一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器的制作方法

本发明涉及紧凑型轨道角动量分类设备，具体涉及一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器。

背景技术：

1、在通信、量子信息处理和光学成像等领域，轨道角动量的应用越来越广泛。然而，现有的轨道角动量分类器存在体积大、结构复杂、成本高等问题，限制了其实际应用，因此，本发明旨在提供一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器，以解决这些问题。

技术实现思路

1、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

2、一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器，包括基底和在基底上通过激光直写制备的多个微纳结构单元，所述多个微纳结构单元呈环形阵列分布，形成一个轨道角动量分类器单元；多个所述轨道角动量分类器单元沿光轴方向堆叠，构成所述轨道角动量分类器。

3、进一步地，所述微纳结构单元为具有特定几何形状和尺寸的金属纳米结构，其对入射的轨道角动量光束产生特定的散射响应，所述金属纳米结构的材料为金，所述基底材料为石英。

4、进一步地，所述轨道角动量分类器中，环形阵列的半径、微纳结构单元的数量以及轨道角动量分类器单元的堆叠数量可根据实际需求进行调整。

5、进一步地，所述阵列涡旋光栅的传递函数数学表达式为.其中、、分别代表对应第m个轨道角动量模式的权重系数、阶数、空间位置，为实现纯相位的调制，将此复数形式的传递函数近似为一个纯相位的函数为，其中，n代表轨道角动量模式的总个数，re表示取实部，是的决定因子。对上式进行傅里叶系数展开可得到；，傅里叶系数可被表示为；,转换效率被定义为，这里表示所有oam模式的总能量。可以理解为目标位置oam模式的总能量；均匀度值用于表征光栅衍射场各个光束间的强度均匀性，定义为，这里和分别表示中的最大值和最小值。

6、进一步地，所述阵列涡旋光栅的设计流程包括：首先，初始化设置，迭代计数器n =1，计算光栅在m阶数上的转换效率；第二步，计算均匀度值，若迭代次数n ＜ n，将按照及进行更新，其中，表示更新速率常数，通过计算模长计算从而不断更新达到优化纯相位光栅的目的，同时增加n到n + 1，继续进行循环计算，直至不满足n ＜ n条件，跳出循环，结束迭代；最后，获得最终的相位传递函数，将相位元件的相位分布设计为，获得可以实现对不同oam模式解码在理想位置处的阵列涡旋光栅。

7、进一步地，所述阵列涡旋光栅的相关参数为：分辨率大小为256×256，像素大小为500nm，波长，n = 8分别对应l = -16、-12、-8、-4、4、8、12、16。

8、进一步地，包括以下步骤：将程序计算获得的尺寸、分辨率大小合适的相位型衍射光学元件的每个像素下对应的相位信息转化为高度信息；按照需要实现的加工轨迹路线将该高度信息通过matlab软件设计生成可以被加工系统端软件可识别的具有空间点位信息与高度信息以及shutter开关信息设置的txt文件，其中0代表shutter开，激光按照光路正常传播；1代表shutter关，激光被阻断；根据光在介质中传输的原理，光学元件的高度信息与对应位置处相位信息的关系数学表达式为，其中，（x，y）代表平面上的位置坐标，代表相位值大小，n为加工材料的折射率，代表周围介质的折射率；实验中采用ip-dip光刻胶制备相位板，材料折射率n = 1.55，周围介质为空气，所以，设计波长，在该组特定参数下，加工的相位板的相位值最大为2时所对应的高度最大约1μm，设计相位元件的分辨率大小为256×256，设置激光在基片平面的扫描步长为0.5μm，相位板的总体尺寸大小为128μm×128μm×1μm；基于双光子聚合原理的飞秒激光直写平台采用浸入式、逐点扫描、三维位移平台单独工作的加工方式，在约100μm/s和10mw的激光加工速度与功率情况下进行加工，按照工艺流程制备相位板，实验加工耗时约150min

9、进一步的，用于分解不同阶数oam到空间不同位置的阵列涡旋光栅的设计流程,首先，初始化设置，迭代计数器n=1.由上式可以计算出光栅在m阶数上的转换效率.,第二步，计算均匀度值。若迭代次数n＜n，将按照下式进行更新:其中，表示更新速率常数，通过计算模长计算从而不断更新达到优化纯相位光栅的目的。同时增加n到n+1，继续进行循环计算，直至不满足n＜n条件，跳出循环，结束迭代,最后，即可获得最终的相位传递函数。那么将相位元件的相位分布设计为，便可以获得可以实现对不同oam模式解码在理想位置处的阵列涡旋光。

10、本发明的有益效果如下：

11、1、体积小、结构紧凑：通过激光直写技术在基底上制备微纳结构单元，实现了轨道角动量分类器的小型化和集成化，有利于系统的集成和应用。

12、2、高分类效率：合理设计微纳结构单元和阵列涡旋光栅的参数，能够实现对不同拓扑荷数的轨道角动量光束的高效分类，提高了分类的准确性和可靠性。

13、3、低成本：激光直写技术和飞秒激光直写技术具有成本低、效率高的优点，能够降低轨道角动量分类器的制造成本，有利于其在实际应用中的推广。灵活性高：可以根据不同的应用需求，灵活调整轨道角动量分类器的结构和参数，实现对不同轨道角动量光束的分类。良好的性能：设计的阵列涡旋光栅具有良好的均匀度和转换效率，能够实现对轨道角动量光束的高效分类和调控。综上所述，本发明的基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器具有重要的应用价值和广阔的市场前景，为轨道角动量技术的发展和应用提供了新的解决方案。

技术特征：

1.一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器，其特征在于，包括基底和在基底上通过激光直写制备的多个微纳结构单元，所述多个微纳结构单元呈环形阵列分布，形成一个轨道角动量分类器单元；多个所述轨道角动量分类器单元沿光轴方向堆叠，构成所述轨道角动量分类器。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器，其特征在于，所述微纳结构单元为具有特定几何形状和尺寸的金属纳米结构，其对入射的轨道角动量光束产生特定的散射响应。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器，其特征在于，所述金属纳米结构的材料为金。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器，其特征在于，所述基底材料为石英。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器，其特征在于，所述轨道角动量分类器中，环形阵列的半径、微纳结构单元的数量以及轨道角动量分类器单元的堆叠数量可根据实际需求进行调整。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器，其特征在于，阵列涡旋光栅的传递函数数学表达式为.其中、、分别代表对应第m个轨道角动量模式的权重系数、阶数、空间位置，为实现纯相位的调制，将此复数形式的传递函数近似为一个纯相位的函数为，其中，n代表轨道角动量模式的总个数，re表示取实部，是的决定因子。对上式进行傅里叶系数展开可得到；，傅里叶系数可被表示为；,转换效率被定义为，这里表示所有oam模式的总能量，可以理解为目标位置oam模式的总能量；均匀度值用于表征光栅衍射场各个光束间的强度均匀性，定义为，这里和分别表示中的最大值和最小值。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器，其特征在于，阵列涡旋光栅的设计流程包括：首先，初始化设置，迭代计数器n = 1，计算光栅在m阶数上的转换效率；第二步，计算均匀度值，若迭代次数n ＜ n，将按照及进行更新，其中，表示更新速率常数，通过计算模长计算从而不断更新达到优化纯相位光栅的目的，同时增加n到n+ 1，继续进行循环计算，直至不满足n ＜ n条件，跳出循环，结束迭代；最后，获得最终的相位传递函数，将相位元件的相位分布设计为，获得可以实现对不同oam模式解码在理想位置处的阵列涡旋光栅。

8.根据权利要求1所述的一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器，其特征在于，阵列涡旋光栅的相关参数为：分辨率大小为256×256，像素大小为500nm，波长，n = 8分别对应l = -16、-12、-8、-4、4、8、12、16。

9.根据权利要求1所述的一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器，其特征在于，包括以下步骤：将程序计算获得的尺寸、分辨率大小合适的相位型衍射光学元件的每个像素下对应的相位信息转化为高度信息；按照需要实现的加工轨迹路线将该高度信息通过matlab软件设计生成可以被加工系统端软件可识别的具有空间点位信息与高度信息以及shutter开关信息设置的txt文件，其中0代表shutter开，激光按照光路正常传播；1代表shutter关，激光被阻断；根据光在介质中传输的原理，光学元件的高度信息与对应位置处相位信息的关系数学表达式为，其中，（x，y）代表平面上的位置坐标，代表相位值大小，n为加工材料的折射率，代表周围介质的折射率；实验中采用ip-dip光刻胶制备相位板，材料折射率n = 1.55，周围介质为空气，所以，设计波长，在该组特定参数下，加工的相位板的相位值最大为2时所对应的高度最大约1μm，设计相位元件的分辨率大小为256×256，设置激光在基片平面的扫描步长为0.5μm，相位板的总体尺寸大小为128μm×128μm×1μm；基于双光子聚合原理的飞秒激光直写平台采用浸入式、逐点扫描、三维位移平台单独工作的加工方式，在约100μm/s和10mw的激光加工速度与功率情况下进行加工，按照工艺流程制备相位板，实验加工耗时约150min。

10.根据权利要求1所述的一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器，其特征在于，用于分解不同阶数oam到空间不同位置的阵列涡旋光栅的设计流程,首先，初始化设置，迭代计数器n=1.由上式可以计算出光栅在m阶数上的转换效率.,第二步，计算均匀度值。若迭代次数n＜n，将按照下式进行更新:其中，表示更新速率常数，通过计算模长计算从而不断更新达到优化纯相位光栅的目的。同时增加n到n+1，继续进行循环计算，直至不满足n＜n条件，跳出循环，结束迭代,最后，即可获得最终的相位传递函数。那么将相位元件的相位分布设计为，便可以获得可以实现对不同oam模式解码在理想位置处的阵列涡旋光栅。

技术总结本发明公开了一种基于激光直写的紧凑型轨道角动量分类器，涉及紧凑型轨道角动量分类技术领域，包括包括基底和在基底上通过激光直写制备的多个微纳结构单元，所述多个微纳结构单元呈环形阵列分布，形成一个轨道角动量分类器单元；多个所述轨道角动量分类器单元沿光轴方向堆叠，构成所述轨道角动量分类器。本发明，通过激光直写技术在基底上制备微纳结构单元，实现了轨道角动量分类器的小型化和集成化，有利于系统的集成和应用，合理设计微纳结构单元和阵列涡旋光栅的参数，能够实现对不同拓扑荷数的轨道角动量光束的高效分类，提高了分类的准确性和可靠性，另外激光直写技术和飞秒激光直写技术具有成本低、效率高的优点。技术研发人员：栾海涛受保护的技术使用者：苏州光众迅联信息科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/27