專利名稱：用多棱錐鏡和多棱臺(tái)鏡產(chǎn)生空間光點(diǎn)陣列的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種使用多棱錐鏡和多棱臺(tái)鏡產(chǎn)生多束相干光干涉形成二維和三維光學(xué)格子的設(shè)備。
背景技術(shù)：
光子晶體是一種高折射率對比度材料形成的二維或三維空間周期為波長量級的周期性微結(jié)構(gòu)，它可以產(chǎn)生特定的光子禁帶，當(dāng)光在其中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多奇特的現(xiàn)象，因而在光波導(dǎo)、光存儲(chǔ)、光通信等領(lǐng)域有著十分誘人的應(yīng)用前景。制作可見光到近紅外波段的光子晶體是目前的一個(gè)重點(diǎn)研究方向，制備方法有很多，如半導(dǎo)體光刻技術(shù)、離子束刻蝕、化學(xué)刻蝕、激光微加工等，但這些方法都需要昂貴的設(shè)備。激光由于具有很好的相干性，用多束激光干涉產(chǎn)生的光強(qiáng)周期點(diǎn)陣分布具有很高的有序度，而且通過改變激光的光束數(shù)、傳播方向和偏振態(tài)，可以產(chǎn)生各式各樣的一維、二維和三維光強(qiáng)分布的周期格陣。激光空間干涉光場形成的這種光強(qiáng)周期分布格陣被稱為光學(xué)格子。這種方法制作光子晶體或光學(xué)微結(jié)構(gòu)器件具有設(shè)備簡單，可一步成型等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到人們的重視。1997年，Berger等人用平面上三個(gè)互為60度夾角的光柵對入射激光衍射形成三束平面波干涉，在GaAs中制作了二維六角型周期結(jié)構(gòu)。2001年和2003年，Kondo小組使用飛秒激光及衍射分束器產(chǎn)生四束光干涉，在SU8光刻膠材料上分別利用單光子和雙光子吸收效應(yīng)成功地制備出二維及三維亞微米周期晶格結(jié)構(gòu)。中科院物理所程丙英等人使用激光空間干涉的辦法模擬產(chǎn)生晶格圖案，并對其進(jìn)行了機(jī)理分析和計(jì)算機(jī)模擬。山東大學(xué)蔡履中等人證明了四個(gè)非共面光束干涉可以形成所有14種布拉維點(diǎn)陣，并進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究。中山大學(xué)王霞等人對激光偏振態(tài)對干涉圖案對比度的影響進(jìn)行了理論分析，并使用氬離子激光在SU8光刻膠材料上制作了三維面心立方結(jié)構(gòu)。四川大學(xué)和中科院光電技術(shù)研究所的張錦等人也利用這一方法進(jìn)行了大面積周期性圖形光刻技術(shù)的研究。由于在實(shí)驗(yàn)中從一束激光中分出多束等光強(qiáng)的光束并調(diào)節(jié)使其發(fā)生干涉需要精密的光路調(diào)節(jié)與穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所以大多數(shù)研究限于3-6束光的干涉。衍射分束器雖然可以得到多光束，但由于其透過率不高以及加工較困難，激光功率會(huì)損失很多且激光模式也會(huì)變差，其制作成本也相對較高。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型目的是提供一種使用多棱錐鏡或多棱臺(tái)鏡產(chǎn)生多光束的設(shè)備，其解決了現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生多光束需要精密的光路調(diào)節(jié)與穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、透過率不高、加工較困難、激光功率會(huì)損失很多且激光模式也會(huì)變差、制作成本相對較高的缺點(diǎn)。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種用多棱錐鏡和多棱臺(tái)鏡產(chǎn)生空間光點(diǎn)陣列的設(shè)備，包括可發(fā)射激光束的激光器1，其特殊之處是，其還包括設(shè)置在激光束發(fā)射方向上的多棱鏡3。
上述設(shè)備還可包括設(shè)置在激光束發(fā)射方向上的擴(kuò)束準(zhǔn)直儀2，所述擴(kuò)束準(zhǔn)直儀2設(shè)置在激光器1和多棱鏡3之間。
上述擴(kuò)束準(zhǔn)直儀2包括擴(kuò)束透鏡組6和準(zhǔn)直透鏡組7。
上述擴(kuò)束透鏡組6至少包括一個(gè)凸透鏡，所述準(zhǔn)直透鏡組7至少包括一個(gè)凸透鏡；所述擴(kuò)束透鏡組6和準(zhǔn)直透鏡組7之間的距離為其焦距之和。
上述多棱鏡3為多棱錐鏡4或多棱臺(tái)鏡5。
上述激光器1為各種脈沖或連續(xù)的激光器。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1、使用簡單，制作成本低。本實(shí)用新型采用普通光學(xué)玻璃作為原料，制作和使用都比較簡單，成本比現(xiàn)有技術(shù)的光柵或衍射分束器低。
2、易于集成，穩(wěn)定性好。本實(shí)用新型除了激光器外，最多只需要兩個(gè)光學(xué)器件，所以易于集成到其他儀器設(shè)備上，其穩(wěn)定性比設(shè)置在光學(xué)平臺(tái)上的分離器件好。
3、透過率高，損傷閾值高。光學(xué)玻璃的透過率高達(dá)98％，一般的光柵或衍射分束器的透過率只有50％左右。損傷閥值是指激光對元件的破壞閾值，由于本實(shí)用新型為光學(xué)玻璃制作，故具有很高的損傷閾值。
4、應(yīng)用范圍廣。本實(shí)用新型使用激光束照射多棱錐鏡或多棱臺(tái)鏡實(shí)現(xiàn)多光束干涉產(chǎn)生二維和三維光點(diǎn)陣列，不僅可用于光子晶體、陣列光波導(dǎo)等光學(xué)微結(jié)構(gòu)的制造，并且在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中可以用來產(chǎn)生多光束光鑷，同時(shí)捕獲和操作多個(gè)微小粒子，擴(kuò)展普通單光束光鑷的用途。而且由于其體積小易于集成等優(yōu)點(diǎn)，也可以用于細(xì)胞分選和生物芯片技術(shù)的研究。
5、可用于各種脈沖或連續(xù)的激光器。
附圖圖面說明

圖1是本設(shè)備結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2是m束沿z軸對稱分布平面波干涉示意圖；圖3是m+1束沿z軸對稱分布平面波干涉示意圖；圖4是平行光通過棱錐鏡的平面幾何光路示意圖；圖5是四棱錐鏡形成多光束干涉示意圖；圖6是四棱臺(tái)鏡形成多光束干涉示意圖；圖7是激光入射正三棱錐鏡產(chǎn)生的二維光點(diǎn)陣列示意圖；圖8是激光入射正三棱臺(tái)鏡產(chǎn)生的三維光點(diǎn)陣列示意圖；圖9是激光入射正四棱錐鏡產(chǎn)生的二維光點(diǎn)陣列示意圖；圖10是激光入射正四棱臺(tái)鏡產(chǎn)生的三維光點(diǎn)陣列示意圖；其中1-激光器，2-擴(kuò)束準(zhǔn)直儀，3-多棱鏡，4-多棱錐鏡，5-多棱臺(tái)鏡，6-擴(kuò)束透鏡組，7-準(zhǔn)直透鏡組。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型設(shè)備包括可發(fā)射激光束的激光器1和依次設(shè)置在激光束發(fā)射方向上的擴(kuò)束準(zhǔn)直儀2、多棱鏡3。激光器1可以是各種脈沖或連續(xù)的激光器，多棱鏡3可以是多棱錐鏡4或多棱臺(tái)鏡5，其棱數(shù)可以是兩棱、三棱、四棱、五棱、六棱……等，隨著棱數(shù)的增加，點(diǎn)陣的圖案也會(huì)發(fā)生變化，不同棱數(shù)的棱錐產(chǎn)生點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)是不同的，其中三棱錐鏡產(chǎn)生的二維光點(diǎn)陣列見圖7、三棱臺(tái)鏡產(chǎn)生的三維光點(diǎn)陣列見圖8、四棱錐鏡產(chǎn)生的二維光點(diǎn)陣列見圖9、四棱臺(tái)鏡產(chǎn)生的三維光點(diǎn)陣列見圖10。擴(kuò)束準(zhǔn)直儀2可對激光束進(jìn)行擴(kuò)束和準(zhǔn)直，擴(kuò)束準(zhǔn)直儀2可采用多種形式，比較常用的是采用兩組透鏡，其中一組為擴(kuò)束透鏡組6，另一組為準(zhǔn)直透鏡組7，最簡單的實(shí)現(xiàn)方式為兩個(gè)凸透鏡，其中離激光器近的凸透鏡用來擴(kuò)束，離激光器遠(yuǎn)的凸透鏡用來準(zhǔn)直，且兩個(gè)凸透鏡的焦點(diǎn)在激光發(fā)射方向上重合。如果激光器發(fā)射的激光束是平行的激光束(發(fā)散角很小)且光束直徑不小于5mm，本實(shí)用新型設(shè)備可以不用擴(kuò)束準(zhǔn)直儀，激光束直接入射到多棱鏡的底面。
本設(shè)備的多棱錐鏡或多棱臺(tái)鏡由普通光學(xué)玻璃、石英或其它透明光學(xué)材料構(gòu)成，經(jīng)光學(xué)切割、研磨、拋光、鍍膜等工序加工成特定棱數(shù)和底角度數(shù)的正多棱錐鏡或多棱臺(tái)鏡。平行的相干光束入射多棱錐鏡或多棱臺(tái)鏡的底面，經(jīng)玻璃棱錐/臺(tái)鏡時(shí)在各個(gè)錐面上會(huì)分束并發(fā)生偏折，各分光束在出射棱錐/臺(tái)鏡后會(huì)發(fā)生多光束干涉從而產(chǎn)生二維或三維的光點(diǎn)陣列。各光束的夾角由棱錐/臺(tái)的底角決定，光束的數(shù)目由棱數(shù)決定。
以正四棱錐鏡為例，如圖5所示，激光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后正入射棱錐的底面，在四個(gè)錐面上入射光被折射，形成四束與光軸夾角相同的對稱分布平面波，并且它們的振幅和初相位也都相同。在棱錐的后面，它們有一段相交的區(qū)域，在此形成干涉區(qū)。為了產(chǎn)生圖3所示的m+1束光，我們將棱錐的頂部磨平拋光，使其可以直接透過一部分入射光形成第m+1束光，如圖6所示。
實(shí)施例1使用波長633nm的He-Ne激光照射底角5度的正三棱錐鏡，可以得到如圖7所示的周期性二維光點(diǎn)陣列。使用波長633nm的He-Ne激光照射底角5度的正三棱臺(tái)鏡，可以得到如圖8所示的周期性三維光點(diǎn)陣列。
實(shí)施例2使用波長633nm的He-Ne激光照射底角2度的正四棱錐鏡，可以得到如圖9所示的周期性二維光點(diǎn)陣列。使用波長633nm的He-Ne激光照射底角2度的正四棱臺(tái)鏡，可以得到如圖10所示的周期性三維光點(diǎn)陣列。
多束平面波在空間相干疊加會(huì)產(chǎn)生二維或三維的空間光點(diǎn)陣列分布。當(dāng)各光束之間的夾角較小時(shí)(＜10°)，可以近似認(rèn)為各光束的偏振態(tài)都相同。如果光束之間的夾角不滿足小角度情況，則計(jì)算時(shí)必須要考慮到各光束的偏振態(tài)關(guān)系對干涉光場對比度的影響。為了說明原理，這里我們只考慮各束平面波偏振方向相同的情況，此時(shí)可以用標(biāo)量波來處理。設(shè)第j束平面波的復(fù)振幅為Ej(r→)=Ejexp(iK→j·r→+iδj)---(1)]]>其中Ej表示電場強(qiáng)度振幅， 是位矢， 是波矢，δj是初相位。設(shè)θj和φj分別表示 與z軸夾角及其在xy平面內(nèi)投影與x軸的夾角，λ表示波長，則K→j=2πλ[sinθjcosφj,sinθjsinφj,cosθj]---(2)]]>設(shè)有m束沿z軸對稱分布的平面波干涉，如圖2所示，此時(shí)各束平面波的波矢與z軸夾角都相同(即θ1＝θ2＝...＝θm＝θ)，各束平面波波矢在xy平面的投影將360°圓周均分(即φj＝360°*(j-1)/m，j＝1...m)。所以各波矢的z向分量都相同，干涉場沿z軸方向沒有變化，干涉場只在xy平面上形成二維周期性分布。干涉后的電場強(qiáng)度復(fù)振幅為Etot(r→)=E1+E2+....+Em---(3)]]>光強(qiáng)分布為I(r→)=|Etot|2=Etot·Etot*---(4)]]>如果在圖2光束配置的基礎(chǔ)上再引入一束沿z軸傳播的平面波Km+1，如圖3所示，由于第m+1束光沿z軸傳播，其z軸波矢分量與其它m束z軸波矢分量不同，所以此時(shí)干涉場除了在xy平面上形成周期性分布外，沿z軸方向也會(huì)有周期性變化，此時(shí)這m+1束光干涉會(huì)在空間形成三維光學(xué)晶格。m+1束光干涉的后的光強(qiáng)分布為I(r→)=|E1+E2+....+Em+Em+1|2---(5)]]>下面分析一下干涉光場的性質(zhì)。如圖4所示，半徑為w0的平行光束垂直對稱入射底角為γ的棱錐(棱臺(tái))，光束傳播方向定義為z軸，紙面上垂直于z軸方向定義為x軸。入射光束經(jīng)棱錐(棱臺(tái))折射分束后會(huì)在圖示的陰影區(qū)內(nèi)發(fā)生干涉，形成沿z軸方向沒有變化的二維周期性圖案(棱錐情況)，或沿z軸也有周期性變化的三維周期性圖案(棱臺(tái)情況)。干涉區(qū)在z軸方向的長度為
Zmax＝w0/tgθ (6)其中θ表示折射光束E1(或E2)與z軸的夾角。為了得到較長的干涉區(qū)域，棱錐的底角通常加工得很小，此時(shí)有近似關(guān)系θ≈(n-1)γ(7)其中n是錐鏡的折射率。對于棱臺(tái)產(chǎn)生的m+1束光束，在z方向形成的光強(qiáng)調(diào)制周期為dz＝λ/(1-cosθ)≈2λ/[(n-1)γ]2(8)三維點(diǎn)陣在z方向的周期與棱錐鏡底角的平方成反比，xy平面點(diǎn)陣周期也與棱錐底角有關(guān)，棱錐底角越大，形成的光格周期越小，但干涉區(qū)域也越小。使用短波長的激光(如紫外激光)可以得到周期小的光學(xué)格子。
權(quán)利要求1.一種用多棱錐鏡和多棱臺(tái)鏡產(chǎn)生空間光點(diǎn)陣列的設(shè)備，包括可發(fā)射激光束的激光器(1)，其特征在于所述設(shè)備還包括設(shè)置在激光束發(fā)射方向上的多棱鏡(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用多棱錐鏡和多棱臺(tái)鏡產(chǎn)生空間光點(diǎn)陣列的設(shè)備，其特征在于所述設(shè)備還包括設(shè)置在激光束發(fā)射方向上的擴(kuò)束準(zhǔn)直儀(2)，所述擴(kuò)束準(zhǔn)直儀(2)設(shè)置在激光器(1)和多棱鏡(3)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用多棱錐鏡和多棱臺(tái)鏡產(chǎn)生空間光點(diǎn)陣列的設(shè)備，其特征在于所述擴(kuò)束準(zhǔn)直儀(2)包括擴(kuò)束透鏡組(6)和準(zhǔn)直透鏡組(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用多棱錐鏡和多棱臺(tái)鏡產(chǎn)生空間光點(diǎn)陣列的設(shè)備，其特征在于所述擴(kuò)束透鏡組(6)至少包括一個(gè)凸透鏡，所述準(zhǔn)直透鏡組(7)至少包括一個(gè)凸透鏡；所述擴(kuò)束透鏡組(6)和準(zhǔn)直透鏡組(7)之間的距離為其焦距之和。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之任一權(quán)利要求所述的用多棱錐鏡和多棱臺(tái)鏡產(chǎn)生空間光點(diǎn)陣列的設(shè)備，其特征在于所述多棱鏡(3)為多棱錐鏡(4)或多棱臺(tái)鏡(5)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用多棱錐鏡和多棱臺(tái)鏡產(chǎn)生空間光點(diǎn)陣列的設(shè)備，其特征在于所述激光器(1)為各種脈沖或連續(xù)的激光器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種使用多棱錐鏡和多棱臺(tái)鏡產(chǎn)生多束相干光干涉形成二維和三維光學(xué)格子的設(shè)備。所述設(shè)備還包括設(shè)置在激光束發(fā)射方向上的多棱鏡，普通激光器發(fā)射的激光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后產(chǎn)生平行的相干光束，該光束入射特定棱數(shù)和底角度數(shù)的正多棱錐鏡或多棱臺(tái)鏡的底面，經(jīng)玻璃棱錐/臺(tái)鏡時(shí)在各個(gè)錐面上會(huì)分束并發(fā)生偏折，各分光束在出射棱錐/臺(tái)鏡后會(huì)發(fā)生多光束干涉從而產(chǎn)生二維或三維的光點(diǎn)陣列，各光束的夾角由棱錐/臺(tái)的底角決定，光束的數(shù)目由棱數(shù)決定。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有使用簡單、制作成本低、易于集成，穩(wěn)定性好、透過率高，損傷閾值高、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01S3/00GK2852164SQ20052007930
公開日2006年12月27日 申請日期2005年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月25日
發(fā)明者雷銘, 姚保利 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所