CN115598837B - 一种自聚焦透镜装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复振幅调制产生圆艾里光束的光学几何相位元件设计方法及自聚焦透镜装置，涉及光学与微纳光子学技术领域。本发明的技术要点包括：预先获得用于实现艾里光束自聚焦特性的空间相位分布，并根据二分之一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵获得几何相位元件的光轴取向空间分布函数，从而完成几何相位元件的设计；基于上述设计的几何相位元件，进一步提出一种自聚焦透镜装置，实现艾里光束的自聚焦特性。本发明设计方法中不需要引入傅里叶变换过程，透镜装置价格低廉，精度高，具有电控性，装置简单，超薄的二维结构元件极大简化了光路。

Description

一种自聚焦透镜装置
技术领域
本发明涉及光学与微纳光子学技术领域，具体涉及一种复振幅调制产生圆艾里光束的光学几何相位元件设计方法及自聚焦透镜装置。
背景技术
圆艾里光束(circular Airy beams，CAB，后简称艾里光束)，在初始传播界面上是能量依次递减的同心圆环，并具有二值相位，随着传播距离增加，光束中心能量突然增强至最大，且过程中不需要任何透镜或非线性过程，故称艾里光束的自聚焦特性，这种特性相继被使用在生物医疗、激光手术以及光学粒子操控等领域，广泛的应用前景使其成为一项有研究意义的课题。
现有产生艾里光束的方法是通过对高斯光束进行相位调制，再经过傅里叶变换过程在空域产生艾里光束，例如在2011年《Optics Letters》第36卷第18期发表的《Fourier-space generation of abruptly autofocusing beams and optical bottle beams》所介绍的原理，但是没有实现艾里光束的复振幅调制。近年来基于几何相位原理的二元光学元件，即基于空间变取向液晶(LC)或介电超表面(Meta-surface)技术制备的空间变取向波片逐渐发展，研究学者们不断对这种二元光学元件进行精度优化和进一步研究，使得其可以通过几何相位原理实现复振幅调制功能。
但是目前仍然没有方法研究利用几何相位元件的复振幅调制功能产生艾里光束，以及利用艾里光束实现一种具有自聚焦特性的透镜。
发明内容
鉴于以上问题，本发明提出一种基于复振幅调制产生自聚焦艾里光束的光学几何相位元件设计方法，并构造一种自聚焦超薄透镜。
根据本发明的一方面，提供一种复振幅调制产生圆艾里光束的光学几何相位元件设计方法，该设计方法包括以下步骤：
预先获得用于实现艾里光束自聚焦特性的空间相位分布φ(x,y)，所述空间相位分布φ(x,y)的表达式为：
Figure SMS_1
式中，r0表示艾里光束初始平面的半径，r表示圆坐标系半径，w表示比例系数，a表示艾里光束的衰减系数；
根据二分之一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵，获得几何相位元件的光轴取向空间分布函数
Figure SMS_2
以完成几何相位元件的设计；其中，所述光轴取向空间分布函数的表达式为：
Figure SMS_3
进一步地，所述艾里光束在z＝0平面上的空间复振幅表示为：
Figure SMS_4
式中，Ai(·)表示艾里函数。
根据本发明的另一方面，提供一种自聚焦透镜装置，该透镜装置包括一个几何相位元件和一个偏振滤波器；其中，所述几何相位元件的光轴取向空间分布按照上述光学几何相位元件设计方法所设计。
进一步地，所述偏振滤波器包括偏振分束器、偏振片或检偏器。
进一步地，利用上述自聚焦透镜装置进行光场自聚焦的过程包括：携带具有水平线偏振态的光场从所述几何相位元件入射，出射光再入射偏振滤波器，经偏振滤波后的光场即具有艾里光束自聚焦特性；其中，所述携带具有水平线偏振态的光场包括高斯光场。
本发明的有益技术效果是：
本发明基于偏振滤波和复振幅调制原理，以几何相位二元光学元件为载体，提出一种全新的产生艾里光束的方法，同时基于艾里光束的自聚焦特性构造一种自聚焦超薄透镜。与现有技术相比，本发明不需要引入傅里叶变换过程，且价格低廉，精度高，具有电控性，装置简单，超薄的二维结构元件极大简化了光路。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1是本发明实施例中实验光路图；
图2是本发明实施例中光束复振幅调制后的自聚焦过程图；
图3是本发明实施例中自聚焦透镜与菲涅尔透镜的聚焦对比图。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。在本文中，需要理解的是，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。
本发明实施例提供一种复振幅调制产生圆艾里光束的光学几何相位元件设计方法，该方法包括两部分：几何相位元件的结构微元具有特定的空间分布，首先通过几何相位元件调控入射光场的偏振状态，出射后接偏振片，通过偏振滤波原理实现任意空间强度分布调制；然后，在该元件调制偏振的过程中，被调制光场的绝对波前延迟与对应微元处的快慢轴角度有关，所以通过调控对应微元的快慢轴角度，使得每种偏振态都可以被赋予两种绝对波前延迟，即
Figure SMS_5
或/>
Figure SMS_6
实现二值相位调制。故几何相位元件实现了任意具有二值相位的复振幅调制。其中，几何相位元件为液晶微纳器件或介电超表面等遵循偏振几何相位原理的几何相位元件。具体详述如下。
预先获得用于实现艾里光束自聚焦特性的空间相位分布φ(x,y)，所述空间相位分布φ(x,y)的表达式为：
Figure SMS_7
式中，r0表示艾里光束初始平面的半径，r表示圆坐标系半径，w表示比例系数，a表示艾里光束的衰减系数；
根据二分之一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵，获得几何相位元件的光轴取向空间分布函数
Figure SMS_8
以完成几何相位元件的设计；其中，所述光轴取向空间分布函数的表达式为：
Figure SMS_9
根据本发明实施例，以艾里光束作为目标光场，目标艾里光束在z＝0平面上的空间复振幅表示为：
Figure SMS_10
其中，目标艾里光束的光强空间分布I(x,y)＝|u2(r,0)|，二维空间相位分布
Figure SMS_11
Ai(·)为艾里函数，r0为初始半径，r表示圆坐标系半径，w是比例系数，a是衰减系数。
由于几何相位元件内部微元指向分布和目标二维空间相位分布满足2倍关系，故构造该几何相位元件内部微元的光轴取向空间分布
Figure SMS_12
本发明另一实施例还提供一种自聚焦透镜装置，该透镜装置包括一个几何相位元件和一个偏振滤波器；其中，几何相位元件的光轴取向空间分布按照上述光学几何相位元件设计方法所设计。利用该自聚焦透镜装置进行光场自聚焦的过程分析如下：
固定入射光场(高斯光场)为水平线偏振态，入射至该几何相位元件上，则出射光场的琼斯矢量为：
Figure SMS_13
针对空间光强分布，可通过构造某一偏振方向分量的偏振分布后经由对应分量的偏振滤波得到，以水平方向分量为例，经由水平偏振滤波器(例如偏振分束器、偏振片或检偏器)后出射光场的琼斯矢量为：
Figure SMS_14
故此时光场光强的二维空间分布I(x,y)可以通过几何相位元件的微元二维分布
Figure SMS_15
控制：
Figure SMS_16
针对空间二值相位分布，取任意偏振
Figure SMS_17
使得/>
Figure SMS_18
假设另一指向角度/>
Figure SMS_19
使得出射光场的琼斯矢量为：
Figure SMS_20
由上式可以看出，入射光的偏振状态不变，但使得整体波前携带额外的π延迟，即在不改变偏振滤波后的光强分布I(x,y)前提下，给光场赋予二值相位分布。
因此高斯光入射至几何相位元件上，经偏振滤波后的光强分布和相位分布即为艾里光束的光斑形貌和二值相位。
进一步通过实验验证本发明的技术效果。
实验光路如图1所示，自聚焦过程如图2所示。图2中图(a)为设计的几何相位元件的空间微元二维分布，以水平线偏振高斯光束(图(b))入射至设计的几何相位元件上，经偏振片的偏振滤波得到艾里光斑(图(c))、相位(图(d))以及聚焦光斑(图(e))。
对比实验为：引入高斯光束入射一个菲涅尔透镜作为对比，使得光束聚焦于z轴上的同一位置(两透镜焦距相同)，如图3所示。本发明实施例中自聚焦透镜的焦距由式(1)中的w、a和r0三个参数控制，例如w＝0.0749，a＝0.04，r0＝0.8时，焦距为300，实验中选取w＝0.083，a＝0.04，r0＝0.95，得到焦距约为380。
由图3可以看出，与等效焦距高斯光束相比，经本发明所提出的自聚焦透镜后的光束随着传播距离增加，光斑中心光强在初始的传播过程中几乎保持稳定不变，直至传播至焦点处，光强突然增加，可以看出自聚焦透镜在聚焦突发性方面具有显著的优势，且光强能够达到的峰值比普通透镜高很多，因此本发明在生物医疗、非线性光等领域中具有重要意义。
尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (4)

1.一种自聚焦透镜装置，其特征在于，包括一个几何相位元件和一个偏振滤波器；其中，所述几何相位元件的光轴取向空间分布按照下述光学几何相位元件设计方法所设计：
预先获得用于实现艾里光束自聚焦特性的空间相位分布φ(x,y)，所述空间相位分布φ(x,y)的表达式为：
Figure FDA0004231503750000011
式中，r0表示艾里光束初始平面的半径，r表示圆坐标系半径，w表示比例系数，a表示艾里光束的衰减系数；
根据二分之一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵，获得几何相位元件的光轴取向空间分布函数
Figure FDA0004231503750000012
以完成几何相位元件的设计；其中，所述光轴取向空间分布函数的表达式为：
Figure FDA0004231503750000013
利用所述自聚焦透镜装置进行光场自聚焦的过程包括：携带具有水平线偏振态的光场从所述几何相位元件入射，出射光再入射偏振滤波器，经偏振滤波后的光场即具有艾里光束自聚焦特性。
2.根据权利要求1所述的一种自聚焦透镜装置，其特征在于，所述艾里光束在z＝0平面上的空间复振幅表示为：
Figure FDA0004231503750000014
式中，Ai(·)表示艾里函数。
3.根据权利要求1所述的一种自聚焦透镜装置，其特征在于，所述偏振滤波器是偏振分束器、偏振片或检偏器。
4.根据权利要求1所述的一种自聚焦透镜装置，其特征在于，所述携带具有水平线偏振态的光场包括高斯光场。
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CN106094217B (zh) * 2016-06-01 2018-12-21 首都师范大学 自聚焦光束发生器及其设计方法
TWI800844B (zh) * 2020-06-02 2023-05-01 國立臺灣大學 超穎介面急劇自聚焦光束產生裝置
CN112882133B (zh) * 2021-02-25 2022-11-04 南京理工大学 一种产生艾里光束的几何相位型超透镜

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