CN105785581B - 一种用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法，属于光学技术领域。本发明针对微结构器件的沟槽结构进行设计。步骤1：计算沟槽结构的最终蚀刻深度值h;步骤2：计算沟槽整体形状；其中，预设参数：光源波长λ，微结构器件材料折射率n_s，填充因子a/d，蚀刻深度初值h₀，周期宽度d，半径R，沟槽数量n；所述半径R为器件本体最大圆周处的点至器件本体中心的距离；步骤3：根据步骤1、2形成微结构器件。本发明设计简单且精度高，获得的偏振光束偏振质量高。

Description

一种用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法。

背景技术

偏振性是光的一种基本特性。当光与物质相互作用时，由于物质对于不同偏振态的光具有不同的响应，这就决定了对于矢量空间变化旋转对称的偏振光的重要需求。除此之外，该类偏振光由于其偏振方向具有特殊的对称性，使其在光通讯、动态光存储、量子光学、粒子操控等领域具有广阔应用前景。在矢量空间变化旋转对称的偏振光中，目前应用和研究最多的是径向偏振光和角向偏振光。其产生方法主要有两大类方案：一类是腔内法，即在激光腔内直接添加特殊光学元器件产生偏振光，如在激光器的谐振腔中放置双折射晶体等介质，通过选模的方法来产生角向偏振光；另一类是腔外法，如螺旋相位板法，组合波片法，相干偏振操纵法，使用径向偏振光转换器等。然而，现有径向偏振光和角向偏振光的产生方法往往比较复杂，成本过高，操作及产生光束的过程非常繁琐。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、偏振质量高、容易调试的用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法，以解决上述技术问题。

本发明提供一种用于产生旋转对称偏振光的微结构器件设计方法，所述微结构器件包括器件本体，所述器件本体至少具有透光区域，所述透光区域上设有沟槽结构；所述沟槽结构由交错布置的突起条纹和凹陷条纹构成；其中，预设参数：光源波长λ，微结构器件材料折射率n_s，填充因子a/d，蚀刻深度初值h₀，周期宽度d半径R，沟槽数量n； 所述半径R为器件本体最大圆周处的点至器件本体中心的距离；

步骤1：计算沟槽结构的最终蚀刻深度值h;

步骤2：计算沟槽整体形状；

步骤3：根据步骤1、2形成微结构器件。

该设计方法主要设计了微结构器件的沟槽结构，通过设计控制沟槽的蚀刻结构和方向，可达到控制不同出射光偏振方向目的，进而在实际应用中可产生矢量空间变化旋转对称的偏振光，如径向偏振光场或角向偏振光场。沟槽参数与出射光参数之间的关系通过严格耦合波理论分析得到，有相当高的精度。

作为优选，步骤1包括：

步骤1.1：将预设参数代入严格耦合波方程计算出射光电矢量在x和y方向上振动的复振幅Tx_n和Ty_n；

步骤1.2：检验Tx_n和Ty_n是否满足出射光的约束条件：如果不满足，进入步骤1.3更新蚀刻深度值；如果满足，确定最终蚀刻深度值，进行步骤1.4；

步骤1.3：更新蚀刻深度值，第一次更新的是蚀刻深度初值h₀，之后更新的是前一次蚀刻深度值；更新后的蚀刻深度值进入步骤1.1,与其他预设参数计算新的复振幅Tx_n’和Ty_n’;

步骤1.4：确定周期宽度d和最终蚀刻深度值h为微结构器件的局部参数。

作为优选，所述周期宽度d与器件本体周长和沟槽数量有关，或为受加工情况确定的定值。

作为优选，取多个器件本体半径在0-R之间的数值，获得多个周期宽度d，对每个周期宽度，进行上述步骤1-3的计算。

作为优选，所述步骤1.4包括检测多个周期宽度d是否均已执行过步骤1-3，若否，则继续针对每个周期宽度执行步骤1-3；若是，将满足步骤1.2条件的周期宽度d和最终蚀刻深度值h保存，作为微结构器件的局部参数。

作为优选，所述步骤2中计算沟槽整体形状进一步包括计算沟槽交界线的形状，其中沟槽交界线为沟槽凸起条纹和凹陷条纹之间的相交线；所述沟槽交界线的数量为所述沟槽数量的两倍；任意条沟槽交界线满足极坐标函数，以产生矢量空间变化旋转对称的偏振光。

作为优选，填充因子a/d优选为1/2。

作为优选，所述步骤1.2的出射光的约束条件为：

（1）除0级外，其他级次的出射光为0；

（2）透射光0级的电矢量复振幅在x和y两个方向上大小相等；

（3）透射光0级的电矢量复振幅在x和y两个方向上相位相差π/2。

作为优选，所述步骤1.3的更新蚀刻深度值满足：更新后的蚀刻深度值=前一次蚀刻深度值+步长深度值；所述步长深度值在更新过程中为定值。

本发明具有以下有益效果：

本发明用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法，设计简单且精度高，获得的偏振光束偏振质量高。

附图说明

图1为本发明用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法的流程框图；

图2为图1中步骤1的流程框图；

图3为根据图1设计的沟槽结构的局部结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明为用于获取矢量空间变化旋转对称的偏振光的微结构器件的设计方法，用于形成微结构器件。所述微结构器件包括器件本体，该器件本体优选为圆形薄片状。所述器件本体至少具有透光区域。所述透光区域上浮雕有沟槽结构。所述沟槽结构由若干条凹陷条纹和若干条突起条纹交错分布构成。

根据矢量光学理论，光波的偏振电矢量可以看作是电矢量垂直于入射面的偏振（s矢量）与电矢量平行于入射面的偏振（p矢量）的叠加。当光束入射如图3所示的周期性沟槽结构时，其出射光束的方向、振幅和相位均会发生相应的变化，其变化的具体数值同沟槽结构的周期宽度d、最终蚀刻深度h、填充因子（a与d的比值）以及材料折射率n_s密切相关。其中，填充因子为一常数，一般为便于加工，可优选为1/2，即所述凹陷条纹的宽度与所述突起条纹的宽度相等；所述材料折射率也为定值，当制成该微结构器件的材料一定时，材料折射率则一定，该微结构器件优选为高折射率透明光学材料。当这四个主要参数均为合适数值时，器件可使入射光束的s矢量和p矢量产生一个π/2的相差，而对s矢量和p矢量的振幅比以及光束的传播方向不形成改变。

如图1-3。预设参数为：光源波长λ，微结构器件材料折射率n_s，填充因子a/d，蚀刻深度初值h₀，周期宽度d，半径R； 所述半径R为器件本体最大圆周处的点至器件本体中心的距离。一般光源波长λ对应的波段为近红外到可见光，周期宽度d大约为200nm到1600nm，蚀刻深度初值h₀大约为400nm到1000nm。所述填充因子a/d在0-1之间。其中，所述周期宽度d可以根据器件本体周长除以沟槽数量获得，或根据实际加工便利性而人为确定。假定与s矢量夹角为45°的线偏光入射器件，根据严格耦合波理论，列出相应的严格耦合波方程组。

步骤1：计算沟槽结构的最终蚀刻深度值h;

步骤1.1：将预设参数代入严格耦合波方程计算出射光电矢量在x和y方向上振动的复振幅Tx_n和Ty_n；

步骤1.2：检验Tx_n和Ty_n是否满足出射光的约束条件：

（1）除0级外，其他级次的出射光为0：T_xn=0,T_yn=0,n≠0 ;

（2）透射光0级的电矢量复振幅在x和y两个方向上大小相等：│T_x0│=│T_y0│;

（3）透射光0级的电矢量复振幅在x和y两个方向上相位相差π/2：arg(T_x0)-arg(T_y0)=π/2。

如果不满足，舍弃该蚀刻深度值，进入步骤1.3更新蚀刻深度值；如果满足，确定最终蚀刻深度值，进行步骤1.4；

步骤1.3：更新蚀刻深度值，第一次更新的是蚀刻深度初值h₀，之后更新的是前一次蚀刻深度值；更新后的蚀刻深度值进入步骤1.1,与其他预设参数计算新的复振幅Tx_n’和Ty_n’; 步骤1.3的更新蚀刻深度值满足：更新后的蚀刻深度值=前一次蚀刻深度值+步长深度值；所述步长深度值在更新过程中为定值，为0-10nm。

步骤1.4：确定周期宽度d和最终蚀刻深度值h为微结构器件的局部参数。其中，所述步骤1.4还包括检测多个周期宽度d是否均已执行过步骤1-3，若否，则继续针对每个周期宽度执行步骤1-3；若是则将满足步骤1.2条件的周期宽度d和最终蚀刻深度值h保存，作为微结构器件的局部参数。

步骤2：计算沟槽整体形状，进一步包括计算沟槽交界线的形状，其中沟槽交界线为沟槽凸起条纹和凹陷条纹之间的相交线；所述沟槽交界线的数量为所述沟槽数量的两倍；任意条沟槽交界线满足极坐标函数，以产生中心对称的空间矢量变化的偏振光，例如角向偏振光或径向偏振光。每条凸起条纹具有两侧相邻的凹陷条纹，且凸起条纹与不同相邻凹陷条纹构成曲率不同的交界线，在此我们将对同一条凸起条纹两侧的不同交界线划分为第一侧交界线和第二侧交界线。以角向偏振光为例进行说明，且本申请不局限于角向偏振光。刻蚀沟槽前首先要得到描述沟槽结构的函数。得到了第一侧交界线和第二侧交界线在以器件中心为原点建立的极坐标下的函数方程，整个器件的结构也就随之确定了。由于出射光为角向偏振光，在出射光场中某一点的偏振方向应与此点的方位角方向垂直。根据沟槽切线方向与出射光偏振方向夹角为45°的关系可得知，第一侧交界线和第二侧交界线在极坐标下的函数应为对数函数。

进一步具体计算第一侧交界线与第二侧交界线各自的形状，所述第一侧交界线或所述第二侧交界线的数量与所述沟槽数量相等；任意条第一侧交界线或第二侧交界线需满足极坐标函数。得到沟槽的描述函数后，就可以根据函数，在光学材料表面上刻蚀出相应的结构，以实现器件功能。

步骤3：根据步骤1、2形成微结构器件。

另外，取多个器件本体半径0-R之间的数值，可等间隔取多个器件本体半径，获得多个周期宽度d，对每个周期宽度，进行上述步骤1-3的计算。

根据上述方法，工艺加工成微结构器件，可应用于矢量空间变化旋转对称的偏振光获取装置内。

上面所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (7)

1.一种用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法，其特征在于，所述微结构器件包括器件本体，所述器件本体至少具有透光区域，所述透光区域上设有沟槽结构；所述沟槽结构由交错布置的突起条纹和凹陷条纹构成；其中，预设参数：光源波长λ，微结构器件材料折射率n_s，填充因子a/d，蚀刻深度初值h₀，周期宽度d，半径R，沟槽数量n；所述半径R为器件本体最大圆周处的点至器件本体中心的距离；

步骤1：计算沟槽结构的最终蚀刻深度值h；

步骤2：计算沟槽整体形状；

步骤3：根据步骤1、2形成微结构器件；

其中，步骤2中计算沟槽整体形状进一步包括计算沟槽交界线的形状，其中沟槽交界线为沟槽凸起条纹和凹陷条纹之间的相交线；所述沟槽交界线的数量为所述沟槽数量的两倍；任意条沟槽交界线满足极坐标函数，以产生矢量空间变化旋转对称的偏振光；步骤1包括：

步骤1.1：将预设参数代入严格耦合波方程计算出射光电矢量在x和y方向上振动的复振幅Tx_n和Ty_n；

步骤1.2：检验Tx_n和Ty_n是否满足出射光的约束条件：如果不满足，进入步骤1.3更新蚀刻深度值；如果满足，确定最终蚀刻深度值，进行步骤1.4；

步骤1.3：更新蚀刻深度值，第一次更新的是蚀刻深度初值h₀，之后更新的是前一次蚀刻深度值；更新后的蚀刻深度值进入步骤1.1，与其他预设参数计算新的复振幅Tx_n’和Ty_n’;

步骤1.4：确定周期宽度d和最终蚀刻深度值h为微结构器件的局部参数。

2.根据权利要求1所述一种用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法，其特征在于，所述周期宽度d与器件本体周长和沟槽数量有关，或为受加工情况确定的定值。

3.根据权利要求2所述一种用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法，其特征在于，取多个器件本体半径在0-R之间的数值，获得多个周期宽度d，对每个周期宽度，进行上述步骤1-3的计算。

4.根据权利要求3所述一种用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法，其特征在于，所述步骤1.4包括检测多个周期宽度d是否均已执行过步骤1-3，若否，则继续针对每个周期宽度执行步骤1-3；若是，将满足步骤1.2条件的周期宽度d和最终蚀刻深度值h保存，作为微结构器件的局部参数。

5.根据权利要求1所述一种用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法，其特征在于，填充因子a/d优选为1/2。

6.根据权利要求1所述一种用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法，其特征在于，步骤1.2的出射光的约束条件为：

除0级外，其他级次的出射光，在x和y两个方向上均为0：

透射光0级的电矢量复振幅在x和y两个方向上大小相等；

透射光0级的电矢量复振幅在x和y两个方向上相位相差π/2。

7.根据权利要求1所述一种用于产生旋转对称偏振光的微结构器件的设计方法，其特征在于，步骤1.3的更新蚀刻深度值满足：更新后的蚀刻深度值=前一次蚀刻深度值+步长深度值；所述步长深度值在更新过程中为定值。