单轴对称微螺旋锥器件

摘要

一种用于微光学整形，能够产生微聚焦涡旋光束的单轴对称微螺旋锥器件。该单轴对称微螺旋锥器件由介质锥形结构和单轴对称微螺旋结构复合构成，当入射光垂直入射单轴对称微螺旋锥器件底面并通过该器件之后，光场沿着弯曲轨道向前传播并在偏离中心位置的焦点处形成单轴对称的微聚焦光场。本发明可在微光学整形，微粒子操控，微粒子筛选，微传感等诸多领域有重要应用价值。

权利要求

1.一种用于微光学整形，能够产生微聚焦涡旋光束的单轴对称微螺旋锥器件，其特征在于该单轴对称微螺旋锥器件由介质锥形结构和单轴对称微螺旋结构复合构成，该器件在柱状坐标系下的结构方程 为：其中：是入射光波长，是介质材料折射率，  和 是柱状坐标系下的半径和角度，是底面半径； 和 的大小在微米量级， 在数微米量级；

当入射光垂直入射单轴对称微螺旋锥器件底面并通过该器件之后，由于介质锥形结构的聚焦作用和单轴对称微螺旋结构的旋转对称特性，在单轴对称微螺旋锥结构前端偏离中心位置处形成单轴对称的微聚焦光场。

2.根据权利要求1所述的单轴对称微螺旋锥器件，其特征在于在介质材料和结构参数确定的条件下，当入射光垂直入射单轴对称微螺旋锥器件底面并通过该器件之后，在单轴对称微螺旋锥结构前端产生偏离中心位置的微聚焦光场具有涡旋效应。

3.根据权利要求1或2所述的单轴对称微螺旋锥器件，其特征在于通过改变入射光偏振态能够得到不同性质的微聚焦光场，径向偏振光入射能够得到纵向场分量占总场50%以上的微聚焦光场，圆偏振光和线偏振光入射能够得到总场强度达到25a.u.以上的微聚焦光场，且不同的偏振光入射能够得到具有不同涡旋效应的光场来实现对微聚焦场的调控。

说明书

单轴对称微螺旋锥器件

技术领域

[0001] 本发明属于光学和光电技术领域，涉及微光电器件、微米尺度聚焦和矢量场，特别是一种能够产生偏离中心位置并具有涡旋效应的单轴对称微聚焦光场的单轴对称微螺旋锥器件。

背景技术

[0002] 产生微聚焦的涡旋光束，对于微光学整形、微粒子筛选和操纵都至关重要。单独的介质锥形结构能够产生较强的聚焦效果，但是聚焦光场不具有涡旋效应。单个微螺旋结构能够使光场具有涡旋效应，但是产生的光场并不聚焦。目前已经发明的介质锥结构与单个微螺旋结构复合构成的介质微螺旋锥结构能够使聚焦场偏离中心位置，但是聚焦效果不良，强度最大值为11.6126a.u.。

发明内容

[0003] 本发明目的是为产生具有较高强度且具有涡旋效应的微聚焦光场，提供一种由介质锥形结构和单轴对称微螺旋结构复合构成的单轴对称微螺旋锥器件。

[0004] 本发明单轴对称微螺旋锥结构能够产生偏离中心位置且强度较强的单轴对称微聚焦光场，强度最大值为25.1591 a.u.，是相同参数情况下介质微螺旋锥结构强度最大值的两倍多。

[0005] 本发明提供能够产生较高强度且具有涡旋效应的单轴对称微聚焦光场的单轴对称微螺旋锥器件，由介质锥形结构和单轴对称微螺旋结构复合构成，该器件在柱状坐标系下的结构方程 为：

[0006]

[0007] 其中：是入射光波长，是介质材料折射率， 和 是柱状坐标系下的半径和角度，是底面半径； 和 的大小在微米量级， 在数微米量级。

[0008] 所述的单轴对称微螺旋锥器件，结合了介质锥形结构和单轴对称微螺旋结构的优势。当入射光垂直入射单轴对称微螺旋锥器件底面并通过该器件之后，经过单轴对称微螺旋锥结构中介质锥形结构的聚焦作用和单轴对称微螺旋结构的对称旋转作用，在单轴对称微螺旋锥结构前端偏离中心位置处形成单轴对称且具有涡旋效应的微聚焦光场。

[0009] 通过改变入射光偏振态能够得到不同性质的微聚焦光场，径向偏振光入射能够得到纵向场分量占总场50%以上的微聚焦光场，圆偏振光和线偏振光入射能够得到总场强度达到25a.u.以上的微聚焦场，且不同的偏振光入射能够得到具有不同涡旋效应的光场来实现对微聚焦场的调控。

[0010] 本发明的优点和积极效果：

[0011] 本发明提供的单轴对称微螺旋锥器件，当入射光垂直入射器件底面并通过该器件时，经过单轴对称微螺旋锥结构中介质锥形结构的聚焦作用和单轴对称微螺旋结构的对称旋转作用，在单轴对称微螺旋锥结构前端偏离中心位置处形成单轴对称且具有涡旋效应的微聚焦光场。该聚焦光场不仅具有较大的聚焦强度，而且光束具有涡旋特性，有利于实现微粒子操纵和筛选。

附图说明

[0012] 图1是介质锥形结构和单轴对称微螺旋结构复合构成的能够产生具有涡旋效应光场的单轴对称微螺旋锥器件。其中： (a)是单轴对称微螺旋锥器件的主剖视图；(b)是单轴对称微螺旋锥器件的右剖视图；(c)是单轴对称微螺旋锥器件的俯视图。

[0013] 图2是介质锥形结构和单轴对称微螺旋复合构成的单轴对称微螺旋锥器件的模拟计算结果，即由时域有限差分方法（FDTD）计算的线偏振光入射单轴对称微螺旋锥器件时电场的分布情况。其中： (a) 电场 在 处 平面上的强度分布图；(b) 电场 在 处平面上的强度分布图；(c) 电场 在焦点 处 平面上的强度分布图。

[0014] 图3是线振偏光垂直入射单轴对称微螺旋锥结构时在焦点 处 平面上：（a） 强度分布；（b） 强度分布；（c）坡印廷矢量分量 分布，白色箭头表示矢量 的方向。

具体实施方式

[0015] 实施例1

[0016] 如图1所示，本发明提供涡旋光束的单轴对称微螺旋锥器件由介质锥形结构和单轴对称微螺旋结构复合构成，其在柱状坐标系的结构方程 为：

[0017]

[0018] 其中：是入射光波长，是介质材料折射率，和 是柱状坐标系下的半径和角度，是底面半径； 和 的大小在微米量级， 在数微米量级。

[0019] 本发明中单轴对称微螺旋锥器件的制作可采用光刻工艺和干法刻蚀技术来实现。其具体步骤如下：

[0020] （1）利用激光直写/电子束直写方法在光敏介质上曝光，并通过显影制作单轴对称微螺旋锥器件。

[0021] （2）利用反应离子刻蚀/电感耦合等离子体刻蚀技术将单轴对称微螺旋锥器件转移到光学玻璃上。

[0022] 具体应用实例1

[0023] 单轴对称微螺旋锥器件的具体参数以如下为例：

[0024] 材料为玻璃，入射波长 ，此时其折射率 ，那么单轴对称微螺旋锥器件的高度最大值即为 ，在时域有限差分计算方法（FDTD）中，取半径，以入射光为线偏振光为例进行模拟计算分析，线偏振光取偏振方向沿 正方向。

[0025] 图2是由FDTD计算的线偏振光垂直入射单轴对称微螺旋锥器件时的场分布。单轴对称微螺旋锥器件对线偏振光聚焦，焦点位置偏离中心，且沿弯曲轨道向前传播，其电场的最大强度 为25.1591 a.u.，图2中(a)是电场 在 处 平面上的强度分布图；(b)是电场 在 处 平面上的强度分布图；(c)是电场 在焦点 处 平面上的强度分布图， 在 面上的分量很小且对称分布，在 面上的分量较大且沿弯曲轨道向前传播，在 面上偏离中心位置处聚焦。

[0026] 图3是线偏振光垂直入射单轴对称微螺旋锥器件时在焦点 处 平面上：（a）是 强度分布；（b）是 强度分布，能量主要集中在 平面上，而 占的比例相对很小，当入射光是径向偏振光时， 占总场的比例会达到50%以上；（c）是坡印廷矢量分量 分布，白色箭头表示矢量 的方向，能量流向下方、左下方和右下方，可以看出光场具有涡旋效应，这样就能够对微粒子进行操纵和筛选。

[0027] 当入射光垂直入射单轴对称微螺旋锥器件底面并通过该器件之后，经过单轴对称微螺旋锥结构中介质锥形结构的聚焦作用和单轴对称微螺旋结构的对称旋转作用，在单轴对称微螺旋锥结构前端偏离中心位置处形成单轴对称且具有涡旋效应的微聚焦光场。单轴对称微螺旋锥结构里面的锥形结构，可以得到强度相对较强的微聚焦场；单轴对称微螺旋锥结构里面的单轴对称微螺旋结构使微聚焦场中心偏离中心位置且具有涡旋效应，且不同偏振态的入射光能够得到具有不同涡旋效应的光场，从而实现对微聚焦场的调控。