CN117891080A - 基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阵列照明器技术领域，具体公开一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置，包括二维周期物、位移台、涡旋光束模块和成像模块；二维周期物具有C₄对称性和手性结构，二维周期物用于将高斯涡旋光束的拓扑荷转化为亮点或圆环的阵列，以产生亮通道阵列或暗通道阵列；位移台配置为与二维周期物固定；涡旋光束模块用于为二维周期物提供特定拓扑荷和涡旋半径的高斯涡旋光束；成像模块用于观察二维周期物在高斯涡旋光束中的近轴衍射；该基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置使用新的Talbot阵列照明器机制，基于C₄对称性和手性结构的二维周期物在高斯涡旋光的衍射产生两种照明器模式，并能灵活地相互切换两种模式。

Description

基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置

技术领域

本发明涉及阵列照明器技术领域，具体涉及一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置。

背景技术

基于手性结构的Talbot阵列照明器最突出的优点是提供拓扑荷这一可调控的自由度，包括了高斯涡旋光的拓扑荷、二维周期物的手性。可调制的物理量增加，在已应用的领域迸发更多的可能。在解密功能上，增加解密的安全性，增加四个需要解码的物理量：高斯涡旋光的拓扑荷和涡旋半径、二维周期物的手性和单元结构的旋转对称性的阶数。此外，在颗粒操控功能上，基于手性结构的Talbot阵列照明器产生具有相位梯度的圆环阵列，对颗粒提供光力，有可能成为颗粒操控的平台。不仅如此，它还提供新的功能：高斯涡旋光的拓扑检测功能和通讯功能，两种模式阵列可以视为1和0信号，在单元中心接收光信号，既可反推高斯涡旋光的拓扑荷，又可实现基于高斯涡旋光拓扑荷的光通讯。

基于手性结构的Talbot阵列照明器优点是明显的，但是局限性也是不可忽视的。基于手性的Talbot阵列照明器在近轴范围内产生，阵列面积有限，亮点的个数有限。在实际使用时，需要调制高斯涡旋光半径w以达到合适的阵列范围。

发明内容

本发明提供一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置，使用新的Talbot阵列照明器机制，基于C₄对称性和手性结构的二维周期物在高斯涡旋光的衍射产生两种照明器模式，并能灵活地相互切换两种模式，具有灵活多样和操作简单的优点。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

第一方面，提供一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置，包括二维周期物、位移台、涡旋光束模块和成像模块。

所述二维周期物具有C₄对称性和手性结构，所述二维周期物用于将高斯涡旋光束的拓扑荷转化为亮点或圆环的阵列，以产生亮通道阵列或暗通道阵列。

所述位移台配置为与所述二维周期物固定，所述位移台用于调节衍射距离。

所述涡旋光束模块用于为所述二维周期物提供特定拓扑荷和涡旋半径的高斯涡旋光束。

所述成像模块用于观察所述二维周期物在高斯涡旋光束中的近轴衍射。

本公开至少一实施例提供的基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置中，所述高斯涡旋光束的涡旋半径为284μm，所述高斯涡旋光束波长为1.064μm。

本公开至少一实施例提供的基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置中，所述涡旋光束模块包含有：激光出射组件、扩束组件、空间光调制器、聚焦组件和反射组件。

所述激光出射组件用于提供高斯光束。

所述空间光调制器用于将所述激光出射组件出射的高斯光束整形为拓扑荷可调的高斯涡旋光束。

所述聚焦组件用于调节高斯涡旋光的涡旋半径。

所述反射组件用于调节高斯涡旋光束的照射角度，以使高斯涡旋光束垂直照射所述二维周期物的下表面。

所述空间光调制器还用于改变所述矩高斯涡旋光的拓扑荷的符号和大小。

本公开至少一实施例提供的基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置中，所述C₄对称性和手性结构为卐字型结构。

本公开至少一实施例提供的基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置中，所述卐字型结构呈矩形阵列地分布在所述二维周期物上。

本公开至少一实施例提供的基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置中，所述聚焦组件为凸透镜。

本公开至少一实施例提供的基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置中，所述成像模块包含有显微成像系统和照相机。

本公开至少一实施例提供的基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置中，所述位移台配置为可带动所述所述二维周期物上下移动，以实现衍射距离的调整。

第二方面，提供一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生方法，它是手性结构的二维周期物在高斯涡旋光中的衍射，可以将高斯涡旋光的拓扑荷转化为亮点或圆环的阵列，具有由高斯涡旋光拓扑荷控制的两种照明模式的Talbot阵列照明器，包括以下步骤：

1、设计二维周期物：二维周期物的单元是具有C₄对称性和手性，具体为字型结构。/>字的朝向代表了二维周期物的手性，当/>字逆时针朝向时，记为m＝+4，反之，顺时针朝向时，记为m＝-4。/>字型结构之间以二维正交周期性排布的二维周期物，周期为T。优选的，占空比/>

2、产生亮通道阵列的Talbot阵列照明器：二维周期物在拓扑荷为l＝±4高斯涡旋光中衍射，在衍射距离z₁的近轴衍射是亮点阵列，也就是产生亮通道阵列的Talbot照明器。具体地，将二维周期物放置在位移台，二维周期物后表面记为z＝0。涡旋光产生模块产生波长为λ，涡旋半径为w，拓扑荷为l＝+4的高斯涡旋光垂直照射二维周期物。当字与高斯涡旋光的手性相同时，m和l同号，记为s＝1，反之，则s＝-1。移动位移台直至z₁＝1.5z_t+s·z_set，通过成像模块观察到近轴光场为亮点阵列，即亮通道阵列，其中/>是泰伯距离，z_set是常数由单元结构决定。

3、产生暗通道阵列的Talbot阵列照明器：二维周期物在拓扑荷为l＝±1高斯涡旋光中衍射，在衍射距离z₂＝3z_t的近轴衍射是涡旋阵列，也就是产生暗通道阵列的Talbot照明器。具体地，通过涡旋光产生模块改变高斯涡旋光的拓扑荷为l＝+1，涡旋半径不变，然后，调节位移台至2₂＝3z_t，通过成像模块观察到近轴光场为圆环阵列，即暗通道阵列。

其中，字型结构的线条宽度为a，总长度和总宽度均为b，b＝5a。

字型结构的线宽a＝1.5μm，总宽为b＝5a＝7.5μm，z_set＝0.03z_t。优选的，周期为T＝25μm。

z₁＝1.5z_t±s·z_set，由三个参数决定，较小的半整数倍、代表二维周期物和高斯涡旋光的手性是否相同的参量s和z_set。较小的半整数倍通常是1.5，在某些案例中，也包含1倍、2倍等其他数字较小的整数倍泰伯距离附近。当l＝m，s＝1时，在z＝(1.5+z_set)z_t是亮通道阵列，相反地，当l＝-m，s＝-1时，则在z₁＝(1.5-z_set)z_t是亮通道阵列。

高斯涡旋光的拓扑荷l＝±m或者l＝1高斯涡旋光，涡旋半径可以相同，也可以不相同，为了调节方便，优选的w范围在4T到12T之间。

在成像阵列的单元中心的光强变化明显，若在中心位置采集光子信息，就可以得到强信号和弱信号，可以视为亮通道和暗通道，记为1和0，也就是亮和暗照明模式。

本发明的有益效果为：

本发明使用新的Talbot阵列照明器的原理机制，由手性和拓扑荷产生两种光学阵列，并且可以由高斯涡旋光的拓扑荷切换光点阵列，具有成本低和可调控的自由度更高的优点。

基于手性二维周期物在高斯涡旋光的衍射产生两种照明器模式，并能灵活地相互切换两种模式，具有灵活多样和操作简单的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置的结构示意图。

图2为二维周期物的示意图。

图3为卐字型结构的示意图。

图4为亮点阵列模式的模拟图(a)和影像图(b)。

图5为圆环阵列模式的模拟图(a)和影像图(b)。

图中：

10、二维周期物；11、C₄对称性和手性结构；

20、位移台；

31、激光出射组件；32、扩束组件；33、空间光调制器；34、聚焦组件；35、反射组件；

40、成像模块。

具体实施方式

下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，Talbot阵列照明器亮通道阵列的衍射距离在1.5倍泰伯距离附近的含义是通常在较小的整数倍数泰伯距离有较好的表现。本发明可能有1倍、2倍等泰伯距离的情况，如果方法一致，也应该包含在本发明中。

需要说明的是，Talbot阵列照明器暗通道阵列的衍射距离在较远整数倍泰伯距离的含义是通常在较大的整数倍数泰伯距离有较好的表现。本发明可能有3倍、4倍等泰伯距离的情况，如果方法一致，也应该包含在本发明中。

本实施例提供的一种Talbot阵列照明器的产生方法，这是基于带有手性和拓扑荷的二维周期物在高斯涡旋光中的近场衍射的方法，依次包括以下步骤：

设计二维周期物：二维周期物由C₄对称性和手性结构构成二维正交二维周期物。具体为字型结构，/>字型结构是具有C₄对称性和手性的结构，记为m＝±4。/>字线宽均为a，长和宽均为5a。/>字的朝向代表了二维周期物的手性，当/>字逆时针朝向时，记为m＝+4，如图2和3所示；反之，顺时针朝向时，记为m＝-4，例如它的镜像。/>字型结构以二维正交周期性排布的二维周期物，周期为T。占空比/>由于/>字型结构完全由长方形构成，对制作工艺的分辨率要求较低，制作上易实现。

Talbot效应是二维周期物在平面波的近场衍射中的周期性的自成像现象，相邻自成像的距离为泰伯距离Talbot阵列照明器的亮通道模式的衍射距离在1倍或2倍泰伯距离附近，暗通道模式在3z_t。周期的设置应该与衍射距离相匹配。在本实施例中，周期为T＝25μm。

具体地，二维周期物在拓扑荷为l＝4高斯涡旋光中衍射，产生光点阵列：字型结构组成的二维周期物由波长为λ，涡旋半径为w，拓扑荷为l＝±4的高斯涡旋光垂直照射。轴上的近场衍射中z₁＝1.5z_t+s·z_set出现一段聚焦亮通道阵列，z_set是衍射距离与泰伯距离的偏离量，是由单元决定的常数，通常z_set≤0.05z_t；s由/>字的手性和高斯涡旋光的手性是否相同决定。

具体地，二维周期物在拓扑荷为l＝1高斯涡旋光中衍射，产生圆环阵列：在相同的二维周期物，和相同波长与涡旋半径的高斯涡旋光下，二维周期物由拓扑荷为l＝1的高斯涡旋光垂直照射，在较远整数倍泰伯距离的近轴衍射中出现圆环阵列。

作为一种可行的实施方式，它的原理是：泰伯效应将二维周期物的手性和m重旋转对称性以光的形式传递到近场衍射，近似为涡旋阵列，拓扑荷为l_m＝±m。高斯涡旋光的拓扑荷l与l_m耦合，当总拓扑荷l_m+l＝0时，也就是亮点，当l_m+l≠0，拓扑荷不为零，形成涡旋阵列。在近场衍射中最明显的位置是接近物体表面和距离自成像z_set的位置，因为，此处干涉尚不明显，小孔衍射较为明显，更好地传递二维周期物的信息。二维周期物的手性和衍射位置决定拓扑荷l_m的符号，在z₁＝1.5z_t-z_set，l_m与二维周期物的手性相同，相反地，在z＝1.5z_t+z_set，l_m与二维周期物的手性相反。因此，当高斯涡旋光拓扑荷l＝s·m时，在z＝1.5z_t+s·z_set产生亮通道阵列，当|l|≠m时产生暗通道阵列，l取奇数，优选的l＝1。

两种照明模式的切换需要调整两个物理量：高斯涡旋光的拓扑荷和衍射距离。

如图2和3所示，在本实施例中，二维周期物是周期为T＝25μm，由宽度为a＝1.5μm，总宽度为5a＝7.5μm，的字以二维正交结构周期性排列的二元振幅型衍射元件。

二维周期物在w＝284μm，l＝4的高斯涡旋光中，在z₁＝1.512z_t近轴出现以周期为T的亮通道阵列，在l＝1的高斯涡旋光中，在z₂＝3z_t是暗通道阵列。

为实现二维周期物在高斯涡旋光中的衍射，在设计和制备二维周期物的基础之上，需要产生特定拓扑荷和特定的涡旋半径高斯涡旋光束，并让光束垂直照射二维周期物，使得光束的拓扑荷与二维周期物的拓扑荷耦合，最后将在特定的衍射距离z处产生特定的光点阵列，因此，本发明实施例还提供一种基于手性的Talbot阵列照明器的装置。

如图1至3所示，一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置，包括二维周期物10、位移台20、涡旋光束模块和成像模块40。

进一步的，二维周期物10具有C₄对称性和手性结构11，二维周期物10用于将高斯涡旋光束的拓扑荷转化为亮点或圆环的阵列，从而产生亮通道阵列或暗通道阵列。

具体地，C₄对称性和手性结构11为字型结构。/>字型结构呈矩形阵列地分布在二维周期物10上。

进一步的，位移台20配置为与二维周期物10固定，位移台20用于调节衍射距离。

进一步的，涡旋光束模块用于为二维周期物10提供特定拓扑荷和涡旋半径的高斯涡旋光束。

进一步的，成像模块40用于观察二维周期物10在高斯涡旋光束中的近轴衍射。

在本实施例中，高斯涡旋光束的涡旋半径为284μm，高斯涡旋光束波长为1.064μm。

在本实施例中，涡旋光束模块包含有激光出射组件31、扩束组件32、空间光调制器33、聚焦组件34和反射组件35。

进一步的，激光出射组件31用于提供高斯光束。

进一步的，空间光调制器33用于将激光出射组件31出射的高斯光束整形为拓扑荷可调的高斯涡旋光束。

进一步的，聚焦组件34用于调节高斯涡旋光的涡旋半径。

进一步的，反射组件35用于调节高斯涡旋光束的照射角度，以使高斯涡旋光束垂直照射二维周期物10的下表面。

进一步的，空间光调制器33还用于改变矩高斯涡旋光的拓扑荷的符号和大小。

在本实施例中，涡旋光束的涡旋半径w最佳范围是[4T,12T]，聚焦组件34为凸透镜，通过聚焦实现极大地减小涡旋半径w。

在本实施例中，成像模块40包含有显微成像系统和照相机。

进一步的，位移台20为显微成像系统中的置物台，激光从显微成像系统下方竖直向上照射二维周期物10，二维周期物10通过置物台上下移动实现衍射距离的调整。

具体地，成像模块40用于观察Talbot阵列照明器的形成和拍摄光场，由×40物镜(型号：MRL00402,数值孔径NA＝0.65)和电荷耦合照相机(CCD型号D-Ri2,像素大小7.33μm)构成。在观察Talbot阵列照明器时，一边调节位移台的位置，一边通过成像模块观察周期物在涡旋光中的近轴衍射判断Talbot阵列照明器形成的位置；在切换照明器的模式时，通过成像模块观察亮通道和暗通道阵列间的切换。

为了清晰表达各方向，本实施例使用如图1所示的三维坐标系进行描述：x轴、y轴和z轴两两垂直，其中，x轴与y轴构成的平面平行于二维周期物10的表面，激光出射组件31到空间光调制器33的光路平行于二维周期物10的表面，空间光调制器33到反射组件35的光路平行于二维周期物10的表面，反射组件35到成像模块8的光路平行于z轴，位移台20的移动方向也平行于z轴，衍射距离的正方向为z轴的正方向。

在使用时，激光出射组件31出射高斯光束，高斯光束经过扩束组件32和空间光调制器33后被调制为高斯涡旋光，产生的涡旋光经过聚焦组件34和反射组件35聚焦于位移台20上。二维周期物10放置在位移台20上，在二维周期物10的下表面可以被高斯涡旋光垂直照射。调节位移台20的位置，使得成像模块40观察到Talbot阵列照明器。通过空间光调制器33可以改变涡旋光拓扑荷的符号，在成像模块40观察Talbot阵列照明器的模式切换。

如图4和5所示，本实施例还提供的一种Talbot阵列照明器的产生方法，这是基于带有手性和拓扑荷的二维周期物在涡旋光中的近场衍射的方法，依次包括以下步骤：

S1：设计和制备二维周期物：设计具有C₄对称性的手性结构，形似“”字，万字线宽均为a，长和宽均为5a，万字的朝向为逆时针朝向。万字以二维正交周期性排布的周期物，周期为T。优选的，占空比/>依靠光刻、电子刻蚀等技术制作振幅型二维周期物。

S2：二维周期物在拓扑荷为l＝4涡旋光中衍射，产生光点阵列：二维周期物放置在位移台20，激光出射组件31产生波长为λ＝1.064μm，拓扑荷为l＝4的涡旋光，通过聚焦组件34调节涡旋光的涡旋半径w＝284μm。二维周期物后表面记为z＝0。移动位移台至z₁＝1.512z_t，通过成像模块观察到近轴出现以周期为T的光点阵列，实现了亮通道阵列的Talbot阵列照明器。

S3：周期物在拓扑荷为l＝1涡旋光中衍射，产生圆环阵列：通过空间光调制器33改变涡旋光的拓扑荷l＝1，二维周期物和涡旋光的波长、涡旋半径不变，移动位移台至2₂＝3z_t，通过成像模块40观察到周期为T的圆环阵列，也就实现了暗通道阵列的Talbot阵列照明器。

本实施例的步骤S2前可以先完成测量泰伯距离的预实验，具体为：首先放置周期物，打开激光出射组件31，激光通过扩束后产生平面波，在这里不打开空间光调制器33，使得平面波垂直照射二维周期物，然后，通过成像模块40观察平面波下周期物的近场衍射，上下移动位移台20，寻找周期物的后表面记为z＝0，之后，向下移动位移台20，直到观察到周期物平移半周期的自成像，此时记录移动距离为0.5z_t，之后继续向下移动位移台20，直到观察到周期物的自成像，此时记录移动距离为1z_t，然后重复多次实验，最后计算测量的泰伯距离z_t的平均值。然后打开空间光调制器33，基于预实验测得的泰伯距离移动位移台，完成步骤S3和S4。

通过近场衍射理论模拟光场保证了Talbot阵列照明器的可行性。基于菲涅尔近场衍射理论，模拟图2所示的二维周期物在波长为λ＝1.064μm，涡旋半径为w＝284μm，拓扑荷为l＝4的高斯涡旋光下在z₁＝1.512z_t近轴光场是亮点阵列，如图4(a)所示，在l＝1的高斯涡旋光下在z₂＝3z_t近轴光场是拓扑荷为1的涡旋阵列，如图5(c)。证实了基于手性结构的Talbot阵列照明器可以通过改变涡旋光的拓扑荷，并适当调节衍射距离，实现两种模式的阵列。

对上述基于手性的Talbot阵列照明器产生方法进行可行性验证：在制备周期物后，如图2所示的二维周期物放置在位移台，缓慢调节激光出射组件2的输出功率为730mW，空间光调制器对激光整形为拓扑和为l＝4的高斯涡旋光，涡旋光束经过聚焦组件照射到周期物时的涡旋半径为w＝284μm；上下调节位移台至z₁＝1.512z_t，通过成像模块观察到亮点阵列，形如图4(b)所示。然后，通过空间光调制器改变涡旋光的拓扑荷为l＝1，涡旋半径不变，上下调节位移台至z₂＝3z_t，观察到圆环阵列，如图5(d)所示。自此，实现了Talbot阵列照明器的两种照明模式：亮点阵列和圆环阵列，并能轻松地进行模式切换。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。

Claims (8)

1.一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置，其特征在于，包括：

具有C₄对称性和手性结构的二维周期物，用于将高斯涡旋光束的拓扑荷转化为亮点或圆环的阵列，以产生亮通道阵列或暗通道阵列；

位移台，配置为与所述二维周期物固定，所述位移台用于调节衍射距离；

涡旋光束模块，用于为所述二维周期物提供特定拓扑荷和涡旋半径的高斯涡旋光束；以及

成像模块，用于观察所述二维周期物在高斯涡旋光束中的近轴衍射。

2.根据权利要求1所述的一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置，其特征在于，所述高斯涡旋光束的涡旋半径为284μm，所述高斯涡旋光束波长为1.064μm。

3.根据权利要求2所述的一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置，其特征在于，所述涡旋光束模块包含有：

激光出射组件，用于提供高斯光束；

扩束组件；

空间光调制器，用于将所述激光出射组件出射的高斯光束整形为拓扑荷可调的高斯涡旋光束；

聚焦组件，用于调节高斯涡旋光的涡旋半径；以及

反射组件，用于调节高斯涡旋光束的照射角度，以使高斯涡旋光束垂直照射所述二维周期物的下表面；

其中，所述空间光调制器还用于改变所述矩高斯涡旋光的拓扑荷的符号和大小。

4.根据权利要求1所述的一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置，其特征在于，所述C₄对称性和手性结构为卐字型结构。

5.根据权利要求4所述的一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置，其特征在于，所述卐字型结构呈矩形阵列地分布在所述二维周期物上。

6.根据权利要求3所述的一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置，其特征在于，所述聚焦组件为凸透镜。

7.根据权利要求1所述的一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置，其特征在于，所述成像模块包含有显微成像系统和照相机。

8.根据权利要求7所述的一种基于手性结构的Talbot阵列照明器产生装置，其特征在于，所述位移台配置为可带动所述所述二维周期物上下移动，以实现衍射距离的调整。