一种半径可调的手性椭圆螺旋光束掩模板的设计方法与流程

本发明涉及手性微结构领域，具体的说是一种半径可调的手性椭圆螺旋光束掩模板的设计方法。

背景技术：

近年来，随着人们对激光技术认识的不断深入，相继提出了多种振幅、相位、偏振等具有特殊空间结构的新型光场。这些新型光场表现出了一系列新颖的物理效应及现象，如光子轨道角动量、超衍射极限紧聚焦等。

这些新颖的物理效应及现象进一步拓展了激光技术的工程应用领域，如灵巧光操控、特殊微结构等，使之成为近年来光学领域的一大前沿研究热点。

在最近的研究中发现光学涡旋可以构造复杂的手性结构，例如，圆极化光学涡旋可以扭曲金属形成手性纳米结构【Phys.Rev.Lett.110,143603 2013】，实现了光场螺旋相位结构向纳米微结构的转化。然而，由于其原理是使用光学涡旋的旋转力使得融化的金属扭曲形成手性微结构，因此该方法对材料要求比较苛刻。

为了解决该问题，2017年，胡艳雷课题组通过径向平移因子调控光学涡旋与平面波叠加提出了一种环形手性光场结构，并使用这种光场结构构造手性微结构【Light-Science& Applications 6,e17011 2017】。然而，该方法仅可生成环形的手性微结构，并且微结构的大小也难以通过光学手段调控，使得其应用深受限制。

综上所述，在微雕刻领域中，尚缺少一种可用于椭圆形状的手性结构的雕刻光束，

用以应对微雕刻领域的不同结构需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为解决现有技术中存在的问题提供一种半径可调的手性椭圆螺旋光束掩模板的设计方法，可以实现在该掩模板的远场产生半径可调的手性椭圆螺旋光束。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种半径可调的手性椭圆螺旋光束掩模板的设计方法，结合两个椭圆轨迹上平移方向相反的角向平移因子tv、两个径向平移因子ta以及一个横向平移因子tp，同时结合一个椭圆形光阑circ(r)，得到半径可调的手性椭圆螺旋光束掩模板的复透过率函数t的具体表达式：

t＝circ(r)(tatv+conj(tatv)+tp)

基于该复透过率函数所描述的掩模板即为所述的手性椭圆螺旋光束掩模板，其中，所述的复透过率函数t建立在一个椭圆坐标系(r,θ)中，其与直角坐标系(x,y)的变换关系定义为 Mx＝rcos(θ)，My＝rsin(θ)，M为一个常数；conj(.)表示对矩阵按位取复共轭函数；circ(r)描述了一个椭圆形光阑，其表达式为：

用来作为限制该掩模板的边界条件；

所述的径向平移因子(ta)表达式为：

ta(r)＝exp(-iar)

式中，a为径向平移参数，i为虚数单位，径向平移参数能够使入射到该掩模板的高斯光束在远场形成一个环；

所述的角向平移因子(tv)表达式为：

tv(θ)＝exp(ibθ)

其中，b为角向平移参数；对径向平移因子与角向平移因子取复共轭后可得到相反方向的径向平移因子与角向平移因子；使用这四个平移因子对入射的高斯光束进行混合调制，在掩模板远场即可得到半径可调的手性椭圆螺旋光束；其中径向平移因子用以控制螺旋光瓣所在椭圆的大小，角向平移因子用以控制螺旋光瓣数；

所述的横向平移因子表示为：

tp＝exp(-icx)

其中c为横向平移参数；横向平移因子用于将掩模板调制的光束与掩模板直接反射的光束分离开。

进一步地，径向平移参数a分别取6和12两个值，角向平移参数b分别取±1和±5。

进一步地，M＝2。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明所设计的掩模板可以实现在该掩模板的远场产生半径可调的手性椭圆螺旋光束；其螺旋条纹数量由角向平移参数确定，角向平移参数的正负控制着手性条纹的切换，条纹所在椭圆的大小由径向平移参数确定，因而在手性微雕刻领域中具有非常重要的应用前景；

径向平移因子可以控制螺旋光瓣所在椭圆的大小，角向平移因子可以控制螺旋光瓣数；横向平移因子的作用在于将掩模板调制的光束与掩模板直接反射的光束分离开；椭圆形光阑用来作为限制所提出的半径可调的手性椭圆螺旋光束掩模板的边界条件。

附图说明

图1是本发明产生手性椭圆螺旋光束掩模板；径向平移因子a分别取6和12两个值，角向平移因子b分别取±1与±5。

图2是图1中所展示的掩模板生成的手性椭圆螺旋光束。

具体实施方式

下面将结合本发明发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明发明中的实施例，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，都属于本发明发明保护的范围。

一种半径可调的手性椭圆螺旋光束掩模板的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、结合两个椭圆轨迹上平移方向相反的角向平移因子tv、两个径向平移因子ta 以及一个横向平移因子tp，同时结合一个椭圆形光阑circ(r)，得到半径可调的手性椭圆螺旋光束掩模板，该掩模板的复透过率函数t的具体表达式：

t＝circ(r)(tatv+conj(tatv)+tp)

其中，所述的复透过率函数t建立在一个椭圆坐标系(r,θ)中，其与直角坐标系(x,y)的变换关系定义为Mx＝rcos(θ)，My＝rsin(θ)，M＝2；conj(.)表示对矩阵按位取复共轭函数；circ(r) 描述了一个椭圆形光阑，其表达式为：

用来作为限制该掩模板的边界条件；

所述的径向平移因子(ta)表达式为：

ta(r)＝exp(-iar)

式中，a为径向平移参数，i为虚数单位，下同，径向平移参数能够使入射到该掩模板的高斯光束在远场形成一个环；

所述的角向平移因子(tv)表达式为：

tv(θ)＝exp(ibθ)

其中，b为角向平移参数；对径向平移因子与角向平移因子取复共轭后可得到相反方向的径向平移因子与角向平移因子；使用这四个平移因子对入射的高斯光束进行混合调制，在掩模板远场即可得到所述的半径可调的手性椭圆螺旋光束；

其中径向平移因子用以控制螺旋光瓣所在椭圆的大小，角向平移因子用以控制螺旋光瓣数。

所述的横向平移因子表示为：

tp＝exp(-icx)

其中c为横向平移参数；横向平移因子用于将掩模板调制的光束与掩模板直接反射的光束分离开。

径向平移参数a分别取6和12两个值，角向平移参数b分别取±1和±5。

以下以512×512大小的掩模板为例，针对工作波长为532nm的激光给出了手性椭圆螺旋光束掩模板。

该掩模板径向平移因子a分别取6和12，角向平移因子b分别取±1与±5，根据具体实施方式中的掩模板透过率函数最终得到手性椭圆螺旋光束掩模板；图1给出了所述的手性椭圆螺旋光束掩模板。

这种手性椭圆螺旋光束掩模板可以通过一个空间光调制器来实现；以德国Holoeye 公司的pluto-vis-016型号空间光调制器为例，对所提出的手性椭圆螺旋光束掩模板进行实验验证。

图2所示，实验得到了这种手性椭圆螺旋光束掩模板在NA＝0.025数值孔径的透镜焦平面上的光场光强分布。

从图中可以看出，得到了螺旋光瓣数为2b的两个不同大小的手性椭圆螺旋光束，且 b的符号控制着图样的手性切换。

实验结果表明，通过本发明提出的这种半径可调的手性椭圆螺旋光束掩模板，可以得到半径可调的手性椭圆螺旋光束；这将为光学手性微结构提供更为丰富的模式分布。

综上所述，本发明提出了一种半径可调的手性椭圆螺旋光束掩模板的具体设计方案及实施方案，并以NA＝0.025的聚焦透镜、径向平移因子a分别取6和12，角向平移因子b 分别取±1与±5为例，针对工作波长为532nm的激光，提出了一种半径可调的手性椭圆螺旋光束掩模板的技术实施路线。

以上所述产生半径可调的手性椭圆螺旋光束掩模板仅表达了本发明的一种具体实施方式，并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以对本专利所提出的具体实施细节做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

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，本发明发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，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。