CN111790980A - 一种调控纳米光栅光轴三维方向的方法、系统及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调控纳米光栅光轴三维方向的方法、系统及应用，属于激光加工领域，方法包括：根据目标三维方向确定纳米光栅光轴在垂直于激光入射方向的平面Sv内的旋转角θv，以及在平行于激光入射方向的平面Sp内的旋转角θp；根据旋转角θv调整入射的激光光束的偏振方向，并根据旋转角θp改变激光光束的光强分布，得到加工光束；加工光束在聚焦前、后的偏振状态不同；将加工光束聚焦于熔融石英以写入纳米光栅，使得加工得到的纳米光栅的光轴在平面Sv和平面Sp内的旋转角分别为θv和θp。本发明能够实现对熔融石英中纳米光栅光轴三维方向的调控，提高光存储的容量。

Description

一种调控纳米光栅光轴三维方向的方法、系统及应用
技术领域
本发明属于激光加工领域，更具体地，涉及一种调控纳米光栅光轴三维方向的方法、系统及应用。
背景技术
近年来，随着飞秒激光器的普及以及飞秒激光加工技术的发展，研究人员发现了飞秒激光材料加工中的许多新的特性及现象。相比于常规的连续激光与纳秒激光灯，飞秒激光具有极高的瞬时功率密度，经聚焦之后可在透明材料内部实现多光子吸收或多光子聚合等非线性效应，使得三维激光直写技术得到了快速的发展，衍生出三维激光打印，三维光存储，三维微流体芯片制造等一系列新的应用。
熔融石英是飞秒激光加工中常用的一种材料，根据激光脉冲能量的不同，熔融石英中可诱导三种不同类型的结构变化。当脉冲能量较低时，加工区域折射率会增加，可用于制造光波导。当能量很高时，加工区域会出现小孔或裂纹，可用于三维光存储技术。当脉冲能量处于一个中间范围时，可在加工区域诱导出一种周期性结构，其周期通常小于激光波长，排列方向与激光的偏振状态有关，称为纳米光栅结构。纳米光栅结构具有双折射特性，并且结构损伤阈值较高，可用于制造偏振光学器件与五维光存储技术。
目前，基于纳米光栅结构的五维光存储技术是一个研究热点，五个维度包括三维空间与表征双折射特性的两个参数(延迟值与光轴方向)，其中，延迟值由激光脉冲强度控制，光轴方向由激光脉冲偏振状态控制。五维光存储使得存储容量大为增加，但是相对于呈爆炸式增长的数据量来说，存储容量仍有待进一步提高。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种调控纳米光栅光轴三维方向的方法、系统及应用，其目的在于，通过实现对熔融石英中纳米光栅光轴三维方向的调控，提高光存储的容量。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种调控纳米光栅光轴三维方向的方法，包括如下步骤：
(1)根据目标三维方向确定待加工的纳米光栅的光轴在垂直于激光入射方向的平面Sv内的旋转角θv，以及在平行于激光入射方向的平面Sp内的旋转角θp；
(2)根据旋转角θv调整入射的激光光束的偏振方向，并根据旋转角θp改变激光光束的光强分布，得到加工光束；加工光束在聚焦前、后的偏振状态不同；
(3)将加工光束聚焦于熔融石英以写入纳米光栅，使得加工得到的纳米光栅的光轴在平面Sv和平面Sp内的旋转角分别为θv和Qp，从而将纳米光栅的光轴方向调控到目标三维方向。
进一步地，本发明所提供的调控纳米光栅光轴三维方向的方法，还包括：在调整入射的激光光束的偏振方向和光强分布之前，将入射的激光光束调整到所需强度和大小，并调整激光光束的幅度分布，使激光光束均匀分布。
按照本发明的另一个方面，提供了一种调控纳米光栅光轴三维方向的系统，包括：沿光路方向依次设置的第一光束调控单元、衰减片、第二光束调控单元以及物镜；
第一光束调控单元，用于将入射的激光光束调整到所需的强度和大小；
衰减片，用于调整激光光束的幅度分布，使激光光束均匀分布，得到均匀光束；
第二光束调控单元，用于根据旋转角θv调整均匀光束的偏振方向，并根据旋转角θp改变均匀光束的光强分布，得到加工光束；加工光束在聚焦前、后的偏振状态不同；
物镜，用于将加工光束聚焦于熔融石英以写入纳米光栅，使得加工得到的纳米光栅的光轴在平面Sv和平面Sp内的旋转角分别为θv和θp，从而将纳米光栅的光轴方向调控到目标三维方向；
其中，平面Sv为垂直于激光入射方向的平面，平面Sp为平行于激光入射方向的平面，旋转角θv和旋转角θp分别为目标三维方向在平面Sv和平面Sp内的旋转角。
进一步地，第二光束调控单元包括：第二半波片和第一开孔挡板；
第二半波片用于根据旋转角θv调整光束的偏振方向；
第一开孔挡板上设置有可滑动的开孔，用于根据旋转角θp改变均匀光束的光强分布；
沿光路方向，第二半波片设置于第一开孔挡板之前或之后；第一开孔挡板与第二半波片联动旋转，以使得第一开孔挡板上开孔的滑动方向始终与经第二半波片调整后的光束的偏振方向平行。
进一步地，第一开孔挡板上的开孔形状关于滑动轴对称。
进一步地，第二光束调控单元包括沿光路方向依次设置的可编程器件、第三透镜、第二开孔挡板、第四透镜以及第三半波片；
可编程器件用于对均匀光束中不需要的部分加载线性相位后反射光束，以通过相位调制改变均匀光束的光强分布；
第二开孔挡板，其上的开孔用于透过经可编程器件反射的光束中未经相位调制的部分，并阻挡其中加载了线性相位的部分；
第三透镜和第四透镜组成一个4f系统，用于将可编程器件的相位投影到物镜的前焦平面处。
进一步地，可编程器件为空间光调制器(SLM)或数字微反射镜器件(DMD)。
进一步地，第二光束调控单元还包括一个或多个反射镜，用于调整光路方向。
进一步地，第一光束调控单元包括光强调控单元和扩束单元；
光强调控单元包括共光轴设置的第一半波片和偏振片，用于调整光束的强度；
扩束单元包括共光轴设置的第一透镜和第二透镜，用于调整光束的大小。
按照本发明的有一个方面，提供了一种光存储方法，包括：
以熔融石英中纳米光栅的延迟值和光轴三维方向作为数据存储的三个维度；光轴三维方向由光轴在垂直于激光入射方向的平面Sv内的旋转角，和光轴在平行于激光入射方向的平面Sp内的旋转角构成；
将所需存储的数据作为目标数据，确定目标数据所对应的目标延迟值和目标三维方向，并根据目标数据的存储地址确定纳米光栅在熔融石英中的目标位置；
根据目标延迟值调控激光光束的强度；
将已进行强度调控后的激光光束作为入射激光光束，利用本发明提供的调控纳米光栅光轴三维方向的方法在熔融石英中的目标位置处写入纳米光栅，实现目标数据的存储。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
现有的利用熔融石英中纳米光栅实现的五维光存储方法，仅对纳米光栅光轴的方向在垂直于激光入射方向的二维平面上进行调控，即对于纳米光栅的光轴方向只能进行二维调控；本发明通过在写入纳米光栅前，改变激光光束的光强分布，使得光束在焦点处的偏振状态发生变化，由此破坏了加工系统的中心对称性，从而纳米光栅的光轴在垂直于激光入射方向的平面内具有指定旋转角的同时，在平行于激光入射方向的平面内也具有指定的旋转角，实现了对熔融石英中纳米光栅光轴的三维方向的调控，由此能够将五维光存储扩展到六维光存储，有效提高了光存储容量。
附图说明
图1为现有的调控纳米光栅光轴二维方向的示意图；
图2为本发明实施例提供的调控纳米光栅光轴三维方向的方法流程图；
图3为本发明实施例提供的调控纳米光栅光轴三维方向的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种调控纳米光栅光轴三维方向的系统示意图；
图5为本发明实施例提供的带有可滑动开孔的开孔挡板示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种调控纳米光栅光轴三维方向的系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
研究表明，熔融石英中纳米光栅结构的光轴方向由焦点处光场的偏振状态决定，即光轴方向总是沿着焦点处偏振方向。在飞秒激光加工纳米光栅的过程中，普遍采用具有中心对称性的高斯光束，偏振状态为线偏振；利用高数值孔径透镜对光束进行聚焦，并且光束中心与透镜中心严格对齐，激光光束中各光束的光强分布相同，光束经过透镜折射射出时，将改变其偏振状态，并汇聚到加工位置完成对材料的加工，由于系统的严格对称性，光场在在焦点处叠加后能够保持入射的偏振状态，如图1所示。为便于描述，在图1中，仅示出了激光光束的轮廓，其中的矢量箭头用于表示激光光束相应位置处的偏振状态(方向和光强大小)。如图1所示，现有的利用熔融石英中纳米光栅实现的五维光存储方法，仅对纳米光栅光轴的方向在垂直于激光入射方向的二维平面上进行调控，即对于纳米光栅的光轴方向只能进行二维调控。
为了实现对熔融石英中纳米光栅光轴三维方向的调控，以增大光存储容量，本发明提供了一种调控纳米光栅光轴三维方向的方法、系统及应用，其整体思路在于：在写入纳米光栅前，改变激光光束的光强分布，使得光束在焦点处的偏振状态发生变化，由此破坏了加工系统的中心对称性，从而纳米光栅的光轴在垂直于激光入射方向的平面内具有指定旋转角的同时，在平行于激光入射方向的平面内也具有指定的旋转角，由此实现对熔融石英中纳米光栅光轴的三维方向的调控。
在以下实施例中，激光为飞秒激光。
在本发明的第一实施例中，提供了一种调控纳米光栅光轴三维方向的方法，如图2所示，包括如下步骤：
(1)根据目标三维方向确定待加工的纳米光栅的光轴在垂直于激光入射方向的平面Sv内的旋转角θv，以及在平行于激光入射方向的平面Sp内的旋转角θp；
(2)根据旋转角θv调整入射的激光光束的偏振方向，并根据旋转角θp改变激光光束的光强分布，得到加工光束；加工光束在聚焦前、后的偏振状态不同；
(3)将加工光束聚焦于熔融石英以写入纳米光栅，使得加工得到的纳米光栅的光轴在平面Sv和平面Sp内的旋转角分别为θv和θp，从而将纳米光栅的光轴方向调控到目标三维方向。
本实施例实现纳米光栅三维方向调控的过程如图3所示，同样，为便于描述，图3中仅示出了激光光束的轮廓；由于本实施例在写入纳米光栅前，改变激光光束的光强分布，破坏了加工系统的光学对称性，使得激光光束不同位置的偏振状态不同，从而在焦点处，激光光场的偏振状态发生改变，不再保持入射的偏振状态，而是在垂直和平行于激光入射方向的平面内均存在指定的旋转角。总的来说，本实施例可以在焦点处产生任意方向的偏振状态，由此实现了对熔融石英中纳米光栅光轴三维方向的调控，进而可以将现有的五维光存储扩展到六维光存储，有效提高光存储容量；
为了进一步改善加工效果，本实施例所提供的调控纳米光栅光轴三维方向的方法，还包括：在调整入射的激光光束的偏振方向和光强分布之前，将入射的激光光束调整到所需强度和大小，并调整激光光束的幅度分布，使激光光束均匀分布。
在本发明的第二实施例中，提供了一种调控纳米光栅光轴三维方向的系统，如图4所示，包括：沿光路方向依次设置的第一光束调控单元、衰减片、第二光束调控单元以及物镜；
第一光束调控单元，用于将入射的激光光束调整到所需的强度和大小；
衰减片，用于调整经第一光束调控单元调整之后的激光光束的幅度分布，使激光光束均匀分布，得到均匀光束；
第二光束调控单元，用于根据旋转角θv调整均匀光束的偏振方向，并根据旋转角θp改变均匀光束的光强分布，得到加工光束；加工光束在聚焦前、后的偏振状态不同；
物镜，用于将加工光束聚焦于熔融石英以写入纳米光栅，使得加工得到的纳米光栅的光轴在平面Sv和平面Sp内的旋转角分别为θv和θp，从而将纳米光栅的光轴方向调控到目标三维方向；
其中，平面Sv为垂直于激光入射方向的平面，平面Sp为平行于激光入射方向的平面，旋转角θv和旋转角θp分别为目标三维方向在平面Sv和平面Sp内的旋转角；
在本实施例中，第二光束调控单元包括：沿光路方向依次设置的第二半波片和第一开孔挡板；
第二半波片用于根据旋转角θv调整光束的偏振方向；
如图5所示，第一开孔挡板上设置有可滑动的开孔，用于根据旋转角θp改变均匀光束的光强分布；
第一开孔挡板与第二半波片联动旋转，以使得第一开孔挡板上开孔的滑动方向始终与经第二半波片调整后的光束的偏振方向平行；
本实施例使用带有可滑动开孔的开孔挡板改变偏振光束的光强分布，通过滑动开孔挡板上的开孔，可以使光束中心偏离原来的光束中心(即透镜中心)，由此使得光束在焦点处的偏振状态发生改变；光束中心偏离原来光束中心的距离越大，不对称越强，偏振沿平行于激光入射方向的改变越大；
开孔挡板上开孔的形状和大小可根据实际的加工要求确定；优选地，开孔挡板上的开孔形状关于滑动轴对称，选择关于滑动轴对称的开孔形状，可以在打破系统的中心对称性的同时，使得光束仍然具有轴对称型，有利于提高调控精度；如图5所示，本实施例中，该开孔的形状具体为圆形；应当说明的是，此处仅为本发明的优选实施方式，不应理解为对本发明的唯一限定，在本发明其他的一些实施例中，该开孔的形状也可以是正方形等其他关于滑动轴对称的图像，还可以是不具有对称性的形状，在此将不作一一列举；
如图4所示，在本实施例中，第一光束调控单元包括光强调控单元和扩束单元；
光强调控单元包括共光轴设置的第一半波片和偏振片，用于调整光束的强度；
扩束单元包括共光轴设置的第一透镜和第二透镜，用于调整光束的大小。
在本发明其他的一些实施例中，第二半波片也可沿光路方向设置于第一开孔挡板之后，系统的结构即原理与上述第二实施例类似，在此将不作赘述。
在本发明的第三实施例中，提供了另一种调控纳米光栅光轴三维方向的系统，本实施例与上述第二实施例类似，所不同之处在于，如图6所示，本实施例中，第二光束调控单元包括沿光路方向依次设置的可编程器件、第三透镜、第二开孔挡板、第四透镜以及第三半波片；
可编程器件用于对均匀光束中不需要的部分加载线性相位后反射光束，以通过相位调制改变均匀光束的光强分布；被加载线性相位的光束部分，在反射时会发生旋转；可选地，本实施例中，可编程器件可以为空间光调制器(SLM)或数字微反射镜器件(DMD)；在本发明其他的一些实施例中，也可以采用其他的可编程器件实现此相位加载及反射的功能，在此将不作一一列举；
第二开孔挡板，其上的开孔用于透过经可编程器件反射的光束中未经相位调制的部分，并阻挡其中加载了线性相位的部分；
第三透镜和第四透镜组成一个4f系统，用于将可编程器件的相位投影到物镜的前焦平面处；
如图6所示，本实施例中，在光路上还设置有第一反射镜和第二反射镜，用于改变光路方向，使光路系统结构更为紧凑。
在本发明第四实施例中，提供了一种光存储方法，包括：
以熔融石英中纳米光栅的延迟值和光轴三维方向作为数据存储的三个维度；光轴三维方向由光轴在垂直于激光入射方向的平面Sv内的旋转角，和光轴在平行于激光入射方向的平面Sp内的旋转角构成；
将所需存储的数据作为目标数据，确定目标数据所对应的目标延迟值和目标三维方向，并根据目标数据的存储地址确定纳米光栅在熔融石英中的目标位置；
根据目标延迟值调控激光光束的强度；
将已进行强度调控后的激光光束作为入射激光光束，利用上述第一实施例提供的调控纳米光栅光轴三维方向的方法在熔融石英中的目标位置处写入纳米光栅，实现目标数据的存储。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种调控纳米光栅光轴三维方向的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据目标三维方向确定待加工的纳米光栅的光轴在垂直于激光入射方向的平面Sv内的旋转角θv，以及在平行于激光入射方向的平面Sp内的旋转角θp；
(2)根据所述旋转角θv调整入射的激光光束的偏振方向，并根据所述旋转角θp改变激光光束的光强分布，得到加工光束；所述加工光束在聚焦前、后的偏振状态不同；
(3)将所述加工光束聚焦于熔融石英以写入纳米光栅，使得加工得到的纳米光栅的光轴在所述平面Sv和所述平面Sp内的旋转角分别为θv和θp，从而将纳米光栅的光轴方向调控到所述目标三维方向。
2.如权利要求1所述的调控纳米光栅光轴三维方向的方法，其特征在于，还包括：在调整入射的激光光束的偏振方向和光前分布之前，将入射的激光光束调整到所需强度和大小，并调整激光光束的幅度分布，使激光光束均匀分布。
3.一种调控纳米光栅光轴三维方向的系统，其特征在于，包括：沿光路方向依次设置的第一光束调控单元、衰减片、第二光束调控单元以及物镜；
所述第一光束调控单元，用于将入射的激光光束调整到所需的强度和大小；
所述衰减片，用于调整经所述第一光束调控单元调整之后的激光光束的幅度分布，使激光光束均匀分布，得到均匀光束；
所述第二光束调控单元，用于根据旋转角θv调整所述均匀光束的偏振方向，并根据所述旋转角θp改变所述均匀光束的光强分布，得到加工光束；所述加工光束在聚焦前、后的偏振状态不同；
所述物镜，用于将所述加工光束聚焦于熔融石英以写入纳米光栅，使得加工得到的纳米光栅的光轴在平面Sv和平面Sp内的旋转角分别为θv和θp，从而将纳米光栅的光轴方向调控到目标三维方向；
其中，平面Sv为垂直于激光入射方向的平面，平面Sp为平行于激光入射方向的平面，旋转角θv和旋转角θp分别为目标三维方向在所述平面Sv和所述平面Sp内的旋转角。
4.如权利要求3所述的调控纳米光栅光轴三维方向的系统，其特征在于，所述第二光束调控单元包括：第二半波片和第一开孔挡板；
所述第二半波片用于根据旋转角θv调整光束的偏振方向；
所述第一开孔挡板上设置有可滑动的开孔，用于根据旋转角θp改变所述均匀光束的光强分布；
沿光路方向，所述第二半波片设置于所述第一开孔挡板之前或之后；所述第一开孔挡板与所述第二半波片联动旋转，以使得所述第一开孔挡板上开孔的滑动方向始终与经所述第二半波片调整后的光束的偏振方向平行。
5.如权利要求4所述的调控纳米光栅光轴三维方向的系统，其特征在于，所述第一开孔挡板上的开孔形状关于滑动轴对称。
6.如权利要求3所述的调控纳米光栅光轴三维方向的系统，其特征在于，所述第二光束调控单元包括沿光路方向依次设置的可编程器件、第三透镜、第二开孔挡板、第四透镜以及第三半波片；
所述可编程器件用于对所述均匀光束中不需要的部分加载线性相位后反射光束，以通过相位调制改变所述均匀光束的光强分布；
所述第二开孔挡板，其上的开孔用于透过经所述可编程器件反射的光束中未经相位调制的部分，并阻挡其中加载了线性相位的部分；
所述第三透镜和所述第四透镜组成一个4f系统，用于将所述可编程器件的相位投影到所述物镜的前焦平面处。
7.如权利要求6所述的调控纳米光栅光轴三维方向的系统，其特征在于，所述可编程器件为空间光调制器或数字微反射镜器件。
8.如权利要求6所述的调控纳米光栅光轴三维方向的系统，其特征在于，所述第二光束调控单元还包括一个或多个反射镜，用于调整光路方向。
9.如权利要求3-8任一项所述的调控纳米光栅光轴三维方向的系统，其特征在于，所述第一光束调控单元包括光强调控单元和扩束单元；
所述光强调控单元包括共光轴设置的第一半波片和偏振片，用于调整光束的强度；
所述扩束单元包括共光轴设置的第一透镜和第二透镜，用于调整光束的大小。
10.一种光存储方法，其特征在，包括：
以熔融石英中纳米光栅的延迟值和光轴三维方向作为数据存储的三个维度；光轴三维方向由光轴在垂直于激光入射方向的平面Sv内的旋转角，和光轴在平行于激光入射方向的平面Sp内的旋转角构成；
将所需存储的数据作为目标数据，确定所述目标数据所对应的目标延迟值和目标三维方向，并根据所述目标数据的存储地址确定纳米光栅在熔融石英中的目标位置；
根据所述目标延迟值调控激光光束的强度；
将已进行强度调控后的激光光束作为入射激光光束，利用权利要求1所述的调控纳米光栅光轴三维方向的方法在熔融石英中的目标位置处写入纳米光栅，实现目标数据的存储。
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