迹，将拟合的轨迹记为x2＝f(z2)，对拟合的轨迹进行关于x轴对称处理，得到一条对称的轨迹记为x2＝-f(z2)；其中，x2轴为初始平面轴，z2轴为传播方向轴；
S4：通过上下对称平移两条关于轴对称的任意周期长度的余弦轨迹，可以很容易地定制出任意交点数的多交点轨迹，其中拟合的轨迹记为x2＝f(z2)-b，对称的轨迹记为x2＝-f(z2)+b，其中参数b是一个横向平移因子，可以控制余弦轨迹上下移动，所以通过优化参数b可以定制出任意交点数的轨迹；
S5：通过叠加焦散线原理，将两条轴对称的余弦轨迹对应的光场分布进行光场叠加，从而得到任意焦点数的多次自聚焦光束，其光场分布记为U(x,z)，其中拟合的余弦轨迹x2＝f(z2)-b对应的光场分布为E(x+b,z)，对称的余弦轨迹x2＝-f(z2)+b对应的光场分布为E(-x+b,z)。
基于以上所述的产生多次自聚焦光束的方法，本发明还提供一种产生多次自聚焦光束的器件，包括基片，在所述的基片上设有T阶不同深度结构的基片，其中T为正整数；在基片的周围设有金属层，将基片上有结构的位置设置成光阑，最终得到含有微纳结构的基片，利用含有微纳结构的基片产生如权利要求1～4任一项所述的多次自聚焦光束。
基于以上所述的产生多次自聚焦光束的器件，本发明还提供一种产生多次自聚焦光束的器件的制备方法，所述的方法包括以下步骤：
S1：在基片上均匀甩光刻胶，利用无掩膜曝光机导入版图进行曝光；
S2：利用反应离子束刻蚀机对曝光显影后的基片进行刻蚀；
S3：将S1和S2重复n次，就能得到T阶不同深度结构的基片；其中，n、T表示正整数；
S4：将带有不同深度结构的基片周围蒸镀一层金属，将基片上有结构的位置做成光阑，最终得到含有微纳结构的基片。
本发明的有益效果如下：
1.本发明提出基于叠加焦散线原理产生的多次自聚焦光束，相较于现有技术的基于艾里光束的急剧自聚焦光束，不在局限于抛物线型聚焦光束，而趋向于多类型轨迹的聚焦，而且还能聚焦更多的焦点。
2.本发明提出的用来产生多次自聚焦光束的微纳结构器件，相较于传统的空间光调制器，该器件更加小型化，更容易集成。
附图说明
图1是实施例1的流程图。
图2是实施例1中设计的多次自聚焦光束的叠加焦散线的光线模型原理图。
图3是实施例1中设计多次自聚焦光束的双余弦轨迹模型图，其中左图是b＝-7.6时的双余弦轨迹模型，右图是b＝-5时的双余弦轨迹模型。
图4是图3的双余弦轨迹模型图相对应的仿真的强度分布图，其中左图是b＝-7.6时的双余弦轨迹模型对应的强度分布图，右图是b＝-5时的双余弦轨迹模型对应的强度分布图。
图5是实施例1中设计的一维的三焦点光束和四焦点光束的相位分布图。
图6是实施例中用来产生多次自聚焦光束的器件示意图，其中右图是左图的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1所示，一种产生多次自聚焦光束的方法，所述产生方法包括以下步骤：
S1：通过焦散线方法构造出余弦轨迹的自加速光束，将焦散线轨迹记为x1＝f(z1)，基于焦散线轨迹推导出其对应的初始角谱分布A(kx)；其中，x1轴为初始平面轴，z1轴为传播方向轴，kx为波矢k在x1轴上的分量；
S2：根据得到的初始角谱分布，通过傍轴近似下的角谱衍射积分得到主瓣近似地沿着余弦轨迹的自加速光束，其光场分布记为E(x,z)；
S3：对自加速光束的主瓣轨迹进行拟合，拟合出一条近似余弦轨迹，将拟合的轨迹记为x2＝f(z2)，对拟合的轨迹进行关于x轴对称处理，得到一条对称的轨迹记为x2＝-f(z2)；其中，x2轴为初始平面轴，z2轴为传播方向轴；
S4：通过上下对称平移两条关于轴对称的任意周期长度的余弦轨迹，可以很容易地定制出任意交点数的多交点轨迹，其中拟合的轨迹记为x2＝f(z2)-b，对称的轨迹x2＝-f(z2)+b，而参数b是一个横向平移因子，可以控制余弦轨迹上下移动，所以通过优化参数b可以定制出任意交点数的轨迹；其具体的双余弦轨迹模型图，如图3、图4所示，其中三个交点和四个交点的双余弦轨迹模型所对应的横向平移因子分别为b＝-7.6和b＝-5；
S5：通过叠加焦散线原理，将两条轴对称的余弦轨迹所对应的光场分布进行光场叠加，所述的焦散线叠加原理图，如图2所示，从而得到任意焦点数的多次自聚焦光束，其光场分布记为U(x,z)。其中拟合的余弦轨迹x2＝f(z2)-b对应的光场分布为E(x+b,z)，对称的余弦轨迹x2＝-f(z2)+b对应的光场分布为E(-x+b,z)。那么本实施例根据S4设计出了具有三个焦点和四个焦点的多次自聚焦光束，如图3、图4所示。其中三焦点和四焦点光束的一维初始角谱相位分布图如图5所示。
本实施例步骤S4是为了构造多次聚焦光束而建立的一个双余弦轨迹的交点模型，通过上下移动两条余弦轨迹可以形成不同数量的交点数，从而可以设计出相对应焦点数的多次聚焦光束。即步骤4是通过构造模型来指导步骤5设计出多次聚焦光束。
在一个具体的实施例中，步骤S1中初始角谱分布与焦散线轨迹之间的对应关系，该对应关系的表达式如下：
Figure BDA0002508348970000041
式中，
Figure BDA0002508348970000042
表示初始的角谱分布，p(kx)表示初始的角谱振幅分布，
Figure BDA0002508348970000043
表示初始的角谱相位分布。
在一个具体的实施例中，步骤S2，所述的傍轴近似下的角谱衍射积分通过下式进行表达：
Figure BDA0002508348970000044
式中，E(x,z)为自加速光束在二维空间中的复振幅分布，k表示自由空间的波矢，其中
k＝2π/λ
其中，λ为光源的波长。
在一个具体的实施例中，所述的拟合轨迹x2＝f(z2)对应的光场分布可以表示为E(x,z)，所述的对称轨迹x2＝-f(z2)对应的光场分布可以表示为E(-x,z)。
在一个具体的实施例中，所述的叠加焦散线原理以及多次聚焦光束的光场分布的表达式如下：
U(x,z)＝E(ax+b,cz)+E(-ax+b,cz)
式中，a,b,c为常数，a≠0，c≠0，其中参数a控制余弦光束在x方向上的振幅大小；b是一个横向平移因子，能够控制整个轨迹上下移动；参数c能控制余弦光束在传播方向的长度。
本实施例产生的多次自聚焦光束相较于基于艾里光束的急剧自聚焦光束而言，将其推广到基于非凸余弦轨迹自加速光束的多次自聚焦光束，并且原来只能产生一个或者两个焦点，将其推广到多个焦点。
实施例2
本实施例基于实施例1所述的产生多次自聚焦光束的方法，提出了一种产生多次自聚焦光束的器件，为了产生多次自聚焦光束，采用在基片上刻蚀不同高度差的台阶来实现一定阶数的相位调制，其中相位调制需要达到16阶才能产生效果较好的多次自聚焦光束，所述的器件包括基片，在所述的基片上设有T＝16阶不同深度结构的基片，其中T为正整数；在基片的周围设有金属层，将基片上有结构的位置设置成光阑，最终得到含有微纳结构的基片，利用含有微纳结构的基片产生如实施例1所述的多次自聚焦光束。
所述的器件如图6所示，右图为器件在光学显微镜下放大100倍的局部细节图。
实施例3
本实施例基于实施例2所述的产生多次自聚焦光束的器件，提出了一种产生多次自聚焦光束的器件的制备方法，所述的方法包括步骤如下：
S1：在基片上均匀甩光刻胶，利用无掩膜曝光机导入版图进行曝光；
S2：利用反应离子束刻蚀机对曝光显影后的基片进行刻蚀；
S3：将S1和S2重复4次，就能得到16阶不同深度结构的基片；
S4：将带有不同深度结构的基片周围蒸镀一层金属，将基片上有结构的位置做成光阑，最终得到含有微纳结构的基片；
通过利用制备得到含有微纳结构的基片产生实施例1所述的多次自聚焦光束。
具体制备出来的器件如图6所示，右图为器件在光学显微镜下放大100倍的局部细节图。
在一个具体的实施例中，所述的基片为石英玻璃片，所述的光刻胶为AZ2035光刻负胶，所述的金属层为金属铬。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种产生多次自聚焦光束的方法，其特征在于：所述产生方法包括以下步骤：
S1：通过焦散线方法构造出余弦轨迹的自加速光束，将焦散线轨迹记为x1＝f(z1)，基于焦散线轨迹推导出其对应的初始角谱分布A(kx)；其中，x1轴为初始平面轴，z1轴为传播方向轴，kx为波矢k在x1轴上的分量；
S2：根据得到的初始角谱分布，通过傍轴近似下的角谱衍射积分得到主瓣近似地沿着余弦轨迹的自加速光束，其光场分布记为E(x,z)；
S3：对自加速光束的主瓣轨迹进行拟合，拟合出一条近似余弦轨迹，将拟合的轨迹记为x2＝f(z2)，对拟合的轨迹进行关于x轴对称处理，得到一条对称的轨迹记为x2＝-f(z2)；其中，x2轴为初始平面轴，z2轴为传播方向轴；
S4：通过上下对称平移两条关于轴对称的任意周期长度的余弦轨迹，能得到任意交点数的多交点轨迹，其中拟合的轨迹记为x2＝f(z2)-b，对称的轨迹记为x2＝-f(z2)+b，其中参数b是一个横向平移因子，用于控制余弦轨迹上下移动，所以通过优化参数b可以得到任意交点数的轨迹；
S5：通过叠加焦散线原理，将两条轴对称的余弦轨迹对应的光场分布进行光场叠加，从而得到任意焦点数的多次自聚焦光束，其光场分布记为U(x,z)，其中拟合的轨迹x2＝f(z2)-b对应的光场分布为E(x+b,z)，对称的轨迹x2＝-f(z2)+b对应的光场分布为E(-x+b,z)。
2.根据权利要求1所述的产生多次自聚焦光束的方法，其特征在于：步骤S1中初始角谱分布与焦散线轨迹之间的对应关系，表达式如下：
Figure FDA0002508348960000011
式中，
Figure FDA0002508348960000012
表示初始的角谱分布，p(kx)表示初始的角谱振幅分布，
Figure FDA0002508348960000013
表示初始的角谱相位分布。
3.根据权利要求2所述的产生多次自聚焦光束的方法，其特征在于：步骤S2，所述的傍轴近似下的角谱衍射积分，其表达如下：
Figure FDA0002508348960000014
式中，E(x,z)表示自加速光束在二维空间中的复振幅分布；k表示自由空间的波矢，其中k＝2π/λ，λ表示光源的波长。
4.根据权利要求3所述的产生多次自聚焦光束的方法，其特征在于：所述的叠加焦散线原理以及多次聚焦光束的光场分布的表达式如下：
U(x,z)＝E(ax+b,cz)+E(-ax+b,cz)
式中，a,b,c为常数，a≠0，c≠0，其中参数a控制余弦光束在x方向上的振幅大小；b是一个横向平移因子，能够控制整个轨迹上下移动；参数c能控制余弦光束在传播方向的长度。
5.一种产生多次自聚焦光束的器件，其特征在于：包括基片，在所述的基片上设有T阶不同深度结构的基片，其中T为正整数；在基片的周围设有金属层，将基片上有结构的位置设置成光阑，最终得到含有微纳结构的基片，利用含有微纳结构的基片产生如权利要求1～4任一项所述的多次自聚焦光束。
6.一种产生多次自聚焦光束的器件的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括以下步骤：
S1：在基片上均匀甩光刻胶，利用无掩膜曝光机导入版图进行曝光；
S2：利用反应离子束刻蚀机对曝光显影后的基片进行刻蚀；
S3：将S1和S2重复n次，就能得到T阶不同深度结构的基片；其中，n、T表示正整数；
S4：将带有不同深度结构的基片周围蒸镀一层金属，将基片上有结构的位置做成光阑，最终得到含有微纳结构的基片。
7.根据权利要求6所述的多次自聚焦光束的器件制备方法，其特征在于：所述的基片为石英玻璃片。
8.根据权利要求6所述的多次自聚焦光束的器件制备方法，其特征在于：所述的光刻胶为AZ2035光刻负胶。
9.根据权利要求6所述的多次自聚焦光束的器件制备方法，其特征在于：所述的金属层为金属铬。
10.根据权利要求6所述的多次自聚焦光束的器件制备方法，其特征在于：所述的n等于4，所述的T等于16。
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CN114488546A (zh) * 2021-12-28 2022-05-13 中山大学 一种产生焦点特性可调的多焦点自聚焦光束方法
CN114967130A (zh) * 2022-07-04 2022-08-30 山西大学 色散管理光纤系统中艾里脉冲对称反转传输的方法

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