單軸對稱微螺旋錐器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)和光電技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及微光電器件、微米尺度聚焦和矢量場，特別 是一種能夠產(chǎn)生偏離中屯、位置并具有滿旋效應(yīng)的單軸對稱微聚焦光場的單軸對稱微螺旋 錐器件。
【背景技術(shù)】
[0002] 產(chǎn)生微聚焦的滿旋光束，對于微光學(xué)整形、微粒子篩選和操縱都至關(guān)重要。單獨(dú) 的介質(zhì)錐形結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的聚焦效果，但是聚焦光場不具有滿旋效應(yīng)。單個(gè)微螺旋結(jié) 構(gòu)能夠使光場具有滿旋效應(yīng)，但是產(chǎn)生的光場并不聚焦。目前已經(jīng)發(fā)明的介質(zhì)錐結(jié)構(gòu)與單 個(gè)微螺旋結(jié)構(gòu)復(fù)合構(gòu)成的介質(zhì)微螺旋錐結(jié)構(gòu)能夠使聚焦場偏離中屯、位置，但是聚焦效果不 良，強(qiáng)度最大值為11. 6126a.U.。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的是為產(chǎn)生具有較高強(qiáng)度且具有滿旋效應(yīng)的微聚焦光場，提供一種由介 質(zhì)錐形結(jié)構(gòu)和單軸對稱微螺旋結(jié)構(gòu)復(fù)合構(gòu)成的單軸對稱微螺旋錐器件。
[0004] 本發(fā)明單軸對稱微螺旋錐結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生偏離中屯、位置且強(qiáng)度較強(qiáng)的單軸對稱微 聚焦光場，強(qiáng)度最大值為25. 1591a.U.，是相同參數(shù)情況下介質(zhì)微螺旋錐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最大值 的兩倍多。
[0005] 本發(fā)明提供能夠產(chǎn)生較高強(qiáng)度且具有滿旋效應(yīng)的單軸對稱微聚焦光場的單軸對 稱微螺旋錐器件，由介質(zhì)錐形結(jié)構(gòu)和單軸對稱微螺旋結(jié)構(gòu)復(fù)合構(gòu)成，該器件在柱狀坐標(biāo)系 下的結(jié)構(gòu)方程Wa巧為：
其中：油堤入射光波長，菊是介質(zhì)材料折射率，激和海是柱狀坐標(biāo)系下的半徑和角度， 激是底面半徑；心;和汲的大小在微米量級，:鋪is:在數(shù)微米量級。
[0006] 所述的單軸對稱微螺旋錐器件，結(jié)合了介質(zhì)錐形結(jié)構(gòu)和單軸對稱微螺旋結(jié)構(gòu)的優(yōu) 勢。當(dāng)入射光垂直入射單軸對稱微螺旋錐器件底面并通過該器件之后，經(jīng)過單軸對稱微螺 旋錐結(jié)構(gòu)中介質(zhì)錐形結(jié)構(gòu)的聚焦作用和單軸對稱微螺旋結(jié)構(gòu)的對稱旋轉(zhuǎn)作用，在單軸對稱 微螺旋錐結(jié)構(gòu)前端偏離中屯、位置處形成單軸對稱且具有滿旋效應(yīng)的微聚焦光場。
[0007] 通過改變?nèi)肷涔馄駪B(tài)能夠得到不同性質(zhì)的微聚焦光場，徑向偏振光入射能夠得 到縱向場分量占總場50%W上的微聚焦光場，圓偏振光和線偏振光入射能夠得到總場強(qiáng)度 達(dá)到25a.U.W上的微聚焦場，且不同的偏振光入射能夠得到具有不同滿旋效應(yīng)的光場來 實(shí)現(xiàn)對微聚焦場的調(diào)控。
[0008] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果： 本發(fā)明提供的單軸對稱微螺旋錐器件，當(dāng)入射光垂直入射器件底面并通過該器件時(shí)， 經(jīng)過單軸對稱微螺旋錐結(jié)構(gòu)中介質(zhì)錐形結(jié)構(gòu)的聚焦作用和單軸對稱微螺旋結(jié)構(gòu)的對稱旋 轉(zhuǎn)作用，在單軸對稱微螺旋錐結(jié)構(gòu)前端偏離中屯、位置處形成單軸對稱且具有滿旋效應(yīng)的微 聚焦光場。該聚焦光場不僅具有較大的聚焦強(qiáng)度，而且光束具有滿旋特性，有利于實(shí)現(xiàn)微粒 子操縱和篩選。
[0009]
【附圖說明】
[0010] 圖1是介質(zhì)錐形結(jié)構(gòu)和單軸對稱微螺旋結(jié)構(gòu)復(fù)合構(gòu)成的能夠產(chǎn)生具有滿旋效應(yīng) 光場的單軸對稱微螺旋錐器件。其中：（a)是單軸對稱微螺旋錐器件的主剖視圖；化）是 單軸對稱微螺旋錐器件的右剖視圖；（C)是單軸對稱微螺旋錐器件的俯視圖。
[0011] 圖2是介質(zhì)錐形結(jié)構(gòu)和單軸對稱微螺旋復(fù)合構(gòu)成的單軸對稱微螺旋錐器件的模 擬計(jì)算結(jié)果，即由時(shí)域有限差分方法（抑TD)計(jì)算的線偏振光入射單軸對稱微螺旋錐器件 時(shí)電場的分布情況。其中：（a)電場近在T=〇處^平面上的強(qiáng)度分布圖；化）電場邁在 蟲HO處榮平面上的強(qiáng)度分布圖；（C)電場嚴(yán)在焦點(diǎn)z=U卻W處鄉(xiāng)平面上的強(qiáng)度分布圖。 [001引圖3是線振偏光垂直入射單軸對稱微螺旋錐結(jié)構(gòu)時(shí)在焦點(diǎn)z= 11S戸處幫'平面 上：（a)么強(qiáng)度分布；（b)馬強(qiáng)度分布；（C)坡印廷矢量分量而分布，白色箭頭表示矢量 心的方向。
[0013]
【具體實(shí)施方式】
[0014] 實(shí)施例1 如圖1所示，本發(fā)明提供滿旋光束的單軸對稱微螺旋錐器件由介質(zhì)錐形結(jié)構(gòu)和單軸對 稱微螺旋結(jié)構(gòu)復(fù)合構(gòu)成，其在柱狀坐標(biāo)系的結(jié)構(gòu)方程郵A巧為：
其中：；i是入射光波長，:紫是介質(zhì)材料折射率，媒和敦是柱狀坐標(biāo)系下的半徑和角度， 盛是底面半徑；％曰和^的大小在微米量級，;自挪在數(shù)微米量級。
[0015] 本發(fā)明中單軸對稱微螺旋錐器件的制作可采用光刻工藝和干法刻蝕技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。 其具體步驟如下： (1) 利用激光直寫/電子束直寫方法在光敏介質(zhì)上曝光，并通過顯影制作單軸對 稱微螺旋錐器件。
[0016] (2)利用反應(yīng)離子刻蝕/電感禪合等離子體刻蝕技術(shù)將單軸對稱微螺旋錐器件轉(zhuǎn) 移到光學(xué)玻璃上。
[0017] 具體應(yīng)用實(shí)例1 單軸對稱微螺旋錐器件的具體參數(shù)W如下為例： 材料為玻璃，入射波長= 50CIMW，此時(shí)其折射率W苗策，那么單軸對稱微螺旋錐器 件的高度最大值即為2如(《-巧=2片在時(shí)域有限差分計(jì)算方法（抑TD)中，取半徑 講4,W入射光為線偏振光為例進(jìn)行模擬計(jì)算分析，線偏振光取偏振方向沿Z正方向。
[0018] 圖2是由FDTD計(jì)算的線偏振光垂直入射單軸對稱微螺旋錐器件時(shí)的場分布。單 軸對稱微螺旋錐器件對線偏振光聚焦，焦點(diǎn)位置偏離中屯、，且沿彎曲軌道向前傳播，其電場 的最大強(qiáng)度j.霉巧25. 1591a.U.，圖2中（a)是電場在日處齡平面上的強(qiáng)度分布圖； 化）是電場嚴(yán)在弟kU處無平面上的強(qiáng)度分布圖；（C)是電場盈巧焦點(diǎn)慕;Mi麵熱處繳平面 上的強(qiáng)度分布圖，:盛在賠面上的分量很小且對稱分布，盛在舉面上的分量較大且沿彎曲 軌道向前傳播，笠在纖面上偏離中必位置處聚焦。
[0019] 圖3是線偏振光垂直入射單軸對稱微螺旋錐器件時(shí)在焦點(diǎn)榮輯帛處帶平面 上：（a)是鳥強(qiáng)度分布；（b)是毎強(qiáng)度分布，能量主要集中在縱平面上，而鳥占的比例相 對很小，當(dāng)入射光是徑向偏振光時(shí)，鳥占總場的比例會(huì)達(dá)到50%W上；（C)是坡印廷矢量分 量分布，白色箭頭表示矢量的方向，能量流向下方、左下方和右下方，可W看出光場 具有滿旋效應(yīng)，運(yùn)樣就能夠?qū)ξ⒘Ｗ舆M(jìn)行操縱和篩選。
[0020] 當(dāng)入射光垂直入射單軸對稱微螺旋錐器件底面并通過該器件之后，經(jīng)過單軸對稱 微螺旋錐結(jié)構(gòu)中介質(zhì)錐形結(jié)構(gòu)的聚焦作用和單軸對稱微螺旋結(jié)構(gòu)的對稱旋轉(zhuǎn)作用，在單軸 對稱微螺旋錐結(jié)構(gòu)前端偏離中屯、位置處形成單軸對稱且具有滿旋效應(yīng)的微聚焦光場。單軸 對稱微螺旋錐結(jié)構(gòu)里面的錐形結(jié)構(gòu)，可W得到強(qiáng)度相對較強(qiáng)的微聚焦場；單軸對稱微螺旋 錐結(jié)構(gòu)里面的單軸對稱微螺旋結(jié)構(gòu)使微聚焦場中屯、偏離中屯、位置且具有滿旋效應(yīng)，且不同 偏振態(tài)的入射光能夠得到具有不同滿旋效應(yīng)的光場，從而實(shí)現(xiàn)對微聚焦場的調(diào)控。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于微光學(xué)整形，能夠產(chǎn)生微聚焦渦旋光束的單軸對稱微螺旋錐器件，其特征 在于該單軸對稱微螺旋錐器件由介質(zhì)錐形結(jié)構(gòu)和單軸對稱微螺旋結(jié)構(gòu)復(fù)合構(gòu)成，該器件在 柱狀坐標(biāo)系下的結(jié)構(gòu)方程Ma巧為：其中：2是入射光波長，_是介質(zhì)材料折射率，：於和浪是柱狀坐標(biāo)系下的半徑和角度， 是底面半徑；和泰的大小在微米量級，在數(shù)微米量級； 當(dāng)入射光垂直入射單軸對稱微螺旋錐器件底面并通過該器件之后，由于介質(zhì)錐形結(jié)構(gòu) 的聚焦作用和單軸對稱微螺旋結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對稱特性，在單軸對稱微螺旋錐結(jié)構(gòu)前端偏離中 心位置處形成單軸對稱的微聚焦光場。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單軸對稱微螺旋錐器件，其特征在于在介質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)參數(shù) 確定的條件下，當(dāng)入射光垂直入射單軸對稱微螺旋錐器件底面并通過該器件之后，在單軸 對稱微螺旋錐結(jié)構(gòu)前端產(chǎn)生偏離中心位置的微聚焦光場具有渦旋效應(yīng)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單軸對稱微螺旋錐器件，其特征在于通過改變?nèi)肷涔馄?振態(tài)能夠得到不同性質(zhì)的微聚焦光場，徑向偏振光入射能夠得到縱向場分量占總場50%以 上的微聚焦光場，圓偏振光和線偏振光入射能夠得到總場強(qiáng)度達(dá)到25a. u.以上的微聚焦 光場，且不同的偏振光入射能夠得到具有不同渦旋效應(yīng)的光場來實(shí)現(xiàn)對微聚焦場的調(diào)控。
【專利摘要】一種用于微光學(xué)整形，能夠產(chǎn)生微聚焦渦旋光束的單軸對稱微螺旋錐器件。該單軸對稱微螺旋錐器件由介質(zhì)錐形結(jié)構(gòu)和單軸對稱微螺旋結(jié)構(gòu)復(fù)合構(gòu)成，當(dāng)入射光垂直入射單軸對稱微螺旋錐器件底面并通過該器件之后，光場沿著彎曲軌道向前傳播并在偏離中心位置的焦點(diǎn)處形成單軸對稱的微聚焦光場。本發(fā)明可在微光學(xué)整形，微粒子操控，微粒子篩選，微傳感等諸多領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。
【IPC分類】G02B27/09
【公開號】CN105182544
【申請?zhí)枴緾N201510524567
【發(fā)明人】匡登峰, 曹燕燕, 張德倫
【申請人】南開大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年8月25日