一种产生超手性光场的装置的制作方法

本发明涉及微纳光学技术领域，具体涉及一种产生超手性光场的装置。

背景技术：

手性描述了一个三维物体的结构特征，该物体与其镜像之间无法通过平移和旋转发生重合。手性与人体密切相关，生命体内的遗传物质、酶、组成细胞的分子等往往都具有手性。手性相反的物体称为对映体，它们的标量物理性质都是等价的，但是化学性质往往却完全不同，而它们只有在与手性物质相互作用时才能被区分开。对于生物分子来说，不同手性的分子具有不同的细胞毒性，因此手性物质的检测在药物医学、生物化学和生物催化等领域都有着非常重要的应用。

圆偏振光是一种最常见的手性光场，在不同旋向圆偏振光的激发下，手性分子的吸收率是不同的，对左旋圆偏振光的吸收为a1，对右旋圆偏振光的吸收为a2，这种光学活性现象被称为圆二色性，而吸收差异的程度可以用手性非对称因子g＝2(a1-a2)/(a1+a2)来表征，g的正负代表手性分子的手性方向，绝对值大小代表手性分子的手性大小。同时，非对称因子不仅与手性分子有关，与光场的手性也有密切联系。因此，通过激发光场手性以获取更强的非对称因子对圆二色性检测，即区分手性分子具有非常重要的作用，这为生物、物理和化学等诸多领域提供了一种高精度、非接触式检测手性分子的工具。

最初，研究学者发现在两个手性相反且传播方向相反的相干圆偏振光束诱导的驻波节点上可以产生超手性光场，但是超手性区域的厚度非常小，这就给手性分子的进一步检测带来了困难。近年来，研究者们发现通过复杂光场的空间工程，既调控电磁场的振幅及其在空间中的分布能够获得非对称因子大于普通圆偏振的光场，即超手性光场。超手性光场与手性分子相互作用时，手性分子的电偶极-磁偶极混合跃迁机制被增强，而纯电偶级跃迁被抑制，因此有助于实现圆二色信号的提升。然而，现有的生成超手性光场的技术中，非对称因子都不够高。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种产生超手性光场的装置，获得比普通圆偏振光场更强的非对称因子分布。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种产生超手性光场的装置，包括扩束准直系统、径向偏振一阶涡旋光束生成系统和超手性光场生成系统；所述扩束准直系统包括依次设置的凹透镜和凸透镜，所述径向偏振一阶涡旋光束生成系统包括依次设置的1/4波片、径向偏振片和螺旋相位片，所述超手性光场生成系统包括依次设置的圆形光阑、高数值孔径物镜和一维光子晶体；所述高数值孔径物镜和一维光子晶体间包含介质匹配油溶液；所述一维光子晶体另一表面包含介质水溶液；

激光器输出的激光束依次经过凹透镜和凸透镜扩束准直后入射至1/4波片由线偏振光转化成圆偏振光，再通过径向偏振片后转化成径向偏振光束，然后通过螺旋相位片后转化为径向偏振一阶涡旋光束，将携带相位信息的径向偏振一阶涡旋光束经过圆形光阑进行空间滤波，然后将被限制后的光束通过高数值孔径物镜紧聚焦在一维光子晶体最后一层界面上，并在一维光子晶体表面的介质水溶液中生成非对称因子高于普通圆偏振的超手性光场。

本发明进一步改进在于：其中一维光子晶体由两种不同介质且厚度不同的材料交替分布，且周期数为10。

本发明进一步改进在于：圆偏振光的中心与径向偏振片的中心重合，径向偏振光的中心与螺旋相位片的中心重合，扩束后的光斑尺寸与物镜的入瞳尺寸相同，且焦点在一维光子晶体的最后一层界面上。

圆形光阑的半径所限制的入射光角度在略小于匹配油溶液和水溶液构成的全反射临界角θc的范围内可调，本装置产生的超手性光场的非对称因子比普通圆偏振光场提升十余倍。

有益效果：本发明提出的产生超手性光场的装置和方法在一系列涉及手性光学的领域都有着重大的应用前景。本发明的性能强大，装置所生成的超手性光场具有高于普通圆偏振光场十倍以上的非对称因子，有利于对手性分子进行局部检测。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为一维光子晶体的透射系数曲线；

图3为改变圆形光阑的半径将入射光角度的下限限制在0.99θc下非对称因子增强系数的横向分布；

图4为图1中所产生的超手性光场的电场横向分量以及纵向分量、磁场的横向分量和非对称因子增强系数的横向平面分布；

图5为图1中所产生的超手性光场的电场横向分量以及纵向分量、磁场的横向分量和非对称因子增强系数的纵向平面分布。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种产生超手性光场的装置，包括扩束准直系统、径向偏振一阶涡旋光束生成系统和超手性光场生成系统；所述扩束准直系统包括凹透镜2和凸透镜3，所述径向偏振一阶涡旋光束生成系统包括1/4波片4、径向偏振片5和螺旋相位片6，所述超手性光场生成系统包括圆形光阑7、高数值孔径物镜8和一维光子晶体9；所述高数值孔径物镜8和一维光子晶体9间包含介质匹配油溶液；所述一维光子晶体9另一表面包含介质水溶液；所述高数值孔径物镜8的数值孔径为1.33；所述一维光子晶体由折射率分别为2.15和3.5的介质交替分布，厚度分别为55纳米和50纳米，周期数为10；所述一维光子晶体另一表面包含介质水溶液。

激光器输出的激光束1依次经过凹透镜2和凸透镜3扩束准直后入射至1/4波片4由线偏振光转化成圆偏振光，再通过径向偏振片5后转化成径向偏振光束，然后通过螺旋相位片6后转化为径向偏振一阶涡旋光束，将携带相位信息的径向偏振一阶涡旋光束经过圆形光阑7进行空间滤波，然后将被限制后的光束通过高数值孔径物镜8紧聚焦在一维光子晶体9最后一层界面上，并在一维光子晶体9表面的介质水溶液中生成非对称因子高于普通圆偏振的超手性光场。

所述一维光子晶体9由两种不同介质且厚度不同的材料交替分布，且周期数为10。所述圆偏振光的中心与径向偏振片5的中心重合，径向偏振光的中心与螺旋相位片6的中心重合，扩束后的光斑尺寸与物镜的入瞳尺寸相同，且焦点在一维光子晶体9的最后一层界面上。

所述圆形光阑7的半径所限制的入射光角度在略小于匹配油溶液和水溶液构成的全反射临界角θc的范围内可调，本装置产生的超手性光场的非对称因子比普通圆偏振光场提升十余倍。

当一束径向偏振一阶涡旋光束在紧聚焦之后从一维光子晶体一侧垂直照射到另一侧时，一维光子晶体的透射系数曲线如图2所示，可知透射峰的位置略小于全反射临界角θc，θc表示由匹配油溶液和水溶液构成的全反射临界角。如图3所示，改变圆形光阑的半径将入射光角度的下限限制在0.99θc，高数值孔径物镜将入射光角度上限限制在θna，可得到焦平面非对称因子增强系数的横向分布。同时也可得到焦点处的电磁场分布，如图4、5所示，电场的横向分量e||几乎为零，电场的纵向分量ez作为主导分量，由于干涉相消，在横向平面呈现甜甜圈形状的分布，由于径向偏振光不存在磁场的纵向分量hz，所以只存在横向分量h||，同时可以看到沿纵轴方向，ez、h||振幅变化缓慢，从非对称因子增强系数的分布可以看到超手性光场的非对称因子比普通圆偏振光场提升了17倍，而且横截面非常狭窄，光场在纵轴方向延展如一根光针，有利于对分散的手性样品分子进行检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。