[發明專利]一種均勻光針聚焦微結構及設計方法

有效

• 申請號: 201611045612.8
• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN106773030B
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 劉濤;楊樹明;劉強;蔣莊德;王通;楊曉凱
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 段俊濤

本發明公開了一種均勻光針聚焦微結構及設計方法，由兩組對應不同焦距的二元振幅型菲涅爾波帶片半徑序列復合而成，并對微結構中心區域進行遮擋，其構造過程為：給定照明波長和第一焦距，確定第一組環帶半徑序列{r_1,n}；初選第二焦距得到第二組環帶半徑序列{r_2,m}；適當選擇{r_2,m}中的部分序列段替換{r_1,n}中的部分序列段形成新的微結構環帶半徑序列；各環帶透過率規定為，先設定中心遮擋圓，從中心遮擋圓半徑坐標開始至最外環帶半徑各環帶透過率按{1,0}交替編碼，且起始環帶透過率為1；優選結構參數實現均勻光針強度場分布；該設計方法適用于多種典型偏振激光光束照明情形，設計的微結構可應用于激光微細加工、高分辨率顯微成像、光學操控等領域。

技術領域

本發明屬于微納光學技術領域，特別涉及一種均勻光針聚焦微結構及設計方法。

背景技術

光的衍射導致聚焦光場具有復雜的三維結構，對照明光束的振幅、相位和偏振態等進行調制將改變聚焦光場的分布。2008年以來，光針聚焦(或細光束聚焦)問題引起科學界的廣泛關注，成為國際前沿熱點研究課題之一。均勻細光針聚焦場具有重要的科學研究價值，其在激光直寫微光刻、光學數據存儲、掃描光學納米顯微技術、原子光學、光學操控等領域具有重要應用。

目前，細光針場聚焦調制方法主要分為三大類，分別基于折射光學系統、反射光學系統和衍射光學系統。折射光學系統聚焦方法以多環帶光瞳濾波、矢量光束照明、折射透鏡聚焦為代表(參見文獻H.Wang,L.Shi,B.Lukyanchuk,C.Sheppard,C.T.Chong.Creation ofa needle of longitudinally polarized light in vacuum using binaryoptics.Nature Photonics,2008,2:501-505)，是傳統波前工程研究方法，優點是理論清晰、設計靈活，缺點是聚焦光學系統復雜、光瞳濾波器加工要求苛刻、光束橫向寬度限制較大。反射光學系統聚焦方法，主要采用光瞳濾波和拋物反射鏡結合(參見文獻H.Dehez,A.April,M.Piche.Needles of longitudinally polarized light:guidelines forminimum spot size and tunable axial extent.Optics Express,2012,20:14891-14905)，優點是理論上容易實現極限數值孔徑(NA＝1，空氣中)聚焦，缺點是聚焦光針場處于反射光路中，系統實現難度依賴于超精密非球面加工方法，成本高。第三類方法基于平面衍射光學系統，直接采用單一平面光學微結構進行聚焦(參見文獻T.Liu,J.Tan,J.Liu,H.Wang.Modulation of a super-Gaussian optical needle by high-NA Fresnel zoneplate.Optics Letters,2013,38:2742-2745)，這是一種無透鏡、多光束衍射干涉聚焦系統，突出優點是系統簡單、結構輕巧、成本低廉、設計靈活，存在的主要問題是由于標準菲涅爾波帶片在短波長照明及大數值孔徑聚集情形下，外圈環帶徑向寬度接近且環帶寬在數納米至數十納米，對現有微加工刻蝕工藝提出了十分苛刻的要求。

上述技術問題是目前均勻細光針場聚焦調制中面臨的主要困難。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種均勻光針聚焦微結構及設計方法，基于二元振幅型菲涅爾波帶片構造復合微結構，采用激光光束照明，通過少量環帶即可實現所需均勻光針。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種均勻光針聚焦微結構，由兩組對應不同焦距的二元振幅型菲涅爾波帶片半徑序列復合而成，并對微結構中心區域進行遮擋。