技术摘要：
本发明公开了一种多轨道角动量光束产生器及其制备方法，属于功能型微光学元件及制备领域，包括多轨道角动量光束产生器的相位分布信息、加工数据转换、前期准备、多轨道角动量光束产生器的制备、显影与干燥；通过分区域划分、相位独立控制的方法，将整个器件按照等半径  全部
背景技术：
近年来，随着现代社会信息技术的飞速发展，人们对信息需求量的不断增大，传统 的信息通信及存储容量已经达到瓶颈。与电子的有限维度不同，光子具有多个维度，在传统 的光信息编码过程中，主要是在时间、波长、相位和偏振等四个维度上对信息进行编码调 制。而光子的轨道角动量理论上可以取得无穷多个本征值，可以极大的扩展光通信以及信 息存储的容量，因此将光子轨道角动量作为一个新的信息编码的自由度，是未来发展的必 然趋势。光子轨道角动量在光通信、信息储存等领域具有巨大的应用潜力。 通常，我们把携带光子轨道角动量的涡旋光束称为轨道角动量光束。在各种轨道 角动量光束的应用中，像在光通信，光传感，光测量以及光操控，有时会需要多个轨道角动 量模式。而一些产生轨道角动量光束的常规器件，比如模式转换器，螺旋相位板，螺旋波带 片，计算全息图等，一个元件通常只能产生一个轨道角动量模式。所需轨道角动量模式越 多，需要使用的光学元件就越多，从而造成系统复杂、体积庞大和成本高的问题。为了满足 多轨道角动量应用场景的需要，研究者们提出了一些解决方案。例如：13年，Yan等人通过切 片状的相位分布设计，利用空间光调制器同时产生了7种不同的轨道角动量模式。15年，Lei 等人利用达曼光栅在垂直于光轴的平面上产生了多个轨道角动量阵列。这些工作在一定程 度上推动了多轨道角动量光束的进一步发展，但是目前的解决方案主要是产生共线重叠或 者垂直于光轴平面分布的多个轨道角动量模式。而实现三维空间分布的多轨道角动量光束 对于大容量光通信、光存储以及多维光操控具有重要意义。到目前为止，如何使用单个器件 简单高效地产生多个三维空间分布的轨道角动量模式还是很有挑战性的。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种简单、通用的多轨道 角动量光束产生器及其制备方法，通过分区域划分、相位独立控制的方法，将整个器件按照 等半径划分原则分成多个独立的区域，每个区域内通过聚焦元件球面或者非球面透镜产生 聚焦相位，通过螺旋相位板产生螺旋相位。通过结合两者，得到组合的多轨道角动量光束产 生器，利用“飞秒激光增材制造”技术制备器件，最终在光轴的不同位置产生多个轨道角动 量模式。 本发明通过如下技术方案实现： 一种多轨道角动量光束产生器，所述多轨道角动量光束产生器为一个圆形、表面 为螺旋状变化的光学器件，整个器件由N个环形区域组成；N为大于1的整数； 其中，第1个环形区域的相位分布信息是通过叠加多焦点聚焦透镜第1个环形区域 和多区域螺旋相位板第1个环形区域得到，位于器件的中心，用于产生第1种轨道角动量光 5 CN 111596462 A 说　明　书 2/8 页 束； 第2个环形区域的相位分布信息是通过叠加多焦点聚焦透镜第2个环形区域和多 区域螺旋相位板第2个环形区域得到，位于器件由中心到边缘的第2个区域，用于产生第2种 轨道角动量光束； 第N-1个环形区域的相位分布信息是通过叠加多焦点聚焦透镜第N-1个环形区域 和多区域螺旋相位板第N-1个环形区域得到，位于器件由中心到边缘的第N-1个区域，用于 产生第N-1种轨道角动量光束； 第N个环形区域的相位分布信息是通过叠加多焦点聚焦透镜第N个环形区域和多 区域螺旋相位板第N个环形区域得到，位于器件由中心到边缘的第N个区域，用于产生第N种 轨道角动量光束。 进一步地,所述的多焦点聚焦透镜的面型可以选择球面或非球面(抛物面、双曲 面、椭球面、对数面和自由曲面)透镜，透镜多个区域的聚焦范围均为20-2000μm； 进一步地,多区域螺旋相位板每个区域的拓扑荷数目范围均为1-20，旋转方向为 顺时针旋转或逆时针旋转；多轨道角动量光束产生器划分环形区域的数目N为2-20个，每个 环形分区的宽度相等，均为10-100μm。 一种多轨道角动量光束产生器的制备方法，具体步骤如下： (1)、多轨道角动量光束产生器的相位分布信息： 首先，按照等半径划分的原则将多焦点聚焦透镜从中心到边缘分成多个半径相等 的环形区域，每个区域对应的聚焦范围不同，从而得到多焦点聚焦透镜；然后，按照等半径 划分的原则将螺旋相位板分成多个区域，每个区域的拓扑荷数目和旋转方向不同，得到多 区域螺旋相位板；最后，将多焦点透镜和多区域相位板分区域对应叠加，从而得到多轨道角 动量光束产生器的相位分布信息； (2)、加工数据转换： 由于器件表面轮廓的高度是变化的，因此通过器件不同位置的入射光束之间会产 生光程差进而产生相位差，得到器件的相位分布信息后，根据如下的光程差与相位差的关 系式式(1)计算得到器件的表面轮廓的高度信息，然后再通过MATLAB、C 或Visual  Basic 等编程语言，编写转换程序将器件的表面轮廓的高度信息转换成加工系统可识别加工的三 维点云数据，以(x,y,z)的数据格式导出到预先命名好的Txt文本中，以便于后期加工使用； 其中， 为通过器件的光与未通过器件的光之间的相位差，即为步骤一中得到的 多轨道角动量光束产生器的相位分布信息，Δn为加工材料与环境的折射率差，h为器件表 面轮廓的高度，λ为器件的工作波长； (3)、飞秒激光增材制造样品的前期准备： 首先，将显微镜盖玻片放入超声机中，超声清洗10-30min，去除玻璃片表面的大尺 寸玻璃碎屑和灰尘颗粒；然后，在使用丙酮和无水乙醇浸泡的棉球依次擦拭后，使用去离子 水反复冲洗玻璃片表面，去除玻璃片表面残留的无水乙醇后，放在真空干燥箱中干燥；然 后，在清洗干净的盖玻片表面滴上有机无机杂化光刻胶；最后，将样品片放在加热台上前 烘，前烘后在室温环境下冷却； 6 CN 111596462 A 说　明　书 3/8 页 (4)、多轨道角动量光束产生器的制备： 首先，搭建振镜基飞秒激光直写加工系统，由光纤飞秒激光振荡器FL产生的飞秒 脉冲激光依次通过衰减片A和光闸S，经过反射镜M1反射后通过由透镜L1和透镜L2组成的扩 束系统，光束尺寸扩大后的激光束通过扫描振镜控制光束偏转角度，然后由透镜L3和透镜 L4组成的4F光学系统将激光束的角度偏转投影到物镜入瞳处，由高数值孔径物镜OL将入射 光紧聚焦到加工样品内部，配合位移台的移动，从而实现三维扫描；同时，由照明光源、滤光 片F、以及成像CCD组成实时监控系统，实时观察样品加工过程中的状态； 正式加工前，将激光聚焦到光刻胶与衬底交界面的位置，以该位置作为加工的起 始界面；然后，将软件转换得到的多轨道角动量光束产生器的点云文本文件导入到加工软 件中，通过调节衰减片位置并在物镜前测量激光功率选择合适的加工功率；最后，在加工软 件上设置合适的单点曝光时间，点击开始按钮，开始逐点扫描加工； (5)、多轨道角动量光束产生器的显影与干燥： 将加工后的样品置于光刻胶显影液中浸泡显影一定时间，显影结束后，将样品从 显影液中取出，并使用洗耳球鼓风，从而加速样品表面残留显影液的蒸发，最终制备得到微 米尺寸的多轨道角动量光束产生器。 进一步地，步骤(1)所述的多焦点聚焦透镜的面型可以选择球面或非球面(抛物 面、双曲面、椭球面、对数面和自由曲面)透镜，透镜多个区域的聚焦范围为20-2000μm；多区 域螺旋相位板的拓扑荷数目范围为1-20，旋转方向为顺时针旋转或逆时针旋转；多轨道角 动量光束产生器的整体直径为50-2000μm，划分区域数目为2-20。 进一步地，步骤(2)所述器件的工作波长为300-1000nm。 进一步地，步骤(3)所述的真空干燥箱的设置温度为60-120℃，干燥时间为5- 30min；为避免光刻胶被提前曝光，滴加光刻胶以及后续的加热过程均在黄光区完成；所述 有机无机杂化光刻胶为掺杂1％质量分数四乙基米氏酮的有机无机杂化光刻胶SZ2080；光 刻胶取液工具为胶头滴管，取液剂量为1滴；样品加热仪器使用的是恒温加热台，加热温度 为80-120℃，加热时间为30-90min；所用玻璃盖玻片尺寸为50*24*0.17毫米；所用棉球为医 用脱脂棉球。 进一步地，步骤(4)所述的飞秒激光中心波长为780nm，脉冲宽度为100fs，重复频 率为80MHz；衰减片为圆形渐变密度滤光片，光密度为0-4 .0，工作波长400-1100nm，直径 50mm；光闸使用的是具有70MHz开关频率的声光调制器；反射镜M1和反射镜M2是直径为 25.4mm，工作波长在800nm附近的介质膜反射镜；透镜L1是直径为25.4mm的K9玻璃平凸透 镜，焦距为4-8mm；透镜L2是直径为50.8mm的K9玻璃平凸透镜，焦距为40-80mm；透镜L1和透 镜L2之间的距离是透镜1和透镜2的焦距的和，扩束倍数为5-10倍；国产高速扫描振镜最大 扫描角度为正负15°；由透镜L3和透镜L4组成4F光学系统，透镜L3是直径为50.8mm的K9玻璃 平凸透镜，焦距为100-200mm；透镜L4是直径为50 .8mm的K9玻璃平凸透镜，焦距为100- 200mm；透镜L3与扫描振镜的距离是透镜L3的焦距，透镜L4和透镜L3的距离是透镜L3和透镜 L4的焦距的和，物镜入瞳与透镜L4的距离是透镜L4的焦距；使用的高数值孔径物镜包括奥 林巴斯公司生产的高数值孔径油镜；物镜放大倍数为20-100倍，数值孔径为0.85-1.42；照 明光源使用的是白色LED光源；滤光片使用的是波段选择吸收型滤光片，透射范围：500- 2500nm；成像CCD是国产高清免驱工业相机，具有500万彩色像素。 7 CN 111596462 A 说　明　书 4/8 页 进一步地，步骤(4)所述的加工起始界面的具体确定方法，具体如下： 首先，确保样品衬底片与高数值孔径物镜之间的距离大于物镜工作距离1-3mm，然 后通过手动位移台不断减小样品与物镜之间的间距，由于样品中掺杂的光引发剂在激光激 发下会发出荧光，当聚焦光点的顶端靠近光刻胶与衬底片的交界面时，会产生绿色的荧光 亮斑；此时，使用高精度压电位移台控制样品与物镜间的距离以10-100nm的间隔不断缩减， 光斑的光强不断变大，当绿色光斑的光强达到最大时，继续缩减距离，光强不再变化，此时 聚焦光斑中心正好位于光刻胶与衬底片的接触面，以此时的位置作为加工的起始界面。 进一步地，步骤(4)所述激光加工功率为5-30mw，单点曝光时间为50-3000μs。 进一步地，步骤(5)所述光刻胶显影液为正丙醇溶液，显影时间为5-90min。 与现有技术相比，本发明具有以下优点： (1)、采用本发明的方法制备的多轨道角动量光束产生器具有产生多个空间分布 的轨道角动量模式的优势； (2)、采用本发明的方法制备的多轨道角动量光束产生器具有结构简单、易于制 备、可编程设计、适用性广、容易与各种现有光学系统集成的优势； (3)、本发明采用高分辨飞秒激光直写方法，具有其他加工技术难以实现的连续表 面轮廓，从而具有光束质量高的优势。 附图说明 图1为本发明的一种多轨道角动量光束产生器的制备方法的整体流程图； 图2为本发明的一种多轨道角动量光束产生器的多焦点透镜的示意图； 其中：1-第一区域相位分布，2-第二区域相位分布，N-1-第N-1区域相位分布，N-第 N区域相位分布； 图3为本发明的一种多轨道角动量光束产生器的多区域相位板的示意图； 其中：1-第一区域相位分布，2-第二区域相位分布，N-1-第N-1区域相位分布，N-第 N区域相位分布； 图4为本发明的一种多轨道角动量光束产生器的多轨道角动量光束产生器的结构 示意图。其中：1-第一区域相位分布，2-第二区域相位分布，N-1-第N-1区域相位分布，N-第N 区域相位分布； 图5为本发明的一种多轨道角动量光束产生器制备方法的振镜基飞秒激光加工系 统的光路示意图； 其中：FL-飞秒激光器，A-衰减片，S-光闸,M1-2-介质膜反射镜,L1-4-K9玻璃平凸透 镜,SG-高速扫描振镜，OL-高数值孔径物镜，F-长波通滤光片； 图6为采用本发明方法制备的一种多轨道角动量光束产生器的双区域划分的多轨 道角动量光束产生器的扫描电子显微镜表征图像； 图7为采用本发明方法制备的一种多轨道角动量光束产生器的三区域划分的多轨 道角动量光束产生器的扫描电子显微镜表征图像； 图8为采用本发明方法制备的一种三区域划分的多轨道角动量光束产生器的不同 焦点聚焦光斑形貌测试效果图； 其中：F1-第一焦点，F2-第二焦点，F3-第三焦点； 8 CN 111596462 A 说　明　书 5/8 页 图9为采用本发明方法制备的的一种三区域划分的多轨道角动量光束产生器的产 生不同位置的光束与球面波干涉的图案； 其中：Z1-第一位置，Z2-第二位置，Z3-第三位置。