一种用于产生可调谐空心光束的衍射光学器件

1.本发明涉及光场调控领域，具体涉及一种可以产生可调谐空心光束的衍射光学器件。


背景技术：

2.空心光束在纳米加工、微观成像、光刻、粒子操纵和光学扳手等领域有着广泛的应用前景。到目前为止，已经提出了几种空心光束的产生方法，包括调制偏振光束以产生长度可调的光针或空心光束；使用4π共焦系统反向传播辐射场以产生多段空心光束或创建一个规定特性的空间光管；通过相位型空间光调制器聚焦涡旋光束，产生一段强度均匀的空心光束。
3.尽管这些报道的方法产生了具有均匀光强度的空心光束，但这些空心光束的长度和半最大值全宽(fwhm)等属性仍需得到改善。长度更长，fwhm更小的空心光束在实际应用中的效果将更出色。近年来，具有亚波长结构的圆环型衍射光学器件为产生具有亚衍射特性的空心光束提供了一种新的解决方案。然而，这类的衍射光学器件可调参数往往只有环宽环距等结构参数，对于器件的相位调节较少；同时虽然这种方法能有效减小空心光束的fwhm，但目前圆环形doe产生空心光束的长度还是较短(已知最长为100λ)，且空心光束的可调性往往是有限的，其长度、尺寸、强度和旁瓣等参数不能进行灵活地调节。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种衍射光学器件，通过将复变相位与振幅式环型光栅结合，解决目前空心光束长度较短，可调性较低的问题。
5.为实现上述目的，本发明可以采取以下技术方案：
6.一种用于产生可调谐空心光束的衍射光学器件，其包括：
7.若干个周期性的同心圆环，每个所述圆环上的相位ψ呈周期性地在-π～π间跃变，其中，周期性的函数为为方位角，调控因子n用于调控所产生空心光束的光强，调控因子m用于调控所产生空心光束的旁瓣。
8.如上所述的用于产生可调谐空心光束的衍射光学器件，进一步地：若干个周期性的同心圆环的周期p为环宽w和环距d的和，其中，所述圆环上透光，而相邻两所述圆环间不透光。
9.如上所述的用于产生可调谐空心光束的衍射光学器件，进一步地：若干个周期性的同心圆环的振幅分布a(θ)为(0，1)式分布。
10.如上所述的用于产生可调谐空心光束的衍射光学器件，进一步地：所述衍射光学器件的光源的透射函数为其中θ为每个环与光轴的夹角。
11.如上所述的用于产生可调谐空心光束的衍射光学器件，进一步地：根据入射光源的波长，所述衍射光学器件的焦距和半径、调控因子m和n，利用德拜—沃尔夫衍射定律计算
焦平面复振幅分布和电场分布，根据得到的电场分布得到空心光束的半高宽函数fwhm(w,d)，将该半高宽函数作为目标函数，利用遗传算法对环宽w和环距d进行优化，设置约束条件为fwhm(w,d)《0.5λ，获得最优的环宽w和环距d。
12.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明提出了一种具有新型的复变相位的衍射光学器件，衍射光学器件通过与环形光栅相结合，为圆环型衍射光学器件(doe)引入了更多的可变量，同时也为这种衍射光学器件(doe)在光场调控中提供了更多的可能性。进一步的，本发明所提出的新型衍射光学器件(doe)所产生的空心光束最长的长度能够达到248λ(264μm)，该空心光束的长度也是目前已知最长的长度。空心光束的长度、光强、半高宽函数(fwhm)、旁瓣可以根据改变结构的周期p和两个调控因子的大小而在一定范围内进行调节。更进一步的，本发明所产生空心光束的半高宽函数(fwhm)的均匀性较高，基本保持在96％以上。基于此，这种可灵活调整的空心光束在不同领域都有潜在的应用，因为它们作为光学势阱，可以在高强度区域捕获高折射率粒子，并沿其长度限制低折射率粒子。因此，本发明所提供的doe产生的可调谐空心光束可能为实现粒子的光学微观和纳米操纵提供新的途径。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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。
14.图1为本发明实施例中具有复变相位的衍射光学器件。
15.图2为本发明实施例中当调控因子n＝3，m＝1时，doe在0～180度范围内复变相位的变化曲线。
16.图3为本发明实施例中数值模拟的当n＝3，m＝3、p＝2.6μm时的空心光束沿z轴传播的光强图。
17.图4为本发明实施例中数值模拟的当n＝3，m＝6、p＝2.6μm时的空心光束沿z轴传播的光强图。
18.图5为本发明实施例中数值模拟的当n＝3，m＝3、p＝2.6μm时的空心光束在x-y平面内z＝200.8μm处的强度分布。
19.图6为本发明实施例中数值模拟的当n＝3，m＝6、p＝2.6μm时的空心光束在x-y平面内z＝200.8μm处的强化分布。
20.图7为本发明实施例中数值模拟的当n＝1，m＝6、p＝2.6μm时的空心光束沿z轴传播的光强图。
21.图8为本发明实施例中数值模拟的空心光束的fwhm和长度随周期p变化的关系曲线。
22.图9为本发明实施例中数值模拟的不同长度的空心光束fwhm的均匀性u随p变化的关系曲线。
23.图10为本发明实施例中入射光源经衍射光学器件产生可调谐空心光束的示意图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
25.实施例：
26.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
27.需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.本发明实施例首先根据初始衍射光学器件(doe)的环数、环宽、环距和每环的相位分布，设计角向偏振光经过本发明实施例提出的衍射光学器件(doe)后在焦点的光场强度的约束优化问题，以确定最终结构参数。
29.参见图1，一种用于产生可调谐空心光束的衍射光学器件，该衍射光学器件(doe)由周期性的同心圆环组成，与现有的圆环型衍射光学器件(doe)相比，本发明实施例提出了一种沿角向的新型相位分布，每个环上的相位为相位ψ呈周期性地在-π～π间跃变，其中为方位角，n和m是两个特殊的调控因子，调控因子n用于调控所产生空心光束的光强，调控因子m用于调控所产生空心光束的旁瓣，以使该衍射光学器件(doe)经过产生的空心光束具有了可以调谐的性质。
30.由于引入m和n这两个调控因子，并采用的相位分布，本发明实施例的衍射光学器件(doe)可以对每环的相位分布进行灵活的操控。其中，当n增大时，这个函数的内插响应将会增多，一个周期内该函数在-π～π间跃变的次数将会增大；而当m增大时,在0～180度范围内，该复变函数的周期数将会增大。
31.上述实施例中，衍射光学器件的周期p为环宽w和环距d的和，即p＝w+d,，周期数(环数)设置为40，环上为透光结构，环间不透光，即结构的振幅分布a(θ)为(0，1)式分布。
32.上述实施例中，衍射光学器件(doe)的透射函数为其中
[0033][0034]
上式中，θ为透过每环得聚焦光束与光轴间的夹角，这种(0，1)式的振幅分布说明环上为透光结构，环间则不透光。
[0035]
进行模拟时，设置焦距为z，器件半径r和采样分辨率n,并取m＝n＝3，入射光源采用波长λ＝1.064μm的角向偏振光，根据已知的透射函数和结构参数，利用德拜—沃尔夫衍射定律计算焦平面复振幅分布u(x,y)，电场分布则为|u(x,y)2|。此时，当n增大时，作为累加项将导致结构的透射函数变大，最终光场的光强将会增大，n起到了调控空心光束光强的作用；当m增大时，相位变化的周期数将会增大，这种剧烈的频率变化会将旁瓣推离光场中心，m起到了调控空心光束旁瓣的作用。
[0036]
根据得到的电场分布得到空心光束的半高宽函数fwhm(w,d)，将该函数作为目标函数，利用遗传算法对w和d进行优化，转化为约束优化问题，设置约束条件为fwhm(w,d)《0.5λ。进行优化时，设置遗传算法的种群数m＝300、交叉概率为0.8、突变概率为0.4、迭代次数为500次，经过选择、交叉、变异等操作后，得到最终的最优解为w＝d＝1.3μm,半径r＝104μm，此时空心光束的长度为140λ，fwhm为0.48λ。
[0037]
如此，根据已有参数并利用遗传算法对结构环宽环距进行优化迭代，并将产生的空心光束的长度函数和半高宽函数(fwhm)作为优化目标德拜衍射理论计算目标光场，优化时调控因子m和n都取为3，最终优化得到结构参数为w＝d＝1.3μm，此时doe的周期p＝2.6μm，半径r＝104μm，空心光束的长度为140λ，fwhm为0.48λ突破了衍射极限。
[0038]
如图1所示，本发明的衍射光学器件由明暗相间的圆环组成，每个亮环上的相位沿角向呈复变函数形式分布，而两个亮环间的暗环不透光，其上相位分布均为0。
[0039]
如图2所示，环上的相位分布在0～180度范围内的变化曲线在-π～π间连续跃变，当n增大时，这个函数的内插响应将会增多，一个周期内该函数在-π～π间跃变的次数将会增大；而当m增大时在0～180度范围内，该复变函数的周期数将会增大，这种剧烈的相位变化频率起到了将旁瓣推远的作用。
[0040]
如图3、4所示，当n＝3、p＝2.6μm且m分别为3和6时，空心光束沿z轴传播时的光强图只有旁瓣部分不同，m＝3时空心光束附近的旁瓣光强较强基本与主峰强度持平，这样高强度的旁瓣将很大程度上限制空心光束在实际中的应用，所以根据上述该复变函数的特性，当我们将m的值增到到6时，空心光束中心区域的旁瓣得到了有效的抑制，该结果验证了我们的理论分析。
[0041]
从图5，图6中可以看出，m＝3时空心光束在x-y平面的光强分布与z轴方向的光强分布结果保持一致，中心区域周围有一圈呈花瓣形的高强度旁瓣，而当m＝6时，对这个高强度的旁瓣起到了很好的抑制效果。
[0042]
与图4对比，图7则显示出，m和p保持不变时，当n从1增大到3时空心光束的最大光强的值也从1增大到了4。
[0043]
如图8所示，图中黑线部分显示出，当周期p从2.2μm增到到3.1μm时，doe产生的不同的空心光束的fwhm也从0.43λ增将到了0.61λ；而红线部分则显示空心光束的长度从98λ增加到了248λ，该图则反应出了p对于空心光束fwhm和长度的调控效果。
[0044]
图9则展示了不同长度空心光束fwhm的均匀性情况，其中
[0045][0046]
当p从2.2μm增到3.1μm时，空心光束的均匀性u均保持在96％之上。
[0047]
本发明实施例提出的衍射光学器件的周期和调控因子等参数可以被调整，用以操
纵所产生的空心光束的光强、大小、长度和旁瓣。这种可灵活调整的中空光束在不同领域都有潜在的应用，因为它们作为光学势阱，可以在高强度区域捕获高折射率粒子，并沿其长度限制低折射率粒子。因此，本发明实施例所提供的衍射光学器件(doe)产生的可调谐空心光束可能为实现粒子的光学微观和纳米操纵提供新的途径。
[0048]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0049]
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种用于产生可调谐空心光束的衍射光学器件，其特征在于，包括：若干个周期性的同心圆环，每个所述圆环上的相位ψ呈周期性地在-π～π间跃变，其中，周期性的函数为周期性的函数为为方位角，调控因子n用于调控所产生空心光束的光强，调控因子m用于调控所产生空心光束的旁瓣。2.根据权利要求1所述的用于产生可调谐空心光束的衍射光学器件，其特征在于，若干个周期性的同心圆环的周期p为环宽w和环距d的和，其中，所述圆环上透光，而相邻两个所述圆环间不透光。3.根据权利要求2所述的用于产生可调谐空心光束的衍射光学器件，其特征在于，若干个周期性的同心圆环的振幅分布a(θ)为(0，1)式分布，即θ为透过每环的聚焦光束与光轴间的夹角。4.根据权利要求3所述的用于产生可调谐空心光束的衍射光学器件，其特征在于，所述衍射光学器件的光源的透射函数为其中，其中，5.根据权利要求1所述的用于产生可调谐空心光束的衍射光学器件，其特征在于，根据入射光源的波长，所述衍射光学器件的焦距和半径、调控因子m和n，利用德拜—沃尔夫衍射定律计算焦平面复振幅分布和电场分布，根据得到的电场分布得到空心光束的半高宽函数fwhm(w,d)，将该半高宽函数作为目标函数，利用遗传算法对环宽w和环距d进行优化，设置约束条件为fwhm(w,d)<0.5λ，获得最优的环宽w和环距d。

技术总结
本发明公开了一种用于产生可调谐空心光束的衍射光学器件，涉及光场调控领域，该器件由周期性的同心环组成，环上的强度是亮的，环外是暗的。每个环的相位周期性地分布在-π和π之间，并满足一个复杂的可变函数。正如模拟所证明的那样，通过聚焦角度偏振的光，可以获得高度可调谐的空心光束。通过调整结构的参数，我们可以灵活地操纵空心光束的大小和长度。光束的长度可以从80λ增加到280λ，最大半高全宽从0.43λ增加到0.61λ。此外，空心光束的光强和旁瓣也可以通过设计的衍射光学元件来调节。这种可调谐的空光束的潜在应用包括光学纳米操纵、显微镜成像和纳米光刻。显微镜成像和纳米光刻。显微镜成像和纳米光刻。


技术研发人员：顾敏 孙常伟 刘冬梅
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/7/13