一種產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的方法及裝置，方法包括：步驟1，在石英玻璃基底上用電子束蒸發(fā)鍍膜先后鍍一層厚度5nm～10nm的鉻層和140nm～180nm的金膜；步驟2，利用Matlab編寫程序繪制由兩種不同尺度的結(jié)構(gòu)圖疊加而成的二元灰度圖像；步驟3，將二元灰度圖像導(dǎo)入聚焦離子束控制軟件，刻蝕玻璃基底上的金膜以得到需要的偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)；步驟4，將圓偏振光垂直入射到偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)上，得到廣義柱面矢量偏振光；步驟5，在CCD電荷耦合成像器件前面放置檢測線偏振片，并旋轉(zhuǎn)檢測線偏振片的偏振方向，檢驗(yàn)衍射一級光束的偏振特性。本發(fā)明利用偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)直接產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束，裝置體積小，可廣泛應(yīng)用在納米微結(jié)構(gòu)器件、微光電器件以及人工超材料等領(lǐng)域。
【專利說明】
一種產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種廣義柱面矢量偏振光束的產(chǎn)生方法及裝置，尤其涉及利用偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)直接產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振的遠(yuǎn)場光束的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著納米微結(jié)構(gòu)、微光電器件以及人工超材料研究的深入，這類器件和材料的照明與激發(fā)光路已顯得越來越重要。如表面等離激元開關(guān)、表面等離激元邏輯門、表面等離激元透鏡、納米線或納米波導(dǎo)的照明需要微米尺寸的激光光斑，入射光斑與器件的相互作用與光的偏振狀態(tài)密切相關(guān)。因此，產(chǎn)生各種不同偏振狀態(tài)微小光斑的方法具有非常重要的科學(xué)意義。
[0003]利用傳統(tǒng)的線偏振檢偏器和四分之一玻片很容易獲得線偏振光束和圓偏振光束，但是柱面圓對稱偏振光束(即徑向偏振光束和角向偏振光束)則需要利用軟件控制的液晶組件才能獲得，目前還沒有用微結(jié)構(gòu)直接產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的方法，本發(fā)明利用偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)直接產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束，具有裝置體積小，不需要復(fù)雜的液晶組件等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)直接產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的方法及裝置，以及檢驗(yàn)產(chǎn)生光束偏振特性的測試方法及裝置。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種利用偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)直接產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束并檢驗(yàn)產(chǎn)生光束偏振特性的方法，包括:
[0006]步驟I，利用電子束蒸發(fā)鍍膜先在石英玻璃基底上鍍一層鉻層，然后在鉻層之上鍍一層金膜；
[0007]步驟2，利用Matlab編寫程序繪制由兩種不同尺度的結(jié)構(gòu)圖疊加而成的二元灰度圖像；
[0008]步驟3，將二元灰度圖像導(dǎo)入聚焦離子束控制軟件，由聚焦離子束控制軟件產(chǎn)生聚焦離子束刻蝕石英玻璃基底上的金膜以得到需要的偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)；
[0009]步驟4，將激光光束入射到線偏振片得到線偏振光，線偏振光通過四分之一玻片得到圓偏振光，圓偏振光通過偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)得到廣義柱面矢量偏振光。
[0010]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0011]進(jìn)一步地，步驟I所述的絡(luò)層厚度為5nm?10nm，金膜的厚度為140nm?180nm。
[0012]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:利于聚焦離子束刻蝕金膜。
[0013]進(jìn)一步地，步驟S2包括以下步驟:
[0014]步驟2-1，繪制第一尺度結(jié)構(gòu)圖。由拓?fù)浜蔀镮的渦旋位相光束作為物光束，將斜入射平面波光束作為參考光束，兩者干涉得到寬條紋的條紋圖，為所述的第一尺度結(jié)構(gòu)圖的計(jì)算全息圖；
[0015]步驟2-2，繪制由互相緊鄰的NX N個(gè)正方形單元組成第二尺度結(jié)構(gòu)圖。將每個(gè)正方形單元?jiǎng)澐譃?0 X 20個(gè)像素，以第二尺度結(jié)構(gòu)圖的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，以平行于正方形單元水平一邊的方向?yàn)閄軸，以正方形的中心坐標(biāo)代表該正方形的位置坐標(biāo)，將該中心坐標(biāo)與坐標(biāo)原點(diǎn)的連線相對于X軸的夾角作為該正方形所在位置的方位角，在此正方形內(nèi)，內(nèi)切一個(gè)在正方形單元中心內(nèi)的長方形狹縫，以同樣的方法計(jì)算并畫出每一個(gè)正方形單元內(nèi)的狹縫；
[0016]步驟2-3，將第一尺度結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)二元化，得到第一尺度結(jié)構(gòu)灰度圖，所述二元化方法包括:先將第一尺度結(jié)構(gòu)圖的最大灰度值歸一化，再將歸一化后的第一尺度結(jié)構(gòu)圖中灰度不為零的地方分成兩類，在灰度大于0.5的區(qū)域，將灰度轉(zhuǎn)換為I，在灰度小于等于
0.5的區(qū)域，將灰度轉(zhuǎn)換為O;
[0017]步驟2-4，將第一尺度結(jié)構(gòu)灰度圖和第二尺度結(jié)構(gòu)圖疊加組合在一起。第一尺度結(jié)構(gòu)圖條紋灰度為O的地方，疊加后得到的圖像灰度為O;第一尺度結(jié)構(gòu)圖條紋灰度為I的地方，與第二尺度結(jié)構(gòu)圖狹縫區(qū)域疊加后灰度為I，與狹縫區(qū)域以外的區(qū)域疊加后灰度為O。
[0018]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:利于得到二元灰度圖像，便于聚焦離子束加工。
[0019]進(jìn)一步地，步驟2-2所述狹縫寬度控制為激光波長的三分之一，狹縫的取向?yàn)樗谡叫螁卧姆轿唤羌由弦粋€(gè)小于180度的固定角度。
[0020]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:利于繪制第二尺度結(jié)構(gòu)圖。
[0021]進(jìn)一步地，所述偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)二元灰度圖中條紋周期為波長的2倍，通過調(diào)節(jié)參考光與物光的夾角來實(shí)現(xiàn)。
[0022]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:利于得到二元灰度圖像。
[0023]進(jìn)一步地，步驟3所述聚焦離子束刻蝕玻璃基底上的金膜時(shí)，二元灰度圖像的黑色部分表示保留金膜，白色部分表示刻透金膜。
[0024]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:利于聚焦離子束刻蝕玻璃基底上的金膜以得到需要的偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)。
[0025]進(jìn)一步地，本發(fā)明還包括一種廣義柱面矢量偏振光的檢測方法，該方法包括:廣義柱面矢量偏振光通過檢測線偏振片后由CCD電荷耦合成像器件接收，旋轉(zhuǎn)檢測線偏振片的偏振方向，觀察并測試偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場一級衍射的廣義柱面矢量偏振光束的偏振特性。
[0026]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:便于對廣義柱面矢量偏振光的偏振特性進(jìn)行檢測。
[0027]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還提出了一種利用偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)直接產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束并檢驗(yàn)產(chǎn)生光束偏振特性的裝置，包括:依次放置的激光器、線偏振片、四分之一玻片以及偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)。所述激光器用于產(chǎn)生激光，所述線偏振片用于產(chǎn)生線偏振光，所述四分之一玻片用于產(chǎn)生圓偏振光，所述偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)由聚焦離子束控制軟件根據(jù)兩種不同尺度的結(jié)構(gòu)圖疊加而成的二元灰度圖像，刻蝕鍍有鉻層以及金膜的玻璃基底上的金膜得到，用于產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光。
[0028]進(jìn)一步地，本發(fā)明還包括一種廣義柱面矢量偏振光的檢測裝置，具體包括檢測線偏振片以及CCD電荷耦合成像器件。所述檢測線偏振片用于檢測廣義柱面矢量偏振光的偏振特性，所述CCD電荷耦合成像器件用于觀察并測試并測試偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場一級衍射的廣義柱面矢量偏振光束的偏振特性。
[0029]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是:便于對廣義柱面矢量偏振光束的偏振特性進(jìn)行檢測。
[0030]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明產(chǎn)生廣義柱面矢量光束的方法及裝置具有裝置體積小，不需要復(fù)雜的液晶組件，可獲得不同角度的徑向或角向偏振光束等特點(diǎn)，將圓偏振光通過偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)即可獲得廣義柱面矢量光束，這樣的廣義柱面矢量偏振光束可以廣泛應(yīng)用在納米微結(jié)構(gòu)器件，微光電器件以及人工超材料等領(lǐng)域的照明和激發(fā)，尤其在輸出狀態(tài)與入射偏振相關(guān)的表面等離激元光開關(guān)，邏輯門，納米線，納米波導(dǎo)的照明與激發(fā)方面有很多潛在應(yīng)用。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明所述一種產(chǎn)生并測試廣義柱面矢量偏振光束的光路裝置圖；
[0032]圖2為本發(fā)明所述二元化的物光束與參考光束干涉條紋圖；
[0033]圖3為本發(fā)明所述偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)的二元灰度圖；
[0034]圖4為本發(fā)明所述廣義柱面矢量偏振光束的偏振空間分布。
[0035]附圖中，各標(biāo)號所代表的部件列表如下:
[0036]1.激光器，2.線偏振片，3.四分之一玻片，4.偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)，5.檢測線偏振片，
6.CXD電荷耦合成像器件。
【具體實(shí)施方式】
[0037]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0038]本發(fā)明實(shí)施例如下:
[0039]圖1為本發(fā)明所述的光路裝置圖，結(jié)合圖1，本裝置依次包括激光器、線偏振片、四分之一玻片、偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)、檢測線偏振片、CCD電荷親合成像器件，所述偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)用于將圓偏振光轉(zhuǎn)換為廣義柱面矢量偏振光束，所述檢測線偏振片用于觀察并測試偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場一級衍射的廣義柱面矢量偏振光束的偏振特性。
[0040]與上述產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束裝置所匹配的方法如下:
[0041]步驟I，假定入射激光波長λ= 633ηπι，首先利用電子束蒸發(fā)鍍膜先在石英玻璃基底上鍍一層鉻層，然后在鉻層之上鍍一層金膜；
[0042]本實(shí)施例的優(yōu)選方案，鉻層厚度為5nm，金膜厚度為150nm;
[0043]步驟2，利用Matlab編寫程序繪制由兩種不同尺度的結(jié)構(gòu)圖疊加而成的二元灰度圖像；
[0044]步驟2-1，利用Matlab編寫程序繪制第一尺度結(jié)構(gòu)圖，由拓?fù)浜蔀镮的渦旋位相光束作為物光束，由斜入射平面波光束作為參考光束，兩者干涉得到條紋較寬的條紋圖，為所述的第一尺度結(jié)構(gòu)的計(jì)算全息圖；
[0045]步驟2-2，利用Matlab編寫程序繪制第二尺度結(jié)構(gòu)圖，將每個(gè)正方形單元?jiǎng)澐譃?0X20個(gè)像素，以第二尺度結(jié)構(gòu)圖的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，以平行于正方形單元水平一邊的方向?yàn)閄軸，以正方形的中心坐標(biāo)代表該正方形的位置坐標(biāo)，將該中心坐標(biāo)與坐標(biāo)原點(diǎn)的連線相對于X軸的夾角作為該正方形所在位置的方位角，在此正方形內(nèi)，內(nèi)切一個(gè)通過正方形單元中心的長方形狹縫，以同樣的方法計(jì)算并畫出每一個(gè)正方形單元內(nèi)的狹縫；
[0046]所述狹縫寬度控制在激光波長的的大約三分之一，而狹縫的取向則為所在正方形單元的方位角加上一個(gè)小于180度的固定角度；
[0047]本實(shí)施例的優(yōu)選方案，所述正方形單元的邊長為Ιμπι，內(nèi)切其中的長方形狹縫寬度為200nm;
[0048]步驟2-3，將第一尺度結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)二元化，方法是先將最大灰度值歸一化，再將灰度不為零的地方分成兩類，當(dāng)灰度大于0.5時(shí)，灰度轉(zhuǎn)換為I，而當(dāng)灰度小于等于0.5時(shí)，灰度轉(zhuǎn)換為O，如圖2所示；
[0049]步驟2-4，將兩種尺度結(jié)構(gòu)圖疊加組合在一起。第一尺度結(jié)構(gòu)圖條紋灰度為O的地方，疊加后得到的圖像灰度為O;第一尺度結(jié)構(gòu)圖條紋灰度為I的地方，與第二尺度結(jié)構(gòu)圖狹縫區(qū)域疊加后灰度為I，與狹縫區(qū)域以外的區(qū)域疊加后灰度為0，如圖3所示；
[0050]本實(shí)施例的優(yōu)選方案，偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)二元灰度圖中條紋周期約為波長的2倍，可以通過調(diào)節(jié)參考光與物光的夾角來實(shí)現(xiàn)；
[0051]本實(shí)施例的優(yōu)選方案，所述聚焦離子束刻蝕玻璃基底上的金膜時(shí)，二元灰度圖像的黑色部分表示保留金膜，白色部分表示刻透金膜；
[0052]步驟3，將二元灰度圖像保存成BMP圖像格式，并將此圖像導(dǎo)入聚焦離子束控制軟件，由聚焦離子束刻蝕石英玻璃基底上的金膜以得到需要的偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)，加工后結(jié)構(gòu)尺寸控制在30μ?? X 30μ??;
[0053]步驟4，將激光光束入射到線偏振片，得到線偏振光，然后將線偏振光通過四分之一玻片，得到圓偏振光，然后將圓偏振光通過偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)，得到廣義柱面矢量偏振光；
[0054]步驟5，最后在CCD電荷耦合成像器件前面放置一個(gè)檢測線偏振片，并旋轉(zhuǎn)檢測線偏振片的偏振方向，觀察并測試偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場一級衍射的廣義柱面矢量偏振光束的偏振特性。
[0055]圖4為廣義柱面矢量偏振光束的空間偏振分布。
[0056]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、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)】
1.一種產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I，利用電子束蒸發(fā)鍍膜在石英玻璃基底上鍍一層鉻層，然后在鉻層之上鍍一層金膜； 步驟2，利用Mat I ab編寫程序繪制由兩種不同尺度的結(jié)構(gòu)圖疊加而成的二元灰度圖像； 步驟3，將二元灰度圖像導(dǎo)入聚焦離子束控制軟件，由聚焦離子束控制軟件產(chǎn)生聚焦離子束刻蝕石英玻璃基底上的金膜得到偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)； 步驟4，將激光光束入射到線偏振片得到線偏振光，線偏振光通過四分之一玻片得到圓偏振光，圓偏振光通過偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)得到廣義柱面矢量偏振光。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，步驟I所述的絡(luò)層厚度為5nm?10nm，金膜的厚度為140nm?180nmo3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，所述的步驟2包括: 步驟2-1，繪制第一尺度結(jié)構(gòu)圖，將拓?fù)浜蔀镮的渦旋位相光束作為物光束，將斜入射平面波光束作為參考光束，兩者干涉得到條紋圖； 步驟2-2，繪制由互相緊鄰的N X N個(gè)正方形單元組成第二尺度結(jié)構(gòu)圖，將每個(gè)正方形單元?jiǎng)澐譃?0 X 20個(gè)像素，以第二尺度結(jié)構(gòu)圖的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，以平行于正方形單元水平一邊的方向?yàn)閄軸，以正方形的中心坐標(biāo)代表該正方形的位置坐標(biāo)，將該中心坐標(biāo)與坐標(biāo)原點(diǎn)的連線相對于X軸的夾角作為該正方形所在位置的方位角，在此正方形內(nèi)，內(nèi)切一個(gè)在正方形單元中心內(nèi)的長方形狹縫，以同樣的方法計(jì)算并畫出每一個(gè)正方形單元內(nèi)的狹縫； 步驟2-3，將第一尺度結(jié)構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)二元化，得到第一尺度結(jié)構(gòu)灰度圖，所述二元化方法包括:先將第一尺度結(jié)構(gòu)圖的最大灰度值歸一化，再將歸一化后的第一尺度結(jié)構(gòu)圖中灰度不為零的地方分成兩類，在灰度大于0.5的區(qū)域，將灰度轉(zhuǎn)換為I，在灰度小于等于0.5的區(qū)域，將灰度轉(zhuǎn)換為O; 步驟2-4，將第一尺度結(jié)構(gòu)灰度圖和第二尺度結(jié)構(gòu)圖疊加組合在一起。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，所述狹縫寬度控制為激光波長的三分之一，狹縫的取向?yàn)樗谡叫螁卧姆轿唤羌由弦粋€(gè)小于180度的固定角度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，所述偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)二元灰度圖中條紋周期為波長的2倍，通過調(diào)節(jié)參考光與物光的夾角來實(shí)現(xiàn)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，所述聚焦離子束刻蝕玻璃基底上的金膜時(shí)，二元灰度圖像的黑色部分表示保留金膜，白色部分表示刻透金膜。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的方法，其特征在于，還包括一種廣義柱面矢量偏振光的檢測方法，該方法包括:廣義柱面矢量偏振光通過檢測線偏振片后由CCD電荷耦合成像器件接收，旋轉(zhuǎn)檢測線偏振片的偏振方向，觀察并測試偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場一級衍射的廣義柱面矢量偏振光束的偏振特性。8.—種產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的裝置，其特征在于，包括:依次設(shè)置的激光器、線偏振片、四分之一玻片以及偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)； 所述激光器用于產(chǎn)生激光； 所述線偏振片用于產(chǎn)生線偏振光； 所述四分之一玻片用于產(chǎn)生圓偏振光； 所述偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)由聚焦離子束控制軟件根據(jù)兩種不同尺度的結(jié)構(gòu)圖疊加而成的二元灰度圖像，刻蝕鍍有鉻層以及金膜的玻璃基底上的金膜得到，用于產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種產(chǎn)生廣義柱面矢量偏振光束的裝置，其特征在于，還包括一種廣義柱面矢量偏振光的檢測裝置，具體包括檢測線偏振片以及CCD電荷耦合成像器件；所述檢測線偏振片用于檢測廣義柱面矢量偏振光的偏振特性； 所述CCD電荷耦合成像器件用于觀察并測試偏振轉(zhuǎn)換微結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場一級衍射的廣義柱面矢量偏振光束的偏振特性。
【文檔編號】G02B27/28GK106066541SQ201610600094
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年7月27日
【發(fā)明人】陳建農(nóng), 朱林偉
【申請人】魯東大學(xué)