CN117233878A - 一种弯曲叉形光栅结构及其弯曲叉形光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学技术领域，公开了一种弯曲叉形光栅结构，所述的弯曲叉形光栅中，所有处于各自周期相同相对位置的点所构成的曲线呈弯曲叉形分布，以使照射在弯曲叉形光栅的入射光转变为贝塞尔高斯光。本发明提供的弯曲叉形光栅相比于现有技术中获得贝塞尔高斯光的方法，光路更为简单，适用于宽波段。这种弯曲叉形可通过各种光栅实现，如金属光栅、介质光栅、或金属介质混合光栅，同时不影响它们的本征特性，如衍射效率、使用波段、衍射角度、偏振特性等，仅使衍射光场携带高阶贝塞尔相位。
Description
技术领域
本发明涉及衍射光栅领域，特别是一种能将高斯光转变为贝塞尔高斯光、具有弯曲叉形结构的光栅。
背景技术
涡旋光束是具有涡旋特性的光束，这种光的相位或波前呈螺旋形，复振幅含有螺旋相位项，可以表示为其中l是拓扑荷，/>是角向坐标。涡旋光束中的每一个光子都携带l/>的轨道角动量(OAM)，并且这种轨道角动量可以传递到被辐射的微粒上。涡旋光束在许多潜在的应用价值，比如用在光通信领域、操纵微小粒子、光学诱捕等方面。但是传统的涡旋光的环半径会随着拓扑荷值的增大而增大，因此在很多领域中应用受到了限制。2013年，Ostrovsky等人首次提出完美涡旋光这一概念，它们的环径与拓扑荷值无关【Opt Lett38,534-536(2013)】，受到了广泛的关注。完美涡旋光是通过贝塞尔高斯光的傅里叶变换得到的。
目前生成贝塞尔高斯光场最普遍方式是用液晶空间光调制器(SLM)加载计算全息图的方式，但是此方法成本高，衍射效率低，其液晶结构使损伤阈值难以提高。也有通过将螺旋相位板和锥透镜级联的方式，获得高阶贝塞尔高斯光【Opt Lett 41,1348-1351(2016)】，进而产生完美涡旋光，但光路非常复杂，光学中心也难以对准，并且只能应用于单一波长。
据我们所知，目前没有关于中长波红外光栅的全息式衍射光栅报道，包括中长波红外衍射光栅特征结构及其制备方式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能将高斯光直接转换为贝塞尔高斯光的衍射光栅，其具有特征的弯曲叉形光栅结构。
本发明的解决方案如下：
一种弯曲叉形光栅结构，其特点在于，所有处于各自周期相同相对位置的点所构成的曲线呈弯曲分布，且仅有一对相邻的弯曲曲线之间分布有叉形结构，以使照射在所述弯曲叉形光栅的入射光转变为贝塞尔高斯光；
所述的弯曲叉形光栅横向结构具体为：
以所述叉形结构的分叉点为极点O，光栅上的任意一点M与O点间的距离为ρ，弯曲叉形光栅周期密度极大方向为极轴Ox，则弯曲叉形光栅横向分布函数在极坐标系中表示为：
其中，γ为弯曲曲线的弯曲因子，为极角，l为拓扑荷值，Λ为光栅的平均周期，n为M点与O点之间的周期数差，x0为M点在任一光栅周期内的相对位置。
所述的弯曲因子γ为任一正实数，所述的拓扑荷值l为任一非零整数，所述的周期数差n属于正负N/2闭区间内的任一整数，N为整个光栅口径内的总周期数，所述的相对位置x0取[0,1)之间的任意实数。
一种金属的弯曲叉形光栅，其特点在于，采用上述弯曲叉形光栅结构，且纵向结构由下至上依次为基底、顶部光栅层和金属镀层。
一种介质的弯曲叉形光栅，其特点在于，采用上述弯曲叉形光栅结构，且纵向结构由下至上依次为基底、多层介质膜和顶部光栅层。
一种金属介质混合弯曲叉形光栅，其特点在于，采用上述弯曲叉形光栅结构，且纵向结构由下至上依次为基底、金属介质混合层和顶部光栅层。
本发明的技术效果如下：
1)与常规直条纹光栅相比，本发明的弯曲叉形光栅可以直接将入射的高斯光衍射转变为贝塞尔高斯光。
2)本发明设计的弯曲叉形光栅可有效利用各类常规光栅的纵向结构并继承其性能特性，可实现相比于螺旋锥透镜具有更任意、更宽的使用波段，相比于SLM具有更高的损伤阈值和衍射效率。
3)本发明对所设计的弯曲叉形光栅的顶部光栅层条纹分布进行了定义，能更有效的指导弯曲叉形光栅的设计和制备。
4)本发明适配应用常规直条纹光栅的各类光学系统，如超强超短激光压缩器、激光合束系统，可简单直接地生成贝塞尔高斯光。
附图说明
图1为本发明弯曲叉形光栅结构示意图，横向结构为弯曲叉形结构，纵向结构可直接采用常规光栅的纵向结构，虚线为一对相邻弯曲曲线之间分布的叉形结构。
图2为采用本发明提供的弯曲叉形表达式得到的光栅条纹示意图。
图3为本发明实施例中采用的金属弯曲叉形光栅纵向结构剖面图，顶层金层厚度150纳米。
图4为实施例中采用本发明提供的弯曲叉形表达式得到的金光栅，在中心周围边长2.7毫米的范围内，顶部光栅层表面轮廓上各位置的高度分布的仿真结果。Λ＝675.68纳米，l＝1，γ＝9.5×10-4。
图5为实施例中采用本发明提供的弯曲叉形分布公式，实际制备出的金属弯曲叉形光栅，衍射光经过焦距为50厘米的透镜，强度分布随传播距离变化的仿真与实验结果，测试光源的波长为413.1纳米，入射角度为15°45′，衍射角度为62°。
图6为实施例中采用柱面镜法，测量实际制备出的金属弯曲叉形光栅衍射光场拓扑荷值的强度分布测试结果，两极亮点之间存在一条倾斜暗条纹，证明衍射光场拓扑荷值为1。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施方式对上述技术方案进行更详细的说明。
本实施例提供一种金属弯曲叉形光栅，包括：基底2、顶部光栅层3、金属镀层4；所述弯曲叉形光栅用于接收p偏振的基模高斯光，并在+1级衍射级上得到拓扑荷值为l的高阶贝塞尔高斯光。
图3为本发明实施例1金属弯曲叉形光栅结构剖面图。其中基底2采用石英基底，光栅层3采用折射率1.6的光刻胶，高度为200纳米，金属层4采用金属材料金(Au)，厚度为150纳米。
设计弯曲叉形光栅。对光栅的一个完整周期内的外型轮廓进行定义，高度h与周期内相对位置x0的关系取为三角函数关系：
h(x0)＝[sin(2πx0-π/2)+1]×h0
其中槽深h0取200纳米。
以叉形结构中心为极点O，光栅上的任意一点M与O点间的距离为ρ。以弯曲叉形光栅周期密度极大方向为极轴Ox，光栅结构横向分布函数可在极坐标系中表示为：
本实施例中，光栅周期Λ为675.68纳米，对应线度1480线，光栅条纹方向总长度50毫米，共有37000个周期，n取遍正负18500闭区间内的任一整数。x0＝0，即所作的曲线为每个周期起始点连线，在本实施例中，周期的起始点为光栅凹槽中心位置。拓扑荷值l＝1，即光栅中心位置处的叉数为1，弯曲参数γ＝9.5×10-4。
图4为光栅在边长为2.7毫米的范围内，顶部光栅层表面轮廓上各位置的高度分布的仿真结果，可以观察到明显的弯曲摩尔条纹。
一种获得所设计金属弯曲叉形条纹光栅的方式是采用全息干涉曝光法制备光栅。
首先在熔石英衬底上涂覆一层光刻胶，涂覆的光刻胶厚度为200纳米左右。
采用全息曝光干涉法，在光栅表面记录弯曲叉形条纹。
通过显影，在光刻胶上制备出高度呈sin函数分布的光刻胶光栅层。
在光刻胶光栅层上镀制厚度为150纳米的金薄膜材料，最终获得边长50毫米的金属弯曲叉形金光栅。
在检测时，贝塞尔高斯光经过透镜更便于观察其性质，光场会在焦平面上产生一个极细的、与拓扑荷值无关的完美涡旋光圆环，而在远离焦平面的位置处呈现同心环型的光强分布。图5a(1,2)为基模高斯光经过上述参数所得的金属弯曲叉形光栅，获得的1级衍射光，经过焦距为50厘米的透镜，光场强度分布在焦平面前和焦平面上的仿真结果。
图5b(1,2)为基模高斯光经过实际制备出的金属弯曲叉形光栅，获得的1级衍射光，经过焦距为50厘米的透镜，光场强度分布在焦平面前和焦平面上的实验结果。测试使用的激光光源波长为413.1纳米，测试入射角度为15°45′，衍射角度为62°。
图6为使用焦距为80厘米的柱面镜，测量图5b(2)所示的完美涡旋光的拓扑荷值。在强度分布图中，两极亮点之间存在一条暗条纹，可知此完美涡旋光的拓扑荷值为1，即本实施例中金属弯曲叉形光栅所产生的贝塞尔高斯光拓扑荷值为1。
本发明中弯曲叉形光栅结构除适用于金属弯曲叉形光栅外，还可以适用于介质或金属介质混合光栅。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种弯曲叉形光栅结构，其特征在于，所有处于各自周期相同相对位置的点所构成的曲线呈弯曲分布，且仅有一对相邻的弯曲曲线之间分布有叉形结构，以使照射在所述弯曲叉形光栅的入射光转变为贝塞尔高斯光；
以所述叉形结构的分叉点为极点O，光栅上的任意一点M与O点间的距离为ρ，弯曲叉形光栅周期密度极大方向为极轴Ox，则弯曲叉形光栅横向分布函数在极坐标系中表示为：
其中，γ为弯曲曲线的弯曲因子，为极角，l为拓扑荷值，Λ为光栅的平均周期，n为M点与O点之间的周期数差，x0为M点在任一光栅周期内的相对位置。
2.如权利要求1所述的弯曲叉形光栅结构，其特征在于：所述的弯曲因子γ为任一正实数，所述的拓扑荷值l为任一非零整数，所述的周期数差n属于正负N/2闭区间内的任一整数，N为整个光栅口径内的总周期数，所述的相对位置x0取[0,1)之间的任意实数。
3.如权利要求1所述的弯曲叉形光栅结构，其特征在于：所述的弯曲叉形光栅为金属、介质、或金属介质混合光栅。
4.一种金属的弯曲叉形光栅，其特征在于，采用权利要求1-3任一所述的弯曲叉形光栅结构，且纵向结构由下至上依次为基底、顶部光栅层和金属镀层。
5.一种介质的弯曲叉形光栅，其特征在于，采用权利要求1-3任一所述的弯曲叉形光栅结构，且纵向结构由下至上依次为基底、多层介质膜和顶部光栅层。
6.一种金属介质混合弯曲叉形光栅，其特征在于，采用权利要求1-3任一所述的弯曲叉形光栅结构，且纵向结构由下至上依次为基底、金属介质混合层和顶部光栅层。
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