自聚焦光束發(fā)生器及其設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法。該自聚焦光束發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法包括：給定一束線偏振光，創(chuàng)建天線數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)預(yù)期的環(huán)形艾里光束傳播初始平面的電場(chǎng)的振幅和相位分別進(jìn)行量化，得到多個(gè)量化的第一振幅和多個(gè)量化的第一相位；從天線數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇出多個(gè)能產(chǎn)生第一振幅和第一相位的天線結(jié)構(gòu)；利用多個(gè)天線結(jié)構(gòu)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(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出的自聚焦光束發(fā)生器可以實(shí)現(xiàn)全波段的光束自聚焦效應(yīng)，對(duì)產(chǎn)生的正交偏振散射光的振幅和相位同時(shí)調(diào)制，填補(bǔ)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(shuō)明】
自聚焦光束發(fā)生器及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種自聚焦光束發(fā)生器及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] -般來(lái)講，想要實(shí)現(xiàn)光波的聚焦需要通過(guò)聚焦光學(xué)元件，比如，透鏡，菲涅爾波帶 片。但通過(guò)這種方式聚焦的光束在聚焦的過(guò)程中，光強(qiáng)是逐漸增大的，也就是說(shuō)在靠近焦點(diǎn) 處也會(huì)有很高的能量。在一些實(shí)際應(yīng)用中，焦點(diǎn)之外的能量可能會(huì)帶來(lái)不便。因此，需要引 入一種突然的自聚焦光束來(lái)解決這一問(wèn)題。突然自聚焦的光束在傳播的過(guò)程中可以一直保 持很低的能量，直到焦點(diǎn)處，光能量會(huì)迅速聚積，而這一過(guò)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(shù)，以及粒子光操控等領(lǐng)域。
[0003] 現(xiàn)有的產(chǎn)生RAB的方法是計(jì)算全息，需要利用空間光調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體可分為兩 類，一類是通過(guò)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(chǎng)的傅里葉變換信息，然后通過(guò)一個(gè)透鏡對(duì)反射波進(jìn)行傅里葉變化來(lái)實(shí)現(xiàn);另 一類是將RAB和一個(gè)平面波干涉的強(qiáng)度圖案加載在SLM上，然后通過(guò)一個(gè)4f系統(tǒng)產(chǎn)生RAB。
[0004] 利用計(jì)算全息的方法總是會(huì)引入零級(jí)峰和多級(jí)衍射，這些都會(huì)造成很大的能量損 失。更重要的一點(diǎn)是，由于只有可見(jiàn)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(jiàn)光波段。在太赫茲波段以及其他電磁波段還沒(méi)有用來(lái)產(chǎn)生RAB的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是填補(bǔ)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(jí)光斑和多級(jí)衍射的問(wèn)題。
[0006] 為實(shí)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(shè)計(jì)方法。
[0007] 該自聚焦光束發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法包括：
[0008] 給定一束線偏振光，創(chuàng)建天線數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0009] 對(duì)預(yù)期的環(huán)形艾里光束傳播初始平面的電場(chǎng)的振幅和相位分別進(jìn)行量化，得到多 個(gè)量化的第一振幅和多個(gè)量化的第一相位；
[0010] 從所述天線數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇出多個(gè)能產(chǎn)生所述第一振幅和所述第一相位的天線結(jié) 構(gòu)；
[0011] 利用所述多個(gè)天線結(jié)構(gòu)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(gè)天線結(jié)構(gòu)為"C"形結(jié)構(gòu)。
[0015] 優(yōu)選地，所述天線的開(kāi)口角度Θ的取值范圍為〇〈θ<3?。
[0016] 優(yōu)選地，所述天線的對(duì)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(gè)量化的第一相位為兩個(gè)，分別為:π和2π;所述多個(gè)量化的第一振 幅為16個(gè)，所述16個(gè)第一振幅的變化間隔為最大光強(qiáng)的1 /16。
[0018] 優(yōu)選地，所述二維天線陣列的相鄰兩個(gè)天線結(jié)構(gòu)的間隔為亞波長(zhǎng)。
[0019] 優(yōu)選地，所述基底采用硅半導(dǎo)體、砷化鎵半導(dǎo)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(shè)計(jì)的自聚焦光束發(fā)生器可用于實(shí)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(shè)置在所述基底上，所述金屬膜具有二維天線陣列結(jié)構(gòu)，所述二維天線陣 列包含多個(gè)天線結(jié)構(gòu)；
[0023]所述多個(gè)天線結(jié)構(gòu)為"(Τ'形結(jié)構(gòu)。
[0024]所述基底采用硅半導(dǎo)體、砷化鎵半導(dǎo)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(gè)天線結(jié)構(gòu)的間隔為亞波長(zhǎng)。
[0026] 本發(fā)明實(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出的自聚焦光束發(fā)生器可以 實(shí)現(xiàn)全波段的光束自聚焦效應(yīng)，對(duì)產(chǎn)生的正交偏振散射光的振幅和相位同時(shí)調(diào)制，填補(bǔ)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?yàn)樘炀€單元是亞波長(zhǎng) 量級(jí)，因此在使用時(shí)不會(huì)引入多級(jí)衍射，也不會(huì)像現(xiàn)有技術(shù)中的SLM產(chǎn)生沒(méi)有用的零級(jí)光 斑，提高了能量利用率。另外本發(fā)明實(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)了光學(xué)器件的小型化。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器的部分結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的"(Τ'形天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例的0·8ΤΗζ的水平偏振光透過(guò)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(shí)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(chǎng)的振幅分布的理論值。
[0031 ] 圖4(b)是本發(fā)明實(shí)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(chǎng)的相位分布的理論值。
[0032] 圖4(c)是本發(fā)明實(shí)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(chǎng)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(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器通過(guò)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的RAB初始平面光場(chǎng)的 強(qiáng)度分布。
[0034] 圖5(b)是本發(fā)明實(shí)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(chǎng)的強(qiáng)度分布的理論值。
[0035]圖5(c)是本發(fā)明實(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論模擬產(chǎn)生的RAB 初始平面光場(chǎng)沿徑向的強(qiáng)度分布曲線對(duì)比圖。
[0036]圖6(a)是本發(fā)明實(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器通過(guò)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的RAB光場(chǎng)在傳播過(guò)程 中的光強(qiáng)分布。
[0037] 圖6(b)是本發(fā)明實(shí)施例的預(yù)期的RAB通過(guò)菲涅爾衍射模擬得到的在傳播過(guò)程中的 光強(qiáng)分布。
[0038] 圖6(c)是本發(fā)明實(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)和菲涅爾衍射模擬產(chǎn) 生的RAB光場(chǎng)在傳播過(guò)程中光軸上的光強(qiáng)分布曲線對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0040] 本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了在全波段產(chǎn)生自聚焦光束。
[0041 ]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器的部分結(jié)構(gòu)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(duì)所用光波段具有高透過(guò)率的材料，如硅半導(dǎo)體、砷化鎵半導(dǎo)體、石 英等在太赫茲波段透過(guò)率比較高?；?1的厚度范圍為300μπι~ΙΟΟΟμπι。金屬膜12可采用良 導(dǎo)體，如金、銀、銅、鋁等貴金屬，厚度范圍采用遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)的范圍，當(dāng)入射光采用太 赫茲光時(shí)，其厚度可選的范圍為lOOnm~5000nm，設(shè)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(lái)設(shè)定。每一個(gè)天線陣元的形狀是"C"形，相鄰兩個(gè)天線陣元之間的間隔大小為亞波長(zhǎng)。天 線陣元可以是狹縫，此時(shí)相鄰陣元之間是良導(dǎo)體;天線陣元也可以由良導(dǎo)體制成，此時(shí)相鄰 陣元之間是空氣。當(dāng)陣元的結(jié)構(gòu)及陣列的排布都相同時(shí)，分別包含這兩種形式的天線陣元 的兩種對(duì)應(yīng)天線陣列，稱其中一種為另一種的反結(jié)構(gòu)天線陣列。
[0042] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的"C"形天線的結(jié)構(gòu)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(zhǎng)來(lái)確定，波長(zhǎng)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(guò)率大小來(lái)確定。天線的開(kāi)口角度為Θ，取值范圍為O〈0<jt。天線 對(duì)稱軸的方位角為β，取值范圍為當(dāng)一束線偏振光入射到該C形天線上時(shí)，會(huì)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(kāi)口角度Θ和天線對(duì)稱軸的方位角β有關(guān)，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(guò)旋轉(zhuǎn)"C"形狹縫，即改變"C"形天線對(duì)稱軸的方位角β來(lái)實(shí)現(xiàn)，相位 的調(diào)制通過(guò)調(diào)節(jié)τ'形天線的開(kāi)口角度Θ來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0043] 如上所述，當(dāng)線偏振光入射時(shí)，激發(fā)的正交偏振的散射光的振幅與天線對(duì)稱軸的 方位角β有關(guān)，相位與天線的開(kāi)口角度Θ有關(guān)。因此，可以設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)自聚焦光 束。該設(shè)計(jì)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(kù)。
[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(gè)合適的Θ值，通過(guò)改變天線的對(duì)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(shí)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(shí)施例的0·8ΤΗζ的水平偏振光透過(guò)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(guò)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(shí)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(shí)施例中是利用基 于FDTD的商業(yè)模擬軟件FDTD Solution軟件對(duì)入射線偏振光透過(guò)C形天線產(chǎn)生的散射場(chǎng)進(jìn) 行模擬仿真，進(jìn)而得到正交偏振散射光的振幅和相位。由圖3可見(jiàn)，0.8THz的水平偏振光入 射到隨著對(duì)稱軸方位角β變化的"C"形天線上時(shí)，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(gè)值，振幅是從〇到最大值連續(xù)變化的。
[0048] 302、對(duì)預(yù)期的環(huán)形艾里光束(RAB)傳播初始平面的電場(chǎng)的振幅和相位分別進(jìn)行量 化，得到多個(gè)量化的第一振幅和多個(gè)量化的第一相位。
[0049] RAB在其初始平面的電場(chǎng)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(zhǎng)度和截?cái)嘁蜃印?br>[0052] 根據(jù)公式(1)可計(jì)算得到任意RAB初始平面電場(chǎng)的振幅分布和相位分布。
[0053] 本發(fā)明實(shí)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(shí)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(chǎng)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(shí)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(chǎng)的相位分布的理論值。相位值只包括和231兩個(gè)值。
[0056] 圖4(c)是本發(fā)明實(shí)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(chǎng)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(kù)中選擇適當(dāng)數(shù)量的天線， 需要對(duì)振幅值和相位值進(jìn)行量化。因?yàn)橄辔恢抵话é呛?π兩個(gè)值，因此得到兩個(gè)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(jìn)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(jìn)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(shí)施例中，選取N=16,即對(duì)產(chǎn)生的RAB初始平面電場(chǎng)的振幅進(jìn)行 了 16階量化，得到16個(gè)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(qiáng)的1/16。
[0057] 303、從天線數(shù)據(jù)庫(kù)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(jié)構(gòu)。
[0058]從天線數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇滿足條件的天線結(jié)構(gòu)，本發(fā)明實(shí)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(jié)構(gòu)中，選擇16個(gè)具有上述步驟中量化后的16個(gè)第一振幅值 的天線結(jié)構(gòu)，其對(duì)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?gòu)漠a(chǎn)生的正交偏振散射光的第一相位為π的天線結(jié)構(gòu) 中，選擇16個(gè)具有上述步驟中量化后的16個(gè)第一振幅值的天線結(jié)構(gòu)，這16個(gè)天線結(jié)構(gòu)與第 一相位為2π的16個(gè)天線結(jié)構(gòu)互為鏡面對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其對(duì)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(jié)構(gòu)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(gè)天線的坐標(biāo)，以及每個(gè)坐標(biāo)上對(duì)應(yīng)的振幅和 相位的量化值。按照該坐標(biāo)將所需天線陣元填充到二維陣列的相應(yīng)位置，便可以得到一個(gè) 二維天線陣列。
[0061] 本發(fā)明實(shí)施例中，將選擇好的32個(gè)天線陣元按照由公式（1)得到量化之后的RAB初 始場(chǎng)的振幅相位分布填充到相應(yīng)的位置，便可以得到一個(gè)二維天線陣列。該天線陣列由1〇〇 X 100個(gè)陣元組成，相鄰兩個(gè)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(shè)計(jì)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(shè)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(duì)所用光波段具有高透過(guò)率的材料，如硅半導(dǎo)體、砷化鎵半導(dǎo) 體、石英等在太赫茲波段透過(guò)率比較高。金屬膜12可采用良導(dǎo)體，如金、銀、銅、鋁等貴金屬， 厚度范圍采用遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)的范圍，當(dāng)入射光采用太赫茲光時(shí)，其厚度可選的范圍為 100nm~5000nm〇
[0065] 本發(fā)明實(shí)施例中，基底11的材料采用高阻硅半導(dǎo)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(shí)施例中的二維天線陣列也可以設(shè)計(jì)為上述結(jié)構(gòu)的反結(jié)構(gòu)天線陣列，由這 兩種結(jié)構(gòu)的天線陣列設(shè)計(jì)而成的自聚焦光束發(fā)生器能夠產(chǎn)生相同的光場(chǎng)分布。
[0067] 利用太赫茲成像系統(tǒng)測(cè)試了本發(fā)明實(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器產(chǎn)生的RAB光場(chǎng)在 初始面的強(qiáng)度分布以及其傳播過(guò)程中的自聚焦性能。同時(shí)，也利用菲涅爾衍射做了相應(yīng)的 模擬。
[0068] 圖5(a)是本發(fā)明實(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器通過(guò)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的RAB初始平面光場(chǎng)的 強(qiáng)度分布。
[0069] 圖5(b)是本發(fā)明實(shí)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(chǎng)的強(qiáng)度分布的理論值。
[0070] 圖5(c)是本發(fā)明實(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論模擬產(chǎn)生的RAB 初始平面光場(chǎng)沿徑向的強(qiáng)度分布曲線對(duì)比圖。
[0071] 對(duì)比圖5(a)和圖5(b)，本發(fā)明實(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器通過(guò)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的RAB初 始平面光場(chǎng)的強(qiáng)度分布與通過(guò)公式（1)模擬產(chǎn)生的RAB初始平面光場(chǎng)的強(qiáng)度分布基本一致。 圖5(c)中實(shí)線和虛線分別代表模擬值和實(shí)驗(yàn)值，可見(jiàn)沿徑向的強(qiáng)度分布的實(shí)驗(yàn)值與模擬值 也吻合的很好。說(shuō)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(shè)計(jì)方法的 可行性。
[0072] 圖6(a)是本發(fā)明實(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器通過(guò)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的RAB光場(chǎng)在傳播過(guò)程 中的光強(qiáng)分布。
[0073] 圖6(b)是本發(fā)明實(shí)施例的預(yù)期的RAB通過(guò)菲涅爾衍射模擬得到的在傳播過(guò)程中的 光強(qiáng)分布。
[0074] 圖6(c)是本發(fā)明實(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)和菲涅爾衍射模擬產(chǎn) 生的RAB光場(chǎng)在傳播過(guò)程中光軸上的光強(qiáng)分布曲線對(duì)比圖。
[0075] 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不經(jīng)過(guò)透鏡，產(chǎn)生的RAB在傳播的過(guò)程中就可以實(shí)現(xiàn)突然的自聚焦，對(duì)比 圖6(a)和圖6(b)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)聚焦焦點(diǎn)的位置與模擬聚焦焦點(diǎn)的位置一樣。
[0076] 圖6(c)中，曲線的最高點(diǎn)代表光強(qiáng)最大，對(duì)應(yīng)位置即為焦點(diǎn)位置，實(shí)線和虛線分別 代表模擬值和實(shí)驗(yàn)值。可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)與模擬得到的兩個(gè)焦點(diǎn)也重合得很好。
[0077] 綜上所述，通過(guò)本發(fā)明實(shí)施例的自聚焦光束發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出的自聚焦 光束發(fā)生器可以實(shí)現(xiàn)全波段的光束自聚焦效應(yīng)，對(duì)產(chǎn)生的正交偏振散射光的振幅和相位同 時(shí)調(diào)制，填補(bǔ)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?yàn)樘?線單元是亞波長(zhǎng)量級(jí)，因此在使用時(shí)不會(huì)引入多級(jí)衍射，也不會(huì)像現(xiàn)有技術(shù)中的SLM產(chǎn)生沒(méi) 有用的零級(jí)光斑，提高了能量利用率。另外本發(fā)明實(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)了光學(xué)器件的小型化。
[0078] 以上所述的【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步 詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限定本發(fā)明 的保護(hù)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(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種自聚焦光束發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述自聚焦光束發(fā)生器的設(shè)計(jì)方 法包括： 給定一束線偏振光，創(chuàng)建天線數(shù)據(jù)庫(kù)； 對(duì)預(yù)期的環(huán)形艾里光束傳播初始平面的電場(chǎng)的振幅和相位分別進(jìn)行量化，得到多個(gè)量 化的第一振幅和多個(gè)量化的第一相位； 從所述天線數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇出多個(gè)能產(chǎn)生所述第一振幅和所述第一相位的天線結(jié)構(gòu)； 利用所述多個(gè)天線結(jié)構(gòu)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(quán)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(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)天線結(jié)構(gòu)為"C"形結(jié)構(gòu)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述天線的開(kāi)口角度Θ的取值范圍為0〈θ< JI〇5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述天線的對(duì)稱軸的方位角β的取值范圍 為6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述多個(gè)量化的第一相位為兩個(gè)，分別為π 和2π;所述多個(gè)量化的第一振幅為16個(gè)，所述16個(gè)第一振幅的變化間隔為最大光強(qiáng)的1/16。7. 根據(jù)權(quán)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(gè)天線結(jié)構(gòu)的 間隔為亞波長(zhǎng)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底采用硅半導(dǎo)體、砷化鎵半導(dǎo)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(quán)利要求1所述的方法設(shè)計(jì)的自聚焦光束發(fā)生器，用于實(shí)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(shè)置在所述基底上，所述金屬膜具有二維天線陣列結(jié)構(gòu)，所述二維天線陣列包 含多個(gè)天線結(jié)構(gòu)； 所述多個(gè)天線結(jié)構(gòu)為"C"形結(jié)構(gòu)； 所述基底采用硅半導(dǎo)體、砷化鎵半導(dǎo)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(quán)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(gè)天線結(jié)構(gòu)的間隔為亞波長(zhǎng)。
【文檔編號(hào)】G02B27/09GK106094217SQ201610393052
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日 公開(kāi)號(hào)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(qǐng)人】首都師范大學(xué)