本發(fā)明涉及圓環(huán)達曼光柵，特別是一種可產(chǎn)生暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵。

背景技術(shù)：

圓環(huán)達曼光柵最早是zhou等人[opt.lett.28,2174(2003)]于2003年首次提出，隨后經(jīng)過zhao、wen等人[opt.lett.31,2387(2006)，j.opt.a10,075306(2008)]的進一步發(fā)展。圓環(huán)達曼光柵已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光學(xué)測量與檢測、光學(xué)圖像編碼、結(jié)構(gòu)光泵浦激光器等方面。傳統(tǒng)圓環(huán)達曼光柵一般產(chǎn)生多個等強度亮環(huán)，即每個級次對應(yīng)的圓環(huán)都是一個亮環(huán)伴有較弱的旁瓣。

本發(fā)明提出一種可以產(chǎn)生暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵，即每個級次產(chǎn)生的圓環(huán)是一個環(huán)的中心區(qū)域為暗場的暗環(huán)。這種可產(chǎn)生強度分布為暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵可應(yīng)用于光學(xué)操控，尤其是用于捕獲粒子所處的環(huán)境折射率大于粒子自身折射率情況。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種可以產(chǎn)生強度分布為暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵，可以在其傅立葉變換面上產(chǎn)生強度分布為暗環(huán)的環(huán)形光斑，因而在光學(xué)操控方面具有重要的應(yīng)用價值，尤其是用于粒子所處的環(huán)境折射率大于粒子自身折射率情況下的粒子捕獲。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種可產(chǎn)生暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵，其特點在于該圓環(huán)達曼光柵為透射式面浮雕型圓環(huán)達曼光柵，以熔石英為基底材料，通過光刻和干法刻蝕工藝在熔石英基底上直接刻蝕出二值面浮雕型同心環(huán)區(qū)微結(jié)構(gòu)，其相鄰環(huán)區(qū)的臺階深度差滿足公式：

其中，λ為對應(yīng)的工作波長；n為基底材料對應(yīng)工作波長的折射率。

一種可產(chǎn)生暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵，其特點在于該圓環(huán)達曼光柵為反射式面浮雕型圓環(huán)達曼光柵，以熔石英為基底材料，通過光刻和干法刻蝕工藝在熔石英基底上直接刻蝕出二值面浮雕型同心環(huán)區(qū)微結(jié)構(gòu)，其相鄰環(huán)區(qū)的臺階深度差滿足公式：

其中，λ為對應(yīng)的工作波長；在所得到的二值面浮雕同心環(huán)區(qū)微結(jié)構(gòu)表面再鍍有一層金膜反射層。

該圓環(huán)達曼光柵形成的相位延遲分布按照同心環(huán)區(qū)從圓心由內(nèi)到外不同環(huán)區(qū)依次為0、π交替相位延遲；所述的圓環(huán)達曼光柵沿徑向坐標(biāo)具有周期性，且每個周期內(nèi)的歸一化相位突變點即歸一化相位轉(zhuǎn)折點滿足關(guān)系：后半周期歸一化相位轉(zhuǎn)折點由前半周期歸一化相位轉(zhuǎn)折點加上0.5得到，即一個周期內(nèi)所有的歸一化相位轉(zhuǎn)折點可以表示為{rm,0.5,rm+0.5}，其中rm為前半周期的歸一化相位轉(zhuǎn)折點，m為正整數(shù)。

所述的圓環(huán)達曼光柵的前半周期歸一化相位轉(zhuǎn)折點依次為{0.0118,0.1371}；對應(yīng)的一個周期內(nèi)的所有相位轉(zhuǎn)折點依次為{0.0118,0.1371,0.5,0.5118,0.6371}。

本發(fā)明的技術(shù)效果如下：

本發(fā)明圓環(huán)達曼光柵，可以在其傅立葉變換面上產(chǎn)生強度分布為暗環(huán)的環(huán)形光斑分布。

附圖說明

圖1是本發(fā)明可產(chǎn)生暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵實施例1，一個周期內(nèi)轉(zhuǎn)折環(huán)分布示意圖。

圖2是本發(fā)明可產(chǎn)生暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵實施例2，10周期產(chǎn)生暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵的相位分布。其中，黑色表示零相位，白色表示π相位。

圖3是可產(chǎn)生暗環(huán)圓環(huán)達曼光柵的傅立葉變換面上的強度分布數(shù)值模擬結(jié)果。

圖4是可產(chǎn)生暗環(huán)圓環(huán)達曼光柵其傅立葉變換面上的強度分布實驗測量結(jié)果。

圖5是可產(chǎn)生暗環(huán)圓環(huán)達曼光柵其傅立葉變換面上的一維強度分布曲線。

具體實施方式

本發(fā)明可產(chǎn)生暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵，為透射式面浮雕型圓環(huán)達曼光柵，以熔石英為基底材料，通過光刻和干法刻蝕工藝在熔石英基底上直接刻蝕出二值面浮雕型同心環(huán)區(qū)微結(jié)構(gòu)，其相鄰環(huán)區(qū)的臺階深度差滿足公式：

其中，λ為對應(yīng)的工作波長；n為基底材料對應(yīng)工作波長的折射率。

一種可產(chǎn)生暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵，為反射式面浮雕型圓環(huán)達曼光柵，以熔石英為基底材料，通過光刻和干法刻蝕工藝在熔石英基底上直接刻蝕出二值面浮雕型同心環(huán)區(qū)微結(jié)構(gòu)，其相鄰環(huán)區(qū)的臺階深度差滿足公式：

其中，λ為對應(yīng)的工作波長；在所得到的二值面浮雕同心環(huán)區(qū)微結(jié)構(gòu)表面再鍍有一層金膜反射層。

請參閱圖1，本發(fā)明可產(chǎn)生暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵一個周期內(nèi)相位分布按照同心環(huán)區(qū)從內(nèi)到外依次為0、π交替相位分布。圖中黑色表示0相位，白色表示π相位。一個周期內(nèi)的透過率函數(shù)可以表示為：

其中，r歸一化入射光瞳平面上的徑向坐標(biāo)，{rm}為一個周期內(nèi)歸一化相位轉(zhuǎn)折點，m為歸一化相位轉(zhuǎn)折點的總數(shù)。所述的圓環(huán)達曼光柵的一個周期內(nèi)的歸一化半徑滿足：后半周期歸一化半徑由前半周期歸一化半徑加上0.5得到。

請參閱圖2，該圓環(huán)達曼光柵實施例2在徑向坐標(biāo)上具有周期性，圖2表示一個10周期的圓環(huán)達曼光柵。則在其傅立葉變換面上所產(chǎn)生暗環(huán)的半徑為：

其中，f為透鏡的焦距；λ為工作波長；λ為圓環(huán)達曼光柵徑向周期；d為圓環(huán)達曼光柵的通光孔徑；n為通光孔徑內(nèi)的周期數(shù)。

以下以工作波長633納米為例，設(shè)計一個可產(chǎn)生暗環(huán)的透射式圓環(huán)達曼光柵。所述的圓環(huán)達曼光柵一個周期內(nèi)的歸一化半徑由內(nèi)到外依次為{0.0118,0.1371,0.5,0.5118,0.6371}。所采用的透鏡的焦距為600mm，入射到圓環(huán)達曼光柵上的光斑大小約為6mm。圓環(huán)達曼光柵徑向上周期設(shè)為600微米，則一個周期內(nèi)的相位轉(zhuǎn)折點依次為7.08，82.26，300.0，307.08，382.26，600微米。其對應(yīng)的特征線寬約為7微米，這通過成熟的光刻工藝來加工完成。以熔石英為基底，其633納米對應(yīng)的折射率約為1.456，對應(yīng)的圓環(huán)達曼光柵的刻蝕深度約為d＝694納米。圖3給出了數(shù)值模擬的該圓環(huán)達曼光柵在傅立葉變換面上所產(chǎn)生暗環(huán)的強度分布。從中我們可以清楚地看出，我們得到了一個環(huán)形光斑分布，其中環(huán)的中心環(huán)區(qū)為強度為暗場的環(huán)形光斑即暗環(huán)。圖4給出了我們實驗得到的暗環(huán)光場強度分布。圖5給出了所產(chǎn)生暗環(huán)的一維強度分布的理論模擬和實驗結(jié)果對比，從中可以看到，所設(shè)計的圓環(huán)達曼光柵實現(xiàn)預(yù)期的光場分布，且所產(chǎn)生暗環(huán)的環(huán)半徑約為873微米。

以上所述可產(chǎn)生暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵僅表達了本發(fā)明的一種具體實施例，并不能因此而理解為對本發(fā)明保護范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明基本思想的前提下，還可以對本發(fā)明所提出的具體實施細節(jié)做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

綜上所述，本發(fā)明可產(chǎn)生暗環(huán)的圓環(huán)達曼光柵，可廣泛應(yīng)用于細胞和粒子的光學(xué)操控等領(lǐng)域。