[发明专利]非线性螺旋相位器件

说明书

技术领域

本发明属于光学和光电技术领域，涉及微光学器件制作、光矢量场的控制以及利用光场对粒子的操控。其最大的特点是非线性的螺旋结构带来的具有轨道角加速度的涡旋光场，这种特殊的光场已经被广泛应用在很多领域，如光镊，光通信、量子信息传输、超分辨成像、微粒子捕获和筛选等领域。

背景技术

在微粒子操纵和筛选中，涡旋光束能将其具有的轨道角动量传递给粒子，这个传递过程是无接触、无损伤的。因此能够产生涡旋光束的器件被广泛应用，具有重要的应用价值，。由于微螺旋结构具有螺旋性质，因此常利用其来产生涡旋光束。之前已有线性高度变化率的微螺旋器件被提出，但是光束通过线性微螺旋锥器件后只能产生具有单一轨道角动量的涡旋光束，应用范围较为狭窄。目前对非线性微介质螺旋的研究尚不全面，其优势在于利用高度变化率非线性的特性产生具有不同轨道角动量与轨道角加速度的涡旋光束，从而带来新的特性。

发明内容

本发明目的是为产生具有轨道角加速度的涡旋光束，提供一种非线性螺旋相位的器件。

本发明提供的非线性螺旋相位器件所产生的涡旋光束能使粒子持续的受到大小不同力的作用，从而进行变速运动，便于寻迹和筛选。所述器件拥有高度变化率为非线性的微介质螺旋结构；该器件在柱坐标系下的结构方程h(θ)为：

其中：λ是入射光波长，n是介质材料折射率，θ是柱状坐标系下的角度。所述的器件材料为玻璃基底以及高分子塑料镜片；入射波长λ_inc＝500nm，折射率n＝1.5，入射光应垂直器件表面入射。

其角加速度推导过程如下：

传播距离为：

则

所以θ″_(z)≠0，即角加速度不为0。其中，ψ(θ)为关于θ的相位分布，u为光场的复振幅，Δk_z为传播方向z波矢变化量，z为传播方向，θ′_(z)为角速度，θ″_(z)为角加速度。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的非线性螺旋位相器件，当入射光垂直入射非线性螺旋位相器件底面并通过该器件之后，由于非线性微介质螺旋结构的旋转特性，在非线性螺旋位相结构前端形成涡旋光场。

不同于一般的线性器件，只能产生具有单一轨道角速度的涡旋光场。由于本发明中微介质螺旋结构的引入了非线性因子入射光经非线性螺旋位相器件后在结构前端形成具有轨道角加速度的涡旋光束，其涡旋范围大于常规线性器件产生的仅具有单一轨道角速度的涡旋光束，同时由于其轨道角动量不唯一，可使微粒子做曲率半径更大的变速曲线运动，从而有利于实现不同微粒子的操纵和筛选，并提高操纵和筛选的效率。

附图说明

图1是能够产生具有轨道角加速度的涡旋光束的非线性螺旋位相器件的三视图。其中：(a)是非线性螺旋位相器件的主剖视图；(b)是非线性螺旋位相器件的左剖视图；(c)是非线性螺旋位相器件的俯视图。

图2是利用空间光调制器代替实际非线性螺旋位相器件时，所用到的系统光路示意图，其中1为发射波长为500nm的激光器。2为一个控制光强的遮光片。3为一个小孔，形成一个点光源。4为焦距为15cm的透镜，5为光阑，6为空间光调制器。7为焦距为120cm的透镜。8为反射系统，9为倒置式显微镜。

图3是非线性螺旋位相器件的电场分布图。其中：(a)电场E在x＝0处yz平面上的强度分布图；(b)电场E在y＝0处xz平面上的强度分布图；(c)电场E在z＝3.04μm处xy平面上的强度分布图。

图4是非线性螺旋位相器件在z＝3.04μm处xy平面上坡印廷矢量的分量S_xy的分布图，白色箭头表示矢量S_xy的方向。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明提供的能产生具有轨道角加速度的涡旋光束的非线性螺旋相位器件由一个高度变化率为非线性的微介质螺旋结构构成，其在柱状坐标系的结构方程为：

其中：λ是入射光波长，n是介质材料折射率，θ是柱状坐标系下的角度。

本发明中非线性螺旋位相器件的制作可采用光刻工艺和干法刻蚀技术来实现或利用空间光调制器来替代。其具体步骤如下：

(1)利用激光直写/电子束直写方法在光敏介质上曝光，并通过显影制作非线性螺旋位相器件。