[发明专利]光学涡旋延迟器微阵列

说明书

技术领域

本申请通常涉及光学涡旋延迟器，尤其涉及光学涡旋延迟器的微阵列和制造 其的方法。

发明背景

波片通过在偏振光场的两个正交偏振分量之间增加预定相移来改变偏振光。 按照惯例，增加的相移称为波片延迟，并对垂直入射光以波长的分数的形式被测量。例 如，在正交偏振之间增加π的相移的波片被称为半波片，而增加π/2的相移的波片被称 为四分之一波片。

传统上，使用单轴双折射材料来制造波片。单轴双折射材料具有两个主要的 折射率，即，寻常折射率n_o和非常折射率n_e，其中双折射被定义为Δn＝n_e-n_o。在波片 中，具有低折射率的轴称为快轴，而具有较高折射率的轴称为慢轴并与快轴成直角。例 如，对于n_e＞n_o的正单轴双折射材料，非常轴是慢轴，而寻常轴是快轴。非常轴也是光 轴，其被认为是线偏振光通过介质以相同速度传播的方向，而不考虑其偏振状态。为了 提供所需的相移，在传统波片的制造中使用的单轴双折射材料的光轴一般定向成与波片 平面成非直角。例如，波片常常从具有平行于波片平面(即，称为A-plate)或与衬底 平面成斜角(即，称为O-plate)的光轴的单轴双折射材料制造。可选地，波片可从具 有垂直于波片平面(即，称为C-plate)的光轴的单轴双折射材料制造，以便其相位延 迟随着入射角(AOI)而增加。

波片的一个重要应用是改变通过其传播的偏振光的偏振态。例如，半波片可 被用于旋转线偏振的方向，而四分之一波片可被用于将线偏振光转换成圆偏振的。对于 前者，当入射光的偏振方向被定向成与波片平面中的光轴成θ角时，旋转角是2θ。对 于后者，入射光的偏振方向一般被定向成与波片平面中的光轴成45度角。在每种情况 下，优选地，波片的光轴在空间上是一致的(即，在整个波片表面上不变，使得波片的 整个表面具有相同的光轴方向)，以便提供一致偏振的光束(即，偏振在整个光束横截 面上不变化的偏振光辐射的光束)，假定入射偏振态在整个光束横截面上也是一致的。

最近，已经认识到，越过一致偏振的光束引起空间偏振变化是非常宝贵的波 前成形工具。事实上，如果使用线偏振器分析具有空间变化的偏振的这样的光束，净效 应是在整个光束横截面上增加被称为Pancharatnam-Berry相位的在空间上变化的相移。 具有在空间上变化的线偏振的光束的一些例子有径向偏振和方位角偏振(即，切向偏振) 光束，其中局部偏振轴是径向的，即，平行于连接局部点和中心点的线，或切向的，即， 垂直于该线。这些光束的偏振图样在图1中示出，其中箭头示意性地示出光束偏振的局 部方向。

不管光束是径向还是方位角偏振，其偏振方向都依赖于特定空间位置的方位 角，且不依赖于离中心点的径向距离。这些类型的偏振光束有时被称为圆柱形矢量光束 或偏振涡旋光束。术语“偏振涡旋(polarization vortex)”与术语“光学涡旋(optical vortex)” 有关。光学涡旋是光束的横截面中的点，其展示相位异常，使得光束辐射的电场在该点 周围描绘的任何封闭路径上完整地发展π的倍数。类似地，偏振涡旋是线偏振态，其中 偏振方向相对于光束轴完整地发展π的倍数。这样的光束当被聚焦时在中心点采用零强 度(例如，如果涡旋在光束内位于中心，则沿着光束轴)。偏振涡旋光束具有很多独特 的特性，这些特性可被有利地用在各种实际应用中，例如粒子捕获(光镊)、显微镜分 辨率增强和光刻术。

获得偏振涡旋光束的一种方法是使一致偏振的光束通过光学涡旋延迟器。在 这里也被简单地称为涡旋延迟器的光学涡旋延迟器指一类波片，其具有绕着一点旋转的 在空间上变化的快轴。更具体地，快轴的方位角绕着一点旋转。如果光学延迟器是消色 差延迟器(例如，多层设计，其中两个或更多个的延迟器被堆叠或层压，以使得光学延 迟器消色差)，则在空间上变化的快轴是有效快轴(即，如果多层延迟器被假定是单层 双折射材料，将表现为快轴的方向)。术语“方位角”指在光学延迟器的平面中投影的、 相对于某个任意参考点测量的轴的方位角方向。注意，虽然涡旋延迟器的快轴的方位角 绕着一点旋转，该快轴的极角在延迟器的整个表面上一般是恒定的(即，涡旋延迟器一 般具有在空间上一致的相位延迟)。术语“极角”指快轴的片外倾斜。