自聚焦光束發(fā)生器及其設計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自聚焦光束發(fā)生器及其設計方法。該自聚焦光束發(fā)生器的設計方法包括：給定一束線偏振光，創(chuàng)建天線數(shù)據(jù)庫；對預期的環(huán)形艾里光束傳播初始平面的電場的振幅和相位分別進行量化，得到多個量化的第一振幅和多個量化的第一相位；從天線數(shù)據(jù)庫中選擇出多個能產(chǎn)生第一振幅和第一相位的天線結構；利用多個天線結構組成二維天線陣列；由基底和具有二維天線陣列的金屬膜組成自聚焦光束發(fā)生器。本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器的設計方法，設計出的自聚焦光束發(fā)生器可以實現(xiàn)全波段的光束自聚焦效應，對產(chǎn)生的正交偏振散射光的振幅和相位同時調(diào)制，填補了紅外波段、太赫茲波段、以及微波波段產(chǎn)生自聚焦光束的空白。
【專利說明】
自聚焦光束發(fā)生器及其設計方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及光學領域，尤其涉及一種自聚焦光束發(fā)生器及其設計方法。
【背景技術】
[0002] -般來講，想要實現(xiàn)光波的聚焦需要通過聚焦光學元件，比如，透鏡，菲涅爾波帶 片。但通過這種方式聚焦的光束在聚焦的過程中，光強是逐漸增大的，也就是說在靠近焦點 處也會有很高的能量。在一些實際應用中，焦點之外的能量可能會帶來不便。因此，需要引 入一種突然的自聚焦光束來解決這一問題。突然自聚焦的光束在傳播的過程中可以一直保 持很低的能量，直到焦點處，光能量會迅速聚積，而這一過程并不需要任何的透鏡和非線性 介質(zhì)。環(huán)形艾里光束(ring-Airy beam，RAB)就是一種典型的自聚焦光束，它可以被用于激 光刻蝕，激光手術，以及粒子光操控等領域。
[0003] 現(xiàn)有的產(chǎn)生RAB的方法是計算全息，需要利用空間光調(diào)制器來實現(xiàn)。具體可分為兩 類，一類是通過在純相位反射式的空間光調(diào)制器(spatial light modulator，SLM)上加載 環(huán)形艾里光場的傅里葉變換信息，然后通過一個透鏡對反射波進行傅里葉變化來實現(xiàn);另 一類是將RAB和一個平面波干涉的強度圖案加載在SLM上，然后通過一個4f系統(tǒng)產(chǎn)生RAB。
[0004] 利用計算全息的方法總是會引入零級峰和多級衍射，這些都會造成很大的能量損 失。更重要的一點是，由于只有可見光波段有空間光調(diào)制器，因此，目前產(chǎn)生的RAB也僅限于 可見光波段。在太赫茲波段以及其他電磁波段還沒有用來產(chǎn)生RAB的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是填補微波段、太赫茲波段與紅外波段產(chǎn)生自聚焦光束研究的空 白，克服現(xiàn)有產(chǎn)生RAB方法存在的引入零級光斑和多級衍射的問題。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種自聚焦光束發(fā)生器及其設計方法。
[0007] 該自聚焦光束發(fā)生器的設計方法包括：
[0008] 給定一束線偏振光，創(chuàng)建天線數(shù)據(jù)庫；
[0009] 對預期的環(huán)形艾里光束傳播初始平面的電場的振幅和相位分別進行量化，得到多 個量化的第一振幅和多個量化的第一相位；
[0010] 從所述天線數(shù)據(jù)庫中選擇出多個能產(chǎn)生所述第一振幅和所述第一相位的天線結 構；
[0011] 利用所述多個天線結構組成二維天線陣列；
[0012] 由基底和具有所述二維天線陣列的金屬膜組成所述自聚焦光束發(fā)生器。
[0013] 優(yōu)選地，所述線偏振光為水平偏振的太赫茲光。
[0014] 優(yōu)選地，所述多個天線結構為"C"形結構。
[0015] 優(yōu)選地，所述天線的開口角度Θ的取值范圍為〇〈θ<3?。
[0016] 優(yōu)選地，所述天線的對稱軸的方位角邱勺取值范圍為-π彡β彡π。
[0017]優(yōu)選地，所述多個量化的第一相位為兩個，分別為:π和2π;所述多個量化的第一振 幅為16個，所述16個第一振幅的變化間隔為最大光強的1 /16。
[0018] 優(yōu)選地，所述二維天線陣列的相鄰兩個天線結構的間隔為亞波長。
[0019] 優(yōu)選地，所述基底采用硅半導體、砷化鎵半導體或石英中的一種;所述金屬膜采用 金、銀、銅或鋁中的一種。
[0020] 根據(jù)上述方法設計的自聚焦光束發(fā)生器可用于實現(xiàn)全波段的光束自聚焦。該自聚 焦光束發(fā)生器包括：
[0021] 基底；
[0022]金屬膜，設置在所述基底上，所述金屬膜具有二維天線陣列結構，所述二維天線陣 列包含多個天線結構；
[0023]所述多個天線結構為"(Τ'形結構。
[0024]所述基底采用硅半導體、砷化鎵半導體或石英中的一種;所述金屬膜采用金、銀、 銅或鋁中的一種。
[0025]優(yōu)選地，所述二維天線陣列的相鄰兩個天線結構的間隔為亞波長。
[0026] 本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器的設計方法，設計出的自聚焦光束發(fā)生器可以 實現(xiàn)全波段的光束自聚焦效應，對產(chǎn)生的正交偏振散射光的振幅和相位同時調(diào)制，填補了 紅外波段、太赫茲波段、以及微波波段產(chǎn)生自聚焦光束的空白。并且因為天線單元是亞波長 量級，因此在使用時不會引入多級衍射，也不會像現(xiàn)有技術中的SLM產(chǎn)生沒有用的零級光 斑，提高了能量利用率。另外本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器是透射式器件，與現(xiàn)有的反 射式SLM相比，使用方便，又是通過在比如硅基底上刻制二維金屬天線陣列制作而成，相比 現(xiàn)有的空間光調(diào)制器體積大大縮小，實現(xiàn)了光學器件的小型化。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器的部分結構示意圖。
[0028] 圖2是本發(fā)明實施例的"(Τ'形天線的結構示意圖。
[0029] 圖3是本發(fā)明實施例的0·8ΤΗζ的水平偏振光透過參數(shù)為R = 4〇ym、r = 3〇ym、0 = 100°的Τ'形天線產(chǎn)生的正交偏振的散射光的振幅和相位隨邱勺變化曲線。
[0030] 圖4(a)是本發(fā)明實施例的參數(shù)為r〇 = 1.0mm，w = 0.3mm，a = 0.3的RAB初始平面電 場的振幅分布的理論值。
[0031 ] 圖4(b)是本發(fā)明實施例的參數(shù)為r〇 = 1.0mm，w = 0.3mm，a = 0.3的RAB初始平面電 場的相位分布的理論值。
[0032] 圖4(c)是本發(fā)明實施例的參數(shù)為r〇 = 1.0mm，w = 0.3mm，a = 0.3的RAB初始平面電 場的振幅16階量化之后的振幅分布的理論值。
[0033] 圖5(a)是本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器通過實驗產(chǎn)生的RAB初始平面光場的 強度分布。
[0034] 圖5(b)是本發(fā)明實施例的參數(shù)為r〇 = 1.0mm，w = 0.3mm，a = 0.3的RAB初始平面光 場的強度分布的理論值。
[0035]圖5(c)是本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器分別通過實驗和理論模擬產(chǎn)生的RAB 初始平面光場沿徑向的強度分布曲線對比圖。
[0036]圖6(a)是本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器通過實驗產(chǎn)生的RAB光場在傳播過程 中的光強分布。
[0037] 圖6(b)是本發(fā)明實施例的預期的RAB通過菲涅爾衍射模擬得到的在傳播過程中的 光強分布。
[0038] 圖6(c)是本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器分別通過實驗和菲涅爾衍射模擬產(chǎn) 生的RAB光場在傳播過程中光軸上的光強分布曲線對比圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。
[0040] 本發(fā)明實施例設計出了由一系列的C形金屬狹縫天線組成的自聚焦光束發(fā)生器， 實現(xiàn)了在全波段產(chǎn)生自聚焦光束。
[0041 ]圖1是本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器的部分結構示意圖。該自聚焦光束發(fā)生 器可用于全波段產(chǎn)生自聚焦光束。如圖所示，該自聚焦光束發(fā)生器包括：基底11和金屬膜 12?；?1的材料采用對所用光波段具有高透過率的材料，如硅半導體、砷化鎵半導體、石 英等在太赫茲波段透過率比較高?；?1的厚度范圍為300μπι~ΙΟΟΟμπι。金屬膜12可采用良 導體，如金、銀、銅、鋁等貴金屬，厚度范圍采用遠小于入射光波長的范圍，當入射光采用太 赫茲光時，其厚度可選的范圍為lOOnm~5000nm，設置在基底11上。金屬膜12上刻有天線陣 列13,可以是方形陣列、圓形陣列或其他形狀的陣列，陣列的大小具體根據(jù)入射光斑的大小 來設定。每一個天線陣元的形狀是"C"形，相鄰兩個天線陣元之間的間隔大小為亞波長。天 線陣元可以是狹縫，此時相鄰陣元之間是良導體;天線陣元也可以由良導體制成，此時相鄰 陣元之間是空氣。當陣元的結構及陣列的排布都相同時，分別包含這兩種形式的天線陣元 的兩種對應天線陣列，稱其中一種為另一種的反結構天線陣列。
[0042] 圖2是本發(fā)明實施例的"C"形天線的結構示意圖。如圖2所示，該"C"形天線的外半 徑R和內(nèi)半徑r的大小根據(jù)入射光的波長來確定，波長越大，R和r均越大。R和r和差值，即天 線的寬度根據(jù)入射光的透過率大小來確定。天線的開口角度為Θ，取值范圍為O〈0<jt。天線 對稱軸的方位角為β，取值范圍為當一束線偏振光入射到該C形天線上時，會激發(fā) 出散射光。散射光中，與入射線偏振光的偏振方向垂直的正交偏振散射光的相位和振幅分 別與天線的開口角度Θ和天線對稱軸的方位角β有關，且滿足麥克斯韋方程組。該正交偏振 散射光的振幅的調(diào)制通過旋轉(zhuǎn)"C"形狹縫，即改變"C"形天線對稱軸的方位角β來實現(xiàn)，相位 的調(diào)制通過調(diào)節(jié)τ'形天線的開口角度Θ來實現(xiàn)。
[0043] 如上所述，當線偏振光入射時，激發(fā)的正交偏振的散射光的振幅與天線對稱軸的 方位角β有關，相位與天線的開口角度Θ有關。因此，可以設計出一系列可以激發(fā)出具有不同 振幅和相位的正交偏振的散射光的"C"形天線，由它們組成二維天線陣列，實現(xiàn)自聚焦光 束。該設計方法具體包括以下步驟：
[0044] 301、給定一束線偏振光，創(chuàng)建天線數(shù)據(jù)庫。
[0045] 給定線偏振光的頻率，根據(jù)線偏振光的頻率確定天線的外半徑和內(nèi)半徑，并確定 一個合適的Θ值，通過改變天線的對稱軸方位角β，得到一組具有相同Θ值和不同β值的天線。 [0046]本發(fā)明實施例中，入射光為水平偏振的太赫茲光，頻率為0.8ΤΗΖ，天線的外半徑和 內(nèi)半徑分別為40μπι和30μπι，θ = 100°，β從-45°變化到45°。
[0047] 圖3是本發(fā)明實施例的0·8ΤΗζ的水平偏振光透過參數(shù)為R = 4〇ym、r = 3〇ym、0 = 100°的"C"形天線產(chǎn)生的正交偏振的散射光的振幅和相位隨邱勺變化曲線。該曲線是通過求 解麥克斯韋方程組得到。求解麥克斯韋方程組的方法可采用有限元法、時域有限差分方法 (finite-difference time-domain method，F(xiàn)DTD)、邊界元法等。本發(fā)明實施例中是利用基 于FDTD的商業(yè)模擬軟件FDTD Solution軟件對入射線偏振光透過C形天線產(chǎn)生的散射場進 行模擬仿真，進而得到正交偏振散射光的振幅和相位。由圖3可見，0.8THz的水平偏振光入 射到隨著對稱軸方位角β變化的"C"形天線上時，其產(chǎn)生的正交偏振的散射光的相位值只包 括31和231兩個值，振幅是從〇到最大值連續(xù)變化的。
[0048] 302、對預期的環(huán)形艾里光束(RAB)傳播初始平面的電場的振幅和相位分別進行量 化，得到多個量化的第一振幅和多個量化的第一相位。
[0049] RAB在其初始平面的電場分布為：
[0051] 其中，r是光環(huán)的半徑，ro是主環(huán)半徑，w和a分別是縮放長度和截斷因子。
[0052] 根據(jù)公式(1)可計算得到任意RAB初始平面電場的振幅分布和相位分布。
[0053] 本發(fā)明實施例中，選擇r〇=l .0mm，w = 0.3mm，a = 0.3。
[0054] 圖4(a)是本發(fā)明實施例的參數(shù)為r〇 = 1.0mm, w = 0.3mm,a = 0.3的RAB初始平面電 場的振幅分布的理論值。振幅從〇到最大值連續(xù)變化。
[0055] 圖4(b)是本發(fā)明實施例的參數(shù)為r〇 = 1.0mm,w = 0.3mm,a = 0.3的RAB初始平面電 場的相位分布的理論值。相位值只包括和231兩個值。
[0056] 圖4(c)是本發(fā)明實施例的參數(shù)為r〇 = 1.0mm,w = 0.3mm,a = 0.3的RAB初始平面電 場的振幅16階量化之后的振幅分布的理論值。為了從天線數(shù)據(jù)庫中選擇適當數(shù)量的天線， 需要對振幅值和相位值進行量化。因為相位值只包括η和2π兩個值，因此得到兩個量化的第 一相位分別為η和加。振幅值是連續(xù)變化的，因此需要將連續(xù)的振幅值進行量化以得到一定 數(shù)量的量化的第一振幅。將振幅值從〇到最大值進行N階量化，N的值一般選擇大于8的任意 數(shù)值，且越大越好。本發(fā)明實施例中，選取N=16,即對產(chǎn)生的RAB初始平面電場的振幅進行 了 16階量化，得到16個不同的第一振幅，第一振幅值從0變化到最大值，變化間隔為最大光 強的1/16。
[0057] 303、從天線數(shù)據(jù)庫中選擇出能產(chǎn)生具有上述第一振幅和第一相位的天線結構。
[0058]從天線數(shù)據(jù)庫中選擇滿足條件的天線結構，本發(fā)明實施例中，在產(chǎn)生的正交偏振 散射光的第一相位為2π的天線結構中，選擇16個具有上述步驟中量化后的16個第一振幅值 的天線結構，其對稱軸方位角 β 分別為-1°，-3°，-4°，-6°，-7°，-8°，-9°，-10°，-12°，-13°，-17°，-19°，-21°，-25°，-30°，-45°。再從產(chǎn)生的正交偏振散射光的第一相位為π的天線結構 中，選擇16個具有上述步驟中量化后的16個第一振幅值的天線結構，這16個天線結構與第 一相位為2π的16個天線結構互為鏡面對稱結構，其對稱軸方位角β分別為1° ,3° ,4° ,6° ,7°， 8°,9°,10°,12°,13°,17°,19°,21°,25°,30°,45°。
[0059] 304、利用上述步驟中選擇的天線結構組成二維天線陣列。
[0060]根據(jù)公式（1)，可以知道所選擇的每個天線的坐標，以及每個坐標上對應的振幅和 相位的量化值。按照該坐標將所需天線陣元填充到二維陣列的相應位置，便可以得到一個 二維天線陣列。
[0061] 本發(fā)明實施例中，將選擇好的32個天線陣元按照由公式（1)得到量化之后的RAB初 始場的振幅相位分布填充到相應的位置，便可以得到一個二維天線陣列。該天線陣列由1〇〇 X 100個陣元組成，相鄰兩個天線的間距為100M1，即該二維天線陣列的總面積為10 X 10mm2 〇
[0062] 305、由基底和步驟304設計的二維天線陣列的金屬膜組成自聚焦光束發(fā)生器。
[0063] 包括:選定基底的材料、厚度，選定金屬膜的材料、厚度，將金屬膜設置在基底上， 在金屬膜上刻制步驟304得到的二維天線陣列，得到自聚焦光束發(fā)生器。
[0064] 基底11的材料采用對所用光波段具有高透過率的材料，如硅半導體、砷化鎵半導 體、石英等在太赫茲波段透過率比較高。金屬膜12可采用良導體，如金、銀、銅、鋁等貴金屬， 厚度范圍采用遠小于入射光波長的范圍，當入射光采用太赫茲光時，其厚度可選的范圍為 100nm~5000nm〇
[0065] 本發(fā)明實施例中，基底11的材料采用高阻硅半導體，厚度為500μπι;金屬膜12采用 金材質(zhì)，厚度為100nm〇
[0066] 本發(fā)明實施例中的二維天線陣列也可以設計為上述結構的反結構天線陣列，由這 兩種結構的天線陣列設計而成的自聚焦光束發(fā)生器能夠產(chǎn)生相同的光場分布。
[0067] 利用太赫茲成像系統(tǒng)測試了本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器產(chǎn)生的RAB光場在 初始面的強度分布以及其傳播過程中的自聚焦性能。同時，也利用菲涅爾衍射做了相應的 模擬。
[0068] 圖5(a)是本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器通過實驗產(chǎn)生的RAB初始平面光場的 強度分布。
[0069] 圖5(b)是本發(fā)明實施例的參數(shù)為r〇 = 1.0mm，w = 0.3mm，a = 0.3的RAB初始平面光 場的強度分布的理論值。
[0070] 圖5(c)是本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器分別通過實驗和理論模擬產(chǎn)生的RAB 初始平面光場沿徑向的強度分布曲線對比圖。
[0071] 對比圖5(a)和圖5(b)，本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器通過實驗產(chǎn)生的RAB初 始平面光場的強度分布與通過公式（1)模擬產(chǎn)生的RAB初始平面光場的強度分布基本一致。 圖5(c)中實線和虛線分別代表模擬值和實驗值，可見沿徑向的強度分布的實驗值與模擬值 也吻合的很好。說明了該自聚焦光束發(fā)生器的有效性以及該自聚焦光束發(fā)生器設計方法的 可行性。
[0072] 圖6(a)是本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器通過實驗產(chǎn)生的RAB光場在傳播過程 中的光強分布。
[0073] 圖6(b)是本發(fā)明實施例的預期的RAB通過菲涅爾衍射模擬得到的在傳播過程中的 光強分布。
[0074] 圖6(c)是本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器分別通過實驗和菲涅爾衍射模擬產(chǎn) 生的RAB光場在傳播過程中光軸上的光強分布曲線對比圖。
[0075] 實驗發(fā)現(xiàn)不經(jīng)過透鏡，產(chǎn)生的RAB在傳播的過程中就可以實現(xiàn)突然的自聚焦，對比 圖6(a)和圖6(b)發(fā)現(xiàn)實驗聚焦焦點的位置與模擬聚焦焦點的位置一樣。
[0076] 圖6(c)中，曲線的最高點代表光強最大，對應位置即為焦點位置，實線和虛線分別 代表模擬值和實驗值?？梢妼嶒炁c模擬得到的兩個焦點也重合得很好。
[0077] 綜上所述，通過本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器的設計方法，設計出的自聚焦 光束發(fā)生器可以實現(xiàn)全波段的光束自聚焦效應，對產(chǎn)生的正交偏振散射光的振幅和相位同 時調(diào)制，填補了紅外波段、太赫茲波段、以及微波波段產(chǎn)生自聚焦光束的空白。并且因為天 線單元是亞波長量級，因此在使用時不會引入多級衍射，也不會像現(xiàn)有技術中的SLM產(chǎn)生沒 有用的零級光斑，提高了能量利用率。另外本發(fā)明實施例的自聚焦光束發(fā)生器是透射式器 件，與現(xiàn)有的反射式SLM相比，使用方便，又是通過在比如硅基底上刻制二維金屬天線陣列 制作而成，相比現(xiàn)有的空間光調(diào)制器體積大大縮小，實現(xiàn)了光學器件的小型化。
[0078] 以上所述的【具體實施方式】，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步 詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】而已，并不用于限定本發(fā)明 的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含 在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種自聚焦光束發(fā)生器的設計方法，其特征在于，所述自聚焦光束發(fā)生器的設計方 法包括： 給定一束線偏振光，創(chuàng)建天線數(shù)據(jù)庫； 對預期的環(huán)形艾里光束傳播初始平面的電場的振幅和相位分別進行量化，得到多個量 化的第一振幅和多個量化的第一相位； 從所述天線數(shù)據(jù)庫中選擇出多個能產(chǎn)生所述第一振幅和所述第一相位的天線結構； 利用所述多個天線結構組成二維天線陣列； 由基底和具有所述二維天線陣列的金屬膜組成所述自聚焦光束發(fā)生器。2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述線偏振光為水平偏振的太赫茲光。3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個天線結構為"C"形結構。4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述天線的開口角度Θ的取值范圍為0〈θ< JI〇5. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述天線的對稱軸的方位角β的取值范圍 為6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個量化的第一相位為兩個，分別為π 和2π;所述多個量化的第一振幅為16個，所述16個第一振幅的變化間隔為最大光強的1/16。7. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述二維天線陣列的相鄰兩個天線結構的 間隔為亞波長。8. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底采用硅半導體、砷化鎵半導體或 石英中的一種;所述金屬膜采用金、銀、銅或鋁中的一種。9. 一種根據(jù)權利要求1所述的方法設計的自聚焦光束發(fā)生器，用于實現(xiàn)在全波段產(chǎn)生 自聚焦光束，其特征在于，所述自聚焦光束發(fā)生器包括： 基底； 金屬膜，設置在所述基底上，所述金屬膜具有二維天線陣列結構，所述二維天線陣列包 含多個天線結構； 所述多個天線結構為"C"形結構； 所述基底采用硅半導體、砷化鎵半導體或石英中的一種； 所述金屬膜采用金、銀、銅或鋁中的一種。10. 根據(jù)權利要求9所述的自聚焦光束發(fā)生器，其特征在于，所述二維天線陣列的相鄰 兩個天線結構的間隔為亞波長。
【文檔編號】G02B27/09GK106094217SQ201610393052
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610393052.9, CN 106094217 A, CN 106094217A, CN 201610393052, CN-A-106094217, CN106094217 A, CN106094217A, CN201610393052, CN201610393052.9
【發(fā)明人】張巖, 賀敬文
【申請人】首都師范大學