本发明涉及涡旋光场技术领域，尤其涉及一种单极涡旋光栅。
背景技术
涡旋光场由于具有很多优良特性，被广泛研究，并在诸如离子操作、光通信、全息光刻技术和超分辨率(sped)显示等领域得到了相应商业应用。虽然螺旋相位板(spiralphaseplate，简称spp)器件被认为是产生涡旋光场的一种重要且有效的方法，但是，在极紫外甚至x-ray波段，spp的光场特性依赖台阶的高度和台阶数目、当spp的台阶数目较少时，其输出涡旋光场的特性无法保证；当spp的台阶数目较多时，其加工难度较大。而且，利用普通光栅技术产生涡旋对，在宽光谱工作下会出现多级涡旋堆叠的问题。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种单极涡旋光栅，以在保证涡旋光场单极输出特性的同时降低涡旋光场输出器件的加工难度。
为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种单极涡旋光栅，用于产生一对涡旋光场，抑制多级涡旋对的产生，所述单极涡旋光栅包括：衬底薄膜，以及贯穿所述衬底薄膜的多个透光通孔列；
其中，所述透光通孔列的中心位置为平面波与待产生涡旋光场的涡旋相位分布干涉形成的全息干涉图二值化后的平衡位置，所述透光通孔列中各透光通孔的位置为在所述平衡位置施加随机扰动后的位置。
可选的，所述随机扰动对应的随机分布为正弦分布、正态分布、高斯分布或t分布。
可选的，所述透光通孔列中的各透光通孔连续分布或离散分布。
可选的，所述单极涡旋光栅为振幅型元件，所述衬底薄膜为吸收衬底薄膜。
可选的，所述衬底薄膜的材料为金、银、铝、铬、硅、氮化硅或碳化硅。
可选的，所述衬底薄膜的厚度为100nm。
可选的，所述单极涡旋光栅可选为相位型元件，所述衬底薄膜为透光薄膜，射向所述单极涡旋光栅的入射光经所述衬底薄膜射出后与其经所述透光通孔射出后具有相位差。
可选的，所述透光通孔的横向长度的n倍与所述单极涡旋光栅的平衡位置的横向周期相等，其中，n为大于1的整数；所述平衡位置的横向周期为相邻两个透光通孔列的中心线之间的距离，所述横向垂直于所述透光通孔列延伸方向。
可选的，当所述透光通孔列中各透光通孔为方形孔时，所述述透光通孔的横向长度为所述单极涡旋光栅的平衡位置的横向周期的0.5倍；当所述透光通孔列中各个透光通孔为离散分布的圆形孔时，所述透光通孔的横向长度为所述单极涡旋光栅的平衡位置的横向周期的(1.22/2)倍或(1.3/2)倍。
可选的，所述全息干涉图二值化后的平衡位置处的横向周期满足：
λ＝λ/sin(arctan(δ/(2·d)))；
其中，λ为所述全息干涉图二值化后的平衡位置的横向周期；d为单极涡旋光栅的输出距离；δ为出射涡旋对的间距；λ为入射光的中心波长。
可选的，所述透光通孔的设计自由度有五个。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明实施例所提供的单极涡旋光栅，包括衬底薄膜和位于衬底薄膜中的穿所述衬底薄膜的多个透光通孔列，所述多个透光通孔列构成光栅，且每个透光通孔列有多个透光通孔构成；其中，所述透光通孔列的中心位置为对平面波加载涡旋相位分布图后获得的全息干涉图二值化后的平衡位置，所述透光通孔列中各透光通孔的位置为所述透光通孔列所在平衡位置随机扰动后的位置，从而利用空间相位调节机制实现了类正弦光栅的单极输出，抑制了高次谐波的多级输出，达到和全息图类似的效果，提高了信噪比，进而消除了高谐波污染，提高了分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例所提供的单极涡旋光栅中各透光通孔连续分布的局部结构图；
图2为本发明一个实施例所提供的单极涡旋光栅中各透光通孔连续分布更细化的局部结构图；
图3为本发明一个实施例所提供的单极光栅单极涡旋光栅中各透光通孔离散分离的局部结构图；
图4为所述透光通孔为相位或振幅型透光通孔时，本发明实施例所提供的单极涡旋光栅在极紫外光照射下，计算机模拟产生的纯涡旋对无零级输出模拟图；
图5为所述透光通孔为振幅型透光通孔时，本发明实施例所提供的单极涡旋光栅在极紫外光照射下，计算机模拟产生的零级和涡旋对输出模拟图；
图6为本发明实施例所提供的单极涡旋光栅为二元振幅元件时，在极紫外光的照射下x轴方向的相对衍射效率模拟示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明实施例提供了一种单极涡旋光栅，用于产生一对涡旋光场，抑制多级涡旋对的产生，如图1所示，该单极涡旋光栅包括：衬底薄膜10以及贯穿所述衬底薄膜10的多个透光通孔列，所述透光通孔列的中心位置为平面波与待产生的涡旋光场的涡旋相位分布干涉形成的全息干涉图二值化后的平衡位置，所述透光通孔列中各透光通孔20的位置为在所述平衡位置施加随机扰动后的位置。具体的，所述透光通孔列的中心位置的获取方法包括：利用平面波和待产生的涡旋光场的涡旋相位分布干涉得到全息干涉图；对所述全息干涉图进行二值化得到平衡位置，该平衡位置即为所述透光通孔列的中心位置。
所述通孔列中各透光通孔位置处所施加的随机扰动中，可选的，其扰动的振幅的最大值不大于所述单极涡旋光栅的平衡位置的横向周期的一半且不小于横向周期的四分之一，以避免随机扰动的振幅过大，超过横向周期，破坏衍射图案。扰动多大或过小都会导致所述单极涡旋光栅输出的涡旋光场特性就无法保证。
需要说明的是，在本发明实施例中，所述衬底薄膜可以对射向其的入射光的振幅和/或相位进行调制，以改变射向其的入射光的振幅和/或相位。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述单极涡旋光栅为振幅型元件，通过调制入射光的振幅，实现涡旋光场的产生，在本发明实施例中，所述衬底薄膜为吸收衬底薄膜，优选为衬底薄膜，用于吸收入射光中的特定光线(如紫外光)；在本发明的另一个实施例中，所述单极涡旋光栅为相位型元件，通过调制入射光的相位，实现涡旋光场的产生，在本发明实施例中，所述衬底薄膜可以为透光薄膜，可选的，射向所述单极涡旋光栅的入射光经所述衬底薄膜射出后与其经所述透光通孔射出扣的光线存在相位差，该相位差的具体数值视所述单极涡旋光栅的应用需求而定，本发明对此并不做限定。
需要说明的是，当所述单极涡旋光栅为相位型元件时，射向所述单极涡旋光栅的入射光经所述衬底薄膜射出后与其经所述透光通孔射出扣的光线之间相位差满足a+2kπ，其中，a的取值范围为(0，π)，包括右端点值，k的取值为整数。其中，a的取值越接近π，所述单极涡旋光栅产生的涡旋光场的效果越好。当所述单极涡旋光栅为振幅型元件时，所述单极涡旋光栅产生的涡旋光场的效率依赖于所述衬底薄膜与所述透光通孔对入射光的振幅的衰减差。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，当所述单极涡旋光栅为振幅型元件时，所述衬底薄膜的材料为金、银、铝、铬、硅、氮化硅或碳化硅。可选的，所述衬底薄膜的厚度为100nm。但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。
本发明实施例所提供的单极涡旋光栅只包括衬底薄膜和位于所述衬底薄膜上的透光通孔，不需要额外基底，可以单独存在，实现自支撑，从而消除了基底带来的损耗。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，各透光通孔列中的透光通孔连续分布，如图1和图2所示；在本发明的另一个实施例中，各透光通孔列中的透光通孔离散分布，如图3所示，从而使得相邻的透光通孔的平衡位置形成类晶格分布(如四晶格或六晶格等)，以增大相邻透光通孔之间的距离，降低工艺难度，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述透光通孔的位置通过在所述全息干涉图二值化后的平衡位置处施加正弦随机扰动的调制后得到，即所述随机扰动对应的随机分布，从而可以利用空间相位或振幅调节机制实现类正弦光栅的单极输出，抑制利用普通光栅技术形成的涡旋光场的高级衍射输出，但本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述随机扰动对应的随机分布还可以为余弦分布、正态分布、高斯分布或t分布，具体视情况而定。
如图4和图5所示，图4和图5为本发明所述的单极涡旋光栅在极紫外光照射下的计算机模拟产生的涡旋对，其中，图4为所述透光通孔为相位或振幅型透光通孔时，本发明实施例所提供的单极涡旋光栅在极紫外光照射下，计算机模拟产生的纯涡旋对无零级输出模拟图；图5为所述透光通孔为振幅型透光通孔时，本发明实施例所提供的单极涡旋光栅在极紫外光照射下，计算机模拟产生的零级和涡旋对输出模拟图。从图4和图5可以看出，本发明实施例所提供的单极涡旋光栅在极紫外光照射下可以产生一对涡旋对，抑制其他高级的涡旋对的产生，从而产生涡旋光场。
需要说明的是，在本发明实施例中，所述透光通孔的横向长度与所述全息干涉图二值化后的平衡位置处的横向周期有关，其中，所述横向周期为所述全息干涉图二值化后的图中横向相邻的相似几何结构之间的距离，也即相邻两个透光通孔列的中心线之间的距离，所述横向垂直于所述透光通孔列延伸方向。具体的，在本发明的一个实施例中，所述透光通孔的横向长度的n倍与所述透光通孔对应的平衡位置的横向周期相等，其中，n为大于1的整数。
需要说明的是，在本发明实施例中，所述透光通孔的横向长度受限于微细加工的最小线宽，其位置精度收到加工位置精度的最大分辨率限制。因此，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，当所述透光通孔列中各透光通孔为方形孔时，所述述透光通孔的横向长度为所述单极涡旋光栅的平衡位置的横向周期的0.5倍或稍大一点；当所述透光通孔列中各个透光通孔为离散分布的圆形孔时(即所述单极涡旋光栅近似于光子筛)，所述述透光通孔的横向长度为所述单极涡旋光栅的平衡位置的横向周期的(1.22/2)倍或(1.3/2)倍，以降低所述单极涡旋光栅的加工压力并提高所述单极涡旋光栅的加工效率，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。
还需要说明的是，在本发明实施例中，所述透光通孔的在平行于所述透光通孔列的延伸方向的长度(即纵向长度)由所述单极涡旋光栅要实现的单极特性的纯度和所述单极涡旋光栅的工艺能力有关，所述透光通孔纵向长度越短，所述单极涡旋光栅的单极特性纯度就越高，多极延伸被抑制的越好，甚至与全息图相当。故在工艺能力允许的情况下，所述透光通孔的纵向长度越短越好。
具体的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述全息干涉图二值化后的平衡位置处的横向周期满足：
λ＝λ/sin(arctan(δ/(2·d)))；
其中，λ为所述全息干涉图二值化后的平衡位置处的横向周期，可选的，λ为所述全息干涉图二值化后远离中心处的平衡位置处的横向周期，即所述全息干涉图二值化后边界处的平衡位置处的横向周期；d为涡旋光栅的输出距离；δ为出射涡旋对的间距；λ为入射光的中心波长。
还需要说明的是，在本发明的其他实施例中，所述透光通孔的形状还可以为平行四边形、或倒圆角的正方形或六边形等其他形状，且复杂的透光通孔形状可以提高效率，得到高抑制比，但本发明对此并不做限定，只要保证所述透光通孔的形状具有一定的自由度即可。
具体的，在本发明的一个实施例中，所述透光通孔具有五个设计自由度，具体为：一是透光通孔为对于入射光单纯施加相位或者振幅变化，或者是同时施加相位和振幅的变化单元；二是透光通孔的位置在横向周期的方向被施加随机扰动，这种扰动可以不仅仅是正弦分布，还可以余弦分布、正态分布、高斯分布或t分布；三是透光通孔的位置在纵向方向(垂直于横向周期的方向)还可以是连续分布或离散分布；四是透光通孔的形状；五是相邻透光通孔的构成的晶格。但本发明对此并不做限定，所述透光通孔的设计自由度只要包括上述自由度中的至少一个即可，具体视所述单极涡旋光栅的应用需求而定。
具体的，在本发明的一个实施例中，所述单极涡旋光栅中的透光通孔列和所述透光通孔列中透光通孔的数量由下式获得：
(ni＝li/λi(i＝x，y))；
其中，nx为所述单极涡旋光栅中透光通孔列的数量，ny为所述透光通孔列中透光通孔的数量；lx为所述单极涡旋光栅的长度，ly为所述单极涡旋光栅的宽度；λx为所述单极涡旋光栅的横向周期，λy为所述单极涡旋光栅的纵向周期，也即稳定位置的晶格信息。
具体的，在本发明的一个实施例中，所述单极涡旋光栅中各透光通孔位置的确定方法包括：计算涡旋的干涉全息图和该全息图平衡位置的几何曲线；基于该单极涡旋光栅要实现的衍射效率、信噪比和工艺要求，选择所述透光通孔的形状和随机分布；将所述透光通孔在所述全息图的平衡位置处排列并施加随机扰动位移。在本发明的其他实施例中，所述单极涡旋光栅中各透光通孔位置还可以通过把干涉全息图二值化后计算边界，依靠边界离散分成众多四边形后，给予单个四边形扰动的方式获得，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。
如图6所示，图6示出了本发明实施例所提供的单极涡旋光栅为二元振幅元件时，在极紫外光的照射下x轴方向的相对衍射效率模拟示意图。从图6可以看出，本发明实施例所提供的单极涡旋光栅产生的涡旋光场只存在明显的0级和±1级衍射，其他位置相对衍射效率极低，可以忽略。
由此可见，本发明实施例所提供的单极涡旋光栅，包括衬底薄膜和位于衬底薄膜中的贯穿所述衬底薄膜的多个透光通孔列，所述多个透光通孔列构成类光栅结构，且每个透光通孔列有多个透光通孔构成；其中，所述透光通孔列的中心位置为对平面波加载涡旋相位分布图后获得的全息干涉图二值化后的平衡位置，所述透光通孔列中各透光通孔的位置为所述透光通孔列所在平衡位置施加随机扰动后的位置，其中，所述透光通孔列的中心位置为对平面波加载涡旋相位分布图后获得的全息干涉图二值化后的平衡位置用于产生涡旋对，所述透光通孔列中各透光通孔的位置为所述透光通孔列所在平衡位置施加随机扰动后的位置用于抑制高级衍射，从而使得本发明实施例所提供的单极涡旋光栅利用空间相位或者振幅调节机制实现了类正弦光栅的单极输出，抑制了高次谐波污染，达到和全息图类似的效果，提高了信噪比，进而消除了高谐波污染，提高了分辨率。本发明实施例所提供的单极涡旋光栅产生的涡旋对，可以经过平面波再干涉验证，其内部的相位符合涡旋光场的螺旋相位场的特性。
需要说明的是，虽然在本发明实施例中，透光通孔与衬底的位置构成二元透过衬度，输出为零级和±1级涡旋输出(即涡旋光场的拓扑电荷为1)，但本发明对此并不做限定，在本发明的其他实施例中，所述单极涡旋光栅可用于设计拓扑电荷更高的涡旋对输出，即所述单极涡旋光栅产生的涡旋光场的拓扑电荷也可以大于1，具体视情况而定。还需要说明的是，在本发明实施例中，具体拓扑电荷取决于平衡位置的全息图的拓扑电荷，而全息图的拓扑电荷数目依赖于涡旋光场的涡旋相位场的螺旋度和螺旋方向。
相应的，本发明实施例还提供了一种单极涡旋光栅的形成方法，该方法包括：
在抛光好的衬底上溅射一层金属薄膜，可选的，所述衬底为石英衬底，所述金属薄膜为铬薄膜，所述金属薄膜的厚度为100nm；
在所述金属薄膜上旋涂一层正性电子束光刻胶后，立即进行热处理，再利用电子束曝光制作出设计好的周期排布的光刻胶图形；
以光刻胶图形为掩膜，利用干法刻蚀工艺刻蚀掉露出来的金属薄膜，形成圆形透光图形区；
去除电子束光刻胶后，形成上述单极涡旋光栅。
综上所述，本发明实施例所提供的单极涡旋光栅及其制作方法，只包括衬底薄膜和位于所述衬底薄膜上的透光通孔，是一个二相元件，仅仅需要二阶相位或振幅，不存在空间的三维结构。而且，本发明实施例所提供的单极涡旋光栅仅仅通过两个灰度(如透光和不透光)即可实现类全息输出，大大降低了多梯度灰度的制作难度和成本，为在极紫外和x-ray产生涡旋光场提供了一种新途径，且可以工作在可见光、红外光一个较宽的波段。可选的，所述极紫外波段为13.5±0.2nm。
此外，本发明实施例所提供的单极涡旋光栅及其制作方法中，所述透光通孔通过在所述全息干涉图二值化后的平衡位置处施加随机扰动的调制后得到，从而可以利用空间相位调节机制实现类光栅的单极输出，抑制高级的衍射问题，有潜力在受激发射损耗显微镜(stimulatedemissiondepletion(sted)microscopy)、光通信中得到应用。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。