[發明專利]非線性螺旋相位器件

在審

• 申請號: 201710139839.7
• 申請日: 2017-03-10
• 公開（公告）號: CN106896615A
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發明（設計）人: 匡登峰;黃壯;黃曾鑫
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35;G02B5/30;G21K1/00
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司12002
• 代理人: 侯力

技術領域

本發明屬于光學和光電技術領域，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。

背景技術

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。

發明內容

本發明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。

本發明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λ_inc＝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，Δk_z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。

本發明的優點和積極效果：

本發明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。由于本發明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S_xy的分布圖，白色箭頭表示矢量S_xy的方向。

具體實施方式

實施例1

如圖1所示，本發明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。

本發明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。