中國科大：在渦旋光加工手性結構領域取得新進展

【成果簡介】

最近，中國科學技術大學工程科學學院微納米工程實驗室在利用調制光場加工三維微結構研究領域取得重要進展。他們通過渦旋光束與平面波同軸干涉形成三維螺旋光場，在各向同性材料中加工出具有扭臂截面的3D螺旋手性結構。該成果以Three-dimensional chiral microstructures fabricated by structured optical vortices in isotropic material為題，發表在國際期刊Light: Science & Application上。

【圖文導讀】

圖1 渦旋光特性及同軸干涉全息圖設計

（a）具有拓撲電荷l = 3（頂板）和-3（底板）的光學渦旋全息圖和相應的光學螺旋相位波前和“面團”形強度分布的圖示。l = 0的常規高斯光束全息圖（中間面板）具有平面波前。

（b）用平面波干擾渦流束（l= 3或-3）會產生螺旋圖案。

（c）在中心區域疊加有環形零相位的方位相全息圖（l = 3）。徑向位移相位傾斜光學渦流以干擾平面波。

圖2 螺旋光場和微納三維手性結構

（a）在OBJ下沿著z軸的3μm步長中的Ex分量的模擬強度分布圖。

（b）在距離OBJ焦平面z =7μm的平面上模擬強度和相位曲線。

（c）手性微結構的螺旋角（Ha）定義為沿z軸的橫截面的旋轉角度。

（d）分別具有l = 3,4和6的光學旋渦的相位分布中的方位角與相位值的關系。

（e）測量螺旋角（Has）和高度（H）的函數，以點表示。

【研究內容】

渦旋現象在自然界中很常見，如大氣渦旋（龍卷風）、水漩渦、漩渦星系等。不同于常見光束的平面形式等相位面，渦旋光(Optical vortex)的等相位波前是螺旋的，并具有“炸油圈”形的光強分布。如同地球繞太陽旋轉一樣，渦旋光中的光子繞光軸旋轉，并攜帶軌道角動量。自然界中的螺旋結構如DNA、卷須、彈簧等都具有手性特征，而微尺度的手性結構具有特殊的光學特性，在研究圓二色性和旋光色散等方面具有重要意義。然而，在微納尺度上高效率地加工手性結構依然是一項具有挑戰性的課題。其中，利用攜帶軌道角動量的渦旋光加工手性結構在國際激光加工領域已經成為一個研究熱點。已有報道將渦旋光的軌道角動量傳遞到金屬表面加工出手性結構，或在各向異性偏振敏感的偶氮苯聚合物中加工出扭臂狀浮雕圖案。然而，在更一般的材料如各向同性材料中，僅能典型地得到不具有手性特征的圓筒狀幾何結構。

該工作首次報道了在各向同性聚合物中，通過單次曝光快速加工得到可控手性結構。研究團隊設計集成方位變化相位和等相位于一張全息圖中，通過加載在液晶空間光調制器上調制得到同軸干涉光束，從而避免搭建干涉光路的繁瑣工作。生成的同軸干涉光束再經由高數值孔徑物鏡聚焦到各向同性聚合物中，得到微納尺度三維手性結構。研究表明，手性結構的截面扭臂圖案由干涉圖案形成，而沿光軸的手性特征由軌道角動量決定。

微納米工程實驗室長期從事全息光場調制結合超快激光微納加工方面的研究，具有良好的工作基礎和積累，先后實現了基于空間光調制器的多焦點并行激光微器件加工、基于矢量光束的特殊結構快速制造以及數字全息的算法優化等。新的工作在各向同性聚合物中實現了一種快速、穩定和易操作的加工手性結構方法，可靈活控制扭臂數和旋向并保持~100 nm精度，同時這種光束調制技術也有望用于光鑷、光通訊等方面。

論文第一作者是工程科學學院博士生倪勁成，中國科大教授吳東、副教授胡衍雷為論文通訊作者。這項工作得到了國家自然科學基金、中科院科研裝備研制項目和中國博士后科學基金等的資助。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201707/t20170731_4610257.shtml

文獻鏈接：Three-dimensional chiral microstructures fabricated by structured optical vortices in isotropic material?(Light: Science & Application，2017 ，DOI :10.1038/lsa.2017.11)

本文由材料人編輯部deer編輯，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷。