非線性螺旋相位器件制造技術

一種能夠產生具有軌道角加速度的渦旋光束的非線性螺旋位相器件。該非線性螺旋位相器件由一個高度變化率為非線性的微介質螺旋結構構成，當入射光垂直入射非線性螺旋位相器件底面并通過該器件之后，在器件前端形成具有軌道角加速度的渦旋光場。區別于傳統線性器件的光場分布，本發明專利技術器件由于具有非線性的特性，致使其產生的渦旋光場不僅僅具有軌道角動量，同時具有軌道角加速度。正由于軌道角加速度的存在，光場的梯度變化越來越大，微粒子受到的力也就越大，在微粒子的篩選、控制領域有更為深遠的應用空間。

【技術實現步驟摘要】
非線性螺旋相位器件
本專利技術屬于光學和光電
，涉及微光學器件制作、光矢量場的控制以及利用光場對粒子的操控。其最大的特點是非線性的螺旋結構帶來的具有軌道角加速度的渦旋光場，這種特殊的光場已經被廣泛應用在很多領域，如光鑷，光通信、量子信息傳輸、超分辨成像、微粒子捕獲和篩選等領域。
技術介紹
在微粒子操縱和篩選中，渦旋光束能將其具有的軌道角動量傳遞給粒子，這個傳遞過程是無接觸、無損傷的。因此能夠產生渦旋光束的器件被廣泛應用，具有重要的應用價值，。由于微螺旋結構具有螺旋性質，因此常利用其來產生渦旋光束。之前已有線性高度變化率的微螺旋器件被提出，但是光束通過線性微螺旋錐器件后只能產生具有單一軌道角動量的渦旋光束，應用范圍較為狹窄。目前對非線性微介質螺旋的研究尚不全面，其優勢在于利用高度變化率非線性的特性產生具有不同軌道角動量與軌道角加速度的渦旋光束，從而帶來新的特性。
技術實現思路
本專利技術目的是為產生具有軌道角加速度的渦旋光束，提供一種非線性螺旋相位的器件。本專利技術提供的非線性螺旋相位器件所產生的渦旋光束能使粒子持續的受到大小不同力的作用，從而進行變速運動，便于尋跡和篩選。所述器件擁有高度變化率為非線性的微介質螺旋結構；該器件在柱坐標系下的結構方程h(θ)為：其中：λ是入射光波長，n是介質材料折射率，θ是柱狀坐標系下的角度。所述的器件材料為玻璃基底以及高分子塑料鏡片；入射波長λinc＝500nm，折射率n＝1.5，入射光應垂直器件表面入射。其角加速度推導過程如下：傳播距離為：則所以θ″(z)≠0，即角加速度不為0。其中，ψ(θ)為關于θ的相位分布，u為光場的復振幅，Δkz為傳播方向z波矢變化量，z為傳播方向，θ′(z)為角速度，θ″(z)為角加速度。本專利技術的優點和積極效果：本專利技術提供的非線性螺旋位相器件，當入射光垂直入射非線性螺旋位相器件底面并通過該器件之后，由于非線性微介質螺旋結構的旋轉特性，在非線性螺旋位相結構前端形成渦旋光場。不同于一般的線性器件，只能產生具有單一軌道角速度的渦旋光場。由于本專利技術中微介質螺旋結構的引入了非線性因子入射光經非線性螺旋位相器件后在結構前端形成具有軌道角加速度的渦旋光束，其渦旋范圍大于常規線性器件產生的僅具有單一軌道角速度的渦旋光束，同時由于其軌道角動量不唯一，可使微粒子做曲率半徑更大的變速曲線運動，從而有利于實現不同微粒子的操縱和篩選，并提高操縱和篩選的效率。附圖說明圖1是能夠產生具有軌道角加速度的渦旋光束的非線性螺旋位相器件的三視圖。其中：(a)是非線性螺旋位相器件的主剖視圖；(b)是非線性螺旋位相器件的左剖視圖；(c)是非線性螺旋位相器件的俯視圖。圖2是利用空間光調制器代替實際非線性螺旋位相器件時，所用到的系統光路示意圖，其中1為發射波長為500nm的激光器。2為一個控制光強的遮光片。3為一個小孔，形成一個點光源。4為焦距為15cm的透鏡，5為光闌，6為空間光調制器。7為焦距為120cm的透鏡。8為反射系統，9為倒置式顯微鏡。圖3是非線性螺旋位相器件的電場分布圖。其中：(a)電場E在x＝0處yz平面上的強度分布圖；(b)電場E在y＝0處xz平面上的強度分布圖；(c)電場E在z＝3.04μm處xy平面上的強度分布圖。圖4是非線性螺旋位相器件在z＝3.04μm處xy平面上坡印廷矢量的分量Sxy的分布圖，白色箭頭表示矢量Sxy的方向。具體實施方式實施例1如圖1所示，本專利技術提供的能產生具有軌道角加速度的渦旋光束的非線性螺旋相位器件由一個高度變化率為非線性的微介質螺旋結構構成，其在柱狀坐標系的結構方程為：其中：λ是入射光波長，n是介質材料折射率，θ是柱狀坐標系下的角度。本專利技術中非線性螺旋位相器件的制作可采用光刻工藝和干法刻蝕技術來實現或利用空間光調制器來替代。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上曝光，并通過顯影制作非線性螺旋位相器件。(2)利用反應離子刻蝕/電感耦合等離子體刻蝕技術將非線性螺旋位相器件轉移到光學玻璃上。(3)利用計算機模擬出非線性螺旋位相器件的位相圖，將其輸出至空間光調制器中，利用空間光調制器的靈活性，可在光路中替代非線性螺旋位相器件并隨時更換。試驗系統如圖2所示，其中1為發射波長為532nm的激光器。2為一個控制光強的遮光片。3為一個小孔，形成一個點光源。4為焦距為15cm的透鏡，5為光闌，6為空間光調制器。7為焦距為120cm的透鏡。8為反射系統，9為倒置式顯微鏡。具體應用實例1非線性螺旋位相器件的具體參數以如下為例：材料為玻璃，入射波長λinc＝500nm，折射率n＝1.5，半徑R＝2μm。圖3是激光光束垂直入射非線性螺旋位相器件時的電場分布圖。其中：(a)是電場E在x＝0處yz平面上的強度分布圖；(b)是電場E在y＝0處xz平面上的強度分布圖；(c)是電場E在z＝3.04μm處xy平面上的強度分布圖。由圖3可以看出光束沿彎曲軌道向前傳播且在非線性螺旋位相器件前端形成了聚焦場。圖4是激光光束垂直入射非線性螺旋位相器件時在z＝3.04μm處xy平面上坡印廷矢量的分量Sxy分布圖，白色箭頭表示矢量Sxy的方向。由圖3可以看出能量圍繞器件中心均呈現順時針旋轉分布，渦旋效果比較明顯，更加有利于對微粒子進行操縱和篩選。當入射光垂直入射非線性螺旋位相器件底面并通過該器件之后，經過非線性微介質螺旋結構的旋轉作用，最終在器件前端形成關于具有軌道角加速度的渦旋光場，角速度越來越大，光場的梯度也越來越大，致使微粒子受到的力越來越大，不同位置的微粒子受力不同，因此更有利于微粒子的操控和篩選。此器件可以被應用于提高粒子篩選和粒子操縱的效率。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種能夠產生具有軌道角加速度渦旋光束的非線性螺旋相位器件，其特征在于該器件擁有高度變化率為非線性的微介質螺旋結構；該器件的微介質螺旋結構在柱坐標系下的結構方程h(θ)為：

【技術特征摘要】
1.一種能夠產生具有軌道角加速度渦旋光束的非線性螺旋相位器件，其特征在于該器件擁有高度變化率為非線性的微介質螺旋結構；該器件的微介質螺旋結構在柱坐標系下的結構方程h(θ)為：其中：λ是入射光波長，n是介質材料折射率,θ是柱狀坐標系下的角度；當入射光以垂直方向入射到該器件底面并通過該器件之后，由于微介質...

【專利技術屬性】
技術研發人員：匡登峰，黃壯，黃曾鑫，
申請(專利權)人：南開大學，
類型：發明
國別省市：天津,12