[發明專利]一種多軌道角動量光束產生器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010410520.5
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111596462B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 孫洪波;胡志勇;陳岐岱
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純

1.一種多軌道角動量光束產生器，其特征在于，所述多軌道角動量光束產生器為一個圓形、表面為螺旋狀變化的光學器件，整個器件由N個環形區域組成；N為大于1的整數；

其中，第1個環形區域的相位分布信息是通過疊加多焦點聚焦透鏡第1個環形區域和多區域螺旋相位板第1個環形區域得到，位于器件的中心，用于產生第1種軌道角動量光束；

第2個環形區域的相位分布信息是通過疊加多焦點聚焦透鏡第2個環形區域和多區域螺旋相位板第2個環形區域得到，位于器件由中心到邊緣的第2個區域，用于產生第2種軌道角動量光束；

第N-1個環形區域的相位分布信息是通過疊加多焦點聚焦透鏡第N-1個環形區域和多區域螺旋相位板第N-1個環形區域得到，位于器件由中心到邊緣的第N-1個區域，用于產生第N-1種軌道角動量光束；

第N個環形區域的相位分布信息是通過疊加多焦點聚焦透鏡第N個環形區域和多區域螺旋相位板第N個環形區域得到，位于器件由中心到邊緣的第N個區域，用于產生第N種軌道角動量光束。

2.如權利要求1所述的一種多軌道角動量光束產生器，其特征在于，所述的多焦點聚焦透鏡的面型選擇球面或非球面透鏡，透鏡多個區域的聚焦范圍均為20-2000μm。

3.如權利要求1所述的一種多軌道角動量光束產生器，其特征在于，多區域螺旋相位板每個區域的拓撲荷數目范圍均為1-20，旋轉方向為順時針旋轉或逆時針旋轉；多軌道角動量光束產生器劃分環形區域的數目N為2-20個，每個環形分區的寬度相等，均為10-100μm。

4.如權利要求1所述的一種多軌道角動量光束產生器的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：

(1)、多軌道角動量光束產生器的相位分布信息：

首先，按照等半徑劃分的原則將多焦點聚焦透鏡從中心到邊緣分成多個半徑相等的環形區域，每個區域對應的聚焦范圍不同，從而得到多焦點聚焦透鏡；然后，按照等半徑劃分的原則將螺旋相位板分成多個區域，每個區域的拓撲荷數目和旋轉方向不同，得到多區域螺旋相位板；最后，將多焦點透鏡和多區域相位板分區域對應疊加，從而得到多軌道角動量光束產生器的相位分布信息；

(2)、加工數據轉換：

由于器件表面輪廓的高度是變化的，因此通過器件不同位置的入射光束之間會產生光程差進而產生相位差，得到器件的相位分布信息后，根據如下的光程差與相位差的關系式式(1)計算得到器件的表面輪廓的高度信息，然后再通過MATLAB、C++或VisualBasic編程語言，編寫轉換程序將器件的表面輪廓的高度信息轉換成加工系統可識別加工的三維點云數據，以(x,y,z)的數據格式導出到預先命名好的Txt文本中，以便于后期加工使用；

其中，Δφ為通過器件的光與未通過器件的光之間的相位差，即為步驟一中得到的多軌道角動量光束產生器的相位分布信息，Δn為加工材料與環境的折射率差，h為器件表面輪廓的高度，λ為器件的工作波長；

(3)、飛秒激光增材制造樣品的前期準備：

首先，將顯微鏡蓋玻片放入超聲機中，超聲清洗10-30min，去除玻璃片表面的大尺寸玻璃碎屑和灰塵顆粒；然后，在使用丙酮和無水乙醇浸泡的棉球依次擦拭后，使用去離子水反復沖洗玻璃片表面，去除玻璃片表面殘留的無水乙醇后，放在真空干燥箱中干燥；然后，在清洗干凈的蓋玻片表面滴上有機無機雜化光刻膠；最后，將樣品片放在加熱臺上前烘，前烘后在室溫環境下冷卻；

(4)、多軌道角動量光束產生器的制備：

首先，搭建振鏡基飛秒激光直寫加工系統，由光纖飛秒激光振蕩器FL產生的飛秒脈沖激光依次通過衰減片A和光閘S，經過反射鏡M1反射后通過由透鏡L1和透鏡L2組成的擴束系統，光束尺寸擴大后的激光束通過掃描振鏡控制光束偏轉角度，然后由透鏡L3和透鏡L4組成的4F光學系統將激光束的角度偏轉投影到物鏡入瞳處，由高數值孔徑物鏡OL將入射光緊聚焦到加工樣品內部，配合位移臺的移動，從而實現三維掃描；同時，由照明光源、濾光片F、以及成像CCD組成實時監控系統，實時觀察樣品加工過程中的狀態；

正式加工前，將激光聚焦到光刻膠與襯底交界面的位置，以該位置作為加工的起始界面；然后，將軟件轉換得到的多軌道角動量光束產生器的點云文本文件導入到加工軟件中，通過調節衰減片位置并在物鏡前測量激光功率選擇合適的加工功率；最后，在加工軟件上設置合適的單點曝光時間，點擊開始按鈕，開始逐點掃描加工；

(5)、多軌道角動量光束產生器的顯影與干燥：

將加工后的樣品置于光刻膠顯影液中浸泡顯影一定時間，顯影結束后，將樣品從顯影液中取出，并使用洗耳球鼓風，從而加速樣品表面殘留顯影液的蒸發，最終制備得到微米尺寸的多軌道角動量光束產生器。