[发明专利]一种用于柱状偏振光的生成与聚焦的微球透镜

说明书

本发明公开了一种用于柱状偏振光的生成与聚焦的微球透镜，所述微球透镜的表面刻有准周期性的亚波长光栅结构；其中，亚波长光栅结构处于入射光照射的半球表面，但不覆盖中心区域；光栅结构的周期小于入射光波长；光栅为曲线，且光栅槽宽逐渐变化；光栅的光栅矢量由球面位置来确定，即光栅矢量与光栅在球面上的方位以及光栅与中心点的距离有关；光栅的刻蚀深度为百纳米量级。本发明微球透镜除具有光学聚焦功能外，还能够生成任意角度的柱状偏振光，实现中空的聚焦光斑，即光束中心强度为零；可广泛应用于光镊、光刻、光学微加工和光学超分辨等技术领域，结合现有的光学显微镜系统，可实现对微纳粒子的三维自由操作。

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种用于柱状偏振光的生成与聚焦的微球透镜。

背景技术

柱状偏振光束具有一种特殊的偏振状态，不同与普通的线偏振光或圆偏振光，其光束中各点的偏振方向与方位角有关，且偏振方向关于光轴呈轴对称分布。当各点的偏振方向与矢径方向一致时，称为径向偏振光；当各点的偏振方向与矢径方向垂直时，称为角向偏振光。任意角度的柱状偏振光均可看成径向偏振光与角向偏振光的叠加效果。

由于柱状偏振光的偏振状态具有轴对称性，所以其独特的紧聚焦性能也受到研究者们越来越多的关注和研究。结合振幅、相位与偏振的调制，当利用高数值孔径物镜聚焦圆柱矢量光束时，可产生亚波长特征尺寸的圆对称光斑，克服了传统的光学衍射极限；另外，柱状偏振光会聚后会形成空心光束，光轴中心位置光强为零，因此可以用作光学陷阱，捕获、操纵粒子，实现微米级粒子的三维自由操纵。此外，柱状偏振光还可广泛应用于高密度的数据存储、二次谐波的产生、拉曼光谱、纳米光刻、激光切割、材料加工、粒子加速、全光磁记录与自旋波操控等领域。因此，生成和聚焦柱状偏振光束具有重要的应用价值。

然而柱状偏振光的生成较为复杂，通常利用半波片组合的方式构成位相延迟器，或利用空间位相板对圆偏振光进行位相补偿之后干涉叠加来实现。这些常用的柱状偏振光生成装置体积较大，不易集成，因此限制了其实际应用范围。

有鉴于此，本发明人经过大量科研攻关后提供一种用于柱状偏振光的生成与聚焦的微球透镜，以解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种用于柱状偏振光的生成与聚焦的微球透镜，该微球透镜基于亚波长微纳结构，能够极大地缩小柱状偏振光生成装置的体积，可生成任意角度的柱状偏振光，不同与普通的微球透镜，本发明微球透镜不仅具有聚焦功能，同时可以实现柱状偏振光的生成，因此在其焦平面上可以形成空心焦斑，能够应用于粒子三维操纵或者超分辨成像等技术。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：本发明提供了一种用于柱状偏振光的生成与聚焦的微球透镜，所述微球透镜的表面刻有准周期性的亚波长光栅结构；

其中，所述亚波长光栅结构处于入射光照射的半球表面，但不覆盖中心区域；

所述亚波长光栅结构的周期小于入射光波长；

所述亚波长光栅为曲线，且光栅槽宽逐渐变化；

所述亚波长光栅的光栅矢量由球面位置来确定，即光栅矢量与光栅在球面上的方位以及光栅与中心点的距离有关；

所述亚波长光栅的刻蚀深度为百纳米量级。

进一步地，所述亚波长光栅结构中定义光栅矢量为其大小为k＝2π/Λ(Λ为光栅的周期)，方向为垂直光栅槽的方向；

光栅矢量随方位角以及矢径的变化而变化，光栅矢量表示为：

其中，k₀为初始光栅矢量的大小，和分别为极坐标中的矢径和方位角单位矢量，β为光栅的方向矢量，由光栅所处的极坐标系中的(θ,r)决定。

进一步地，所述微球透镜为直径10～100微米范围内的非金属介质微球。