涡旋飞秒激光三维微结构加工及手性结构检测研究

摘要

手性是用来描述物体的一种对称特性。手性物体广泛存在于自然界中，通常表示该物体不能与其镜像通过旋转移动重合。光作为一种电磁波，通过携带角动量也可以具有手性。圆偏振光由于携带自旋角动量，已广泛应用于化学、生物中手性分子的检测。近年来，随着涡旋光携带轨道角动量的发现，而受到越来越多研究人员的关注。其中有三个热点问题:1.研究如何通过光与物质的相互作用将涡旋光中的轨道角动量（手性特征）转移到物质中;2.研究光的轨道角动量能否像自旋角动量一样用于检测物质的手性;3.研究调制涡旋光用于单次曝光加工三维微结构，提高飞秒激光双光子加工效率。 本论文的工作主要通过结合飞秒激光双光子加工技术和涡旋光调制技术研究这三个问题，主要内容如下: 1.调制涡旋光引入双光子加工系统在各向同性聚合物中制备三维手性微结构。通过涡旋光和平面波共轴干涉实现在各向同性聚合物中精密加工大面积三维手性微结构。螺旋相位梯度扭转干涉图案形成三维螺旋光场，聚焦进光刻胶内后得到可控扭臂的三维手性微结构。分析得出微结构的扭臂由干涉光强分布造成，其螺旋性由调制涡旋光的螺旋相位波前造成。进一步调制两不同拓扑荷的涡旋光干涉形成双螺旋结构光场，从而获得双螺旋微结构。 2.叠加涡旋光引入飞秒激光加工技术制备非手性分叉倾斜微柱。通过湮灭两相反涡旋光的轨道角动量，实现多瓣光场分布并消除了光束中的手性信息。由物镜聚焦作用在光刻胶中加工出镜像对称的倾斜微柱，展示了非手性对称微结构的单次曝光加工。通过控制倾斜微柱单元之间的间距，倾斜微柱可以实现自组装。自组装后的微柱阵列用于捕获SiO2小球，可以得到超高的捕获效率(＞90％)，可用于小球成像。 3.双光子加工手性微结构用于轨道角动量检测结构手性研究。通过涡旋光诱导手性微结构生成一个大的涡旋二色性响应。通过生成拓扑荷l从-75到75的涡旋光照射在手性微结构上，测量其反射强度来获得涡旋二色性谱。一对对映体的涡旋二色性谱镜像对称分布，大小相等符号相反。相比于涡旋光间接作用于手性分子，手性微结构的涡旋二色性响应有200倍的显著提高。定量分析了手性结构的几何参数对涡旋二色性谱的影响。涡旋二色性响应的区域恰好补充了传统圆二色性的作用区域。检测双螺旋微结构的涡旋二色性，进一步证实测量手性结构涡旋二色性的普适性。 4.双光子加工非手性微结构用于准涡旋二色性研究。利用圆偏振态涡旋光照射在非手性圆盘微结构上诱导出准涡旋二色性。通过测量不同圆偏振态下光束的反射光强，展示了自旋和轨道角动量耦合。实现在镜像对称圆盘边缘处诱导产生不等反射强度变化。研究表明准涡旋二色性的符号有圆偏振态决定，其峰值大小由圆盘直径决定。 通过结合飞秒激光双光子加工技术和调制涡旋光技术，一方面实现了单次曝光高效加工三维微结构;另一方面发现了手性微结构具有强的涡旋二色性并进行了分析。在光场调制提高激光加工效率和检测结构手性方面具有重要意义。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1涡旋光的概念及其应用

1．1．1涡旋光介绍

1．1．2涡旋光的生成方式

1．1．3涡旋光的应用

1．2飞秒激光双光子加工技术

1．3手性微纳结构的加工技术及应用

1．3．2自下而上(Bottom-up)组装技术

1．3．3手性微纳结构的检测及应用

1．4本文研究思路

1．4．1目前存在的问题

1．4．2本论文的主要工作及创新点

第2章调制涡旋飞秒激光三维手性微结构加工

2．1涡旋光加工手性结构介绍

2．2涡旋光与平面波干涉分析及全息图设计

2．2．1涡旋光与平面波干涉

2．2．2全息图设计

2．3手性微结构制备

2．3．1实验光路系统

2．3．2标量衍射光场分析

2．3．3手性微结构的加工及参数分析

2．4手性微结构的旋转

2．5微结构手性产生机理

2．5．1微结构手Il生表征

2．5．2矢量光场分析

2．6双螺旋手性微结构加工

2．6．1实验结果

2．6．2涡旋光场手性分析

2．6．3相反手性双螺旋微结构加工

2．6．4调控双螺旋微结构的直径

2．7本章小结

第3章调制叠加涡旋光加工分叉微柱

3．1相反拓扑荷涡旋光干涉分析

3．2倾斜微柱加工

3．3倾斜微柱自组装

3．4倾斜微柱阵列捕获小球

3．5 SiO2小球捕获机理

3．6小球阵列成像应用

3．7本章小结

第4章基于涡旋光的手性结构检测研究

4．1涡旋光检测手JI生结构原理

4．1．1圆偏振光与涡旋光诱导二色性对比

4．1．2涡旋光产生二色性分析

4．1．3薄膜反射率分析

4．2反射强度检测及涡旋二色性

4．2．1实验装置

4．2．2涡旋二色性的定义

4．3涡旋光场分析

4．4手性结构的涡旋二色性谱分析

4．5涡旋光加工结构的手性检测

4．6本章小结

第5章基于涡旋光的准涡旋二色性研究

5．1准圆二色性的介绍

5．2圆偏振态涡旋光与非手性结构作用

5．3准涡旋二色性的产生

5．4本章小结

第6章总结与展望

6．1论文的主要研究内容

6．1．1调制涡旋光制备三维手性微结构

6．1．2叠加涡旋光制备分叉倾斜微柱

6．1．3涡旋光检测结构的手J陛

6．1．4非手性结构的准涡旋二色性

6．2研究工作的创新点

6．2．1调制涡旋光单次曝光加工

6．2．2涡旋二色性研究

6．3工作展望

6．3．1调制结构光加工功能结构和器件

6．3．2检测结构的(准)涡旋二色性

参考文献

致谢

在读期间取得的研究成果