一种轴向线聚焦螺旋波带片的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于衍射光学领域，尤其涉及一种轴向线聚焦螺旋波带片。
【背景技术】
[0002] 奇点光学作为现代光学的一个重要分支，近年来发展迅速。在位相奇点处，光波场 的位相变得不确定，场的振幅为0。光学涡旋是一种特殊的光场，具有螺旋型波前及轨道角 动量等特征，光束中心存在相位奇点，具有暗空心结构，已成为近年来学术界的热门研究课 题。国内外学者提出了诸如几何模式转换、全息图、螺旋相位板/波带片、液晶空间光调制 等方法产生光学涡旋，在微粒子操控、引导、原子俘获、激光通信、边缘增强成像等多个方面 展现出了诱人的应用前景。特别的，在X射线领域，考虑到涡旋光束作为光学扳手是通过粒 子对光子的吸收而将其角动量传递给粒子实现旋转等操控，由于材料对X射线的吸收在吸 收边附近最强，利用这一特性，在微电力系统中，可以实现对粒子的选择性操控。
[0003] 螺旋波带片是一种简单有效的产生涡旋场的方式，这种波带片结合了光学希尔伯 特变换和菲涅尔波带片聚焦的特点，在焦点处形成一个涡旋场；由于螺旋波带片是二值化 结构，因此可以广泛应用到微波、太赫兹、红外光、可见光、紫外光、X射线等各个电磁波段。 目前已经应用于微粒子操纵、显微成像、天文学等领域。
[0004] 然而，对微粒子大尺度、长时间的操纵囚禁希望涡旋光场具有小聚焦光斑和轴向 线聚焦的特点。然而对常规的聚焦系统来说，轴向线聚焦和小聚焦光斑存在矛盾关系，即小 的聚焦光斑需要较大的数值孔径，而轴向尺寸大的焦点需要较小的数值孔径。因此，在数 值孔径一定的情况下，如何有效增大螺旋波带片的轴向焦点尺寸是一个非常重要的技术问 题。但目前尚没有产生轴向线聚焦涡旋光场的相关报道。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种轴向线聚焦螺旋波带片，旨在在数值孔径一定的情况 下，有效增大螺旋波带片的轴向焦点尺寸。
[0006] 本发明是这样实现的，一种轴向线聚焦螺旋波带片由一系列非连续的螺 旋形透光环带和挡光环带交替排列构成；环带的极角Φ在每个周期内从2ηπ到 2(η+1) π连续变化（η = 〇，1，2,3……）；每个周期内的透光螺旋状环带坐标满足
[0007] 其中m为周期数，m = 1，2, 3......，P为拓扑荷，P = 1，2, 3......;r为环带的极径， λ为入射光波的波长，^为每个周期对应的焦距。在不同的周期内，调节f"为不同的值， 覆盖一定的焦距范围[fmin，fmax];每个周期的焦距fm满足
或者 UiN 丄 Λ J ^ 厶/ 吁 X
M为波带片总的周期。这样构造的波带片在极角φ 的位 置处有明显的环带错位，并不是一个整体的连续螺旋结构。
[0008] 进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片适用于微波、太赫兹、红外光、可见光、紫外 光、X射线等各个电磁波段。
[0009] 进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片是透射式波带片。
[0010] 进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片基底可为透明基底，或不透明基底。
[0011] 进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片的透光环带之间添加各种形式的用于自支 撑的加强筋。
[0012] 进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片可以只选取完整对称结构的一部分，或者 遮挡中心部分环带只选取边缘的部分环带。
[0013] 进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片的挡光环带是透明表面上的由额外厚度引 起位相差的半波带。
[0014] 进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片经转印成为为反波带片。
[0015] 进一步，所述的轴向线聚焦螺旋波带片经转复制成为复制波带片。
[0016] 本发明的轴向线聚焦螺旋波带片具有以下优点：
[0017] 1、设计制作便捷，只需要根据需求，设计螺旋环带的生成公式及每个周期对应的 焦距；
[0018] 2、加工难度与普通螺旋波带片相当，适用于电子束刻蚀等加工工艺；
[0019] 3、轴向线聚焦，与相同数值孔径的普通螺旋波带片相比，可以将轴向焦点尺寸提 高至10倍；
[0020] 4、易于实际推广应用，特别是真空紫外到软X射线波段。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明实施例提供的拓扑荷ρ = 1的轴向线聚焦螺旋波带片在（X，y)坐标 系下的结构示意图；
[0022] 图2为本发明实施例提供的拓扑荷p = 1的轴向线聚焦螺旋波带片在（r2, Θ )坐 标系下的结构示意图；
[0023] 图3为本发明实施例提供的轴向线聚焦螺旋波带片的工作原理示意图；
[0024] 图4为本发明实施例提供的在相同参数下轴向线聚焦螺旋波带片与普通螺旋波 带片焦点尺寸的比较图；
[0025] 图5为本发明实施例提供的轴向不同位置处轴向线聚焦螺旋波带片与普通螺旋 波带片焦点的比较图；
[0026] 图6为本发明实施例提供的轴向线聚焦螺旋波带片的加工制作流程示意图；
[0027] 图中：1、光刻胶；2、金；3、硅。
【具体实施方式】
[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0029] 下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
[0030] 请参阅图1-图6:
[0031] 本实施例公开了一种适用于软X射线透射式轴向线聚焦螺旋波带片，参考图1和 图2 ;
[0032] 图1所示为本发明的50周期，p = 1的轴向线聚焦螺旋波带片结构示意图，图中 白色填充的螺旋环带为透光部分，黑色区域为不透光部分；图2为本发明在（r2, Θ)坐标系 下的结构示意图，对于第m个周期的环带，所述的环带由下式决定：
[0033]
[0034] 式中，r，（P，L λ分别为极径、极角、第m个环带对应的焦距、波长；其中，