【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及共振谱显微光谱探测领域以及光纤集成器件领域，特别是涉及一种光纤cars激发用的光纤端面集成双波段消色差超构透镜及其制作方法。
技术介绍
1、相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti～stokes raman scattering，cars)显微成像技术是一种利用物质分子共振能级进行探测的非线性显微成像技术，常用于细胞、组织和聚合物等成像探测中，因其具有无标记、非入侵成像、高空间分辨率、化学特异性等特点，具有广阔的应用前景。在进行cars显微成像时，需要将不同波段的泵浦光和斯托克斯光在空间上紧密地聚焦到同一区域，以最大程度激发cars信号。传统台式cars显微物镜常用消色差透镜组或双胶合消色差透镜来实现泵浦光和斯托克斯光的共聚焦。受限于镜片材料和加工工艺，消色差透镜组和双胶合消色差透镜具有厘米量级尺寸，无法集成在光纤上形成光纤探针用于组织深处cars成像；同时对不同波段聚焦时仍然伴有亚毫米级的焦点漂移，这会导致cars激发效率的降低。近年来，由亚波长微结构阵列构成的超构透镜以其微米量级尺寸有望替代传统消色差透镜集成在光纤端面上实现组织深处cars成像，对于活体检测具有重要意义；同时通过设计微结构排布可以控制超构透镜不同波段的焦点漂移，提高cars激发效率。因此使用超构透镜实现光纤cars激发对实际应用具有重要意义。
技术实现思路
1、针对上述现有技术中cars激发用的消色差透镜存在的问题，本专利技术的目的在于提出一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜及其制作方法
2、为了达到上述专利技术目的，本专利技术提出以下技术方案：
3、一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，包括光纤以及设置于所述光纤的端面上的双层结构，所述双层结构包括上层聚焦超表面和下层偏振转化超表面；其中，所述上层聚焦超表面和下层偏振转化超表面均由亚波长微结构阵列构成；所述亚波长微结构阵列由同一个基底上呈周期性阵列排布的多个微结构单元组成，所述微结构单元进一步包括纳米柱和基底；从所述光纤端面出射的泵浦光和斯托克斯光入射至所述下层偏振转化超表面，经过所述下层偏振转化超表面转化为双波段圆偏振光，所述双波段圆偏振光进一步包括偏振光圆偏振泵浦光和圆偏振斯托克斯光，所述双波段圆偏振光入射至所述上层聚焦超表面，经所述上层聚焦超表面进行相位调制，调制后的圆偏振泵浦光和圆偏振斯托克斯光实现双波段消色差共聚焦。
4、所述上层聚焦超表面上的亚波长微结构阵列包括椭圆形微结构单元、矩形微结构单元和双矩形微结构单元，其中，各微结构单元中的纳米柱为非旋转对称结构。
5、位于上层聚焦超表面的亚波长微结构阵列各处的椭圆形、矩形或双矩形纳米柱的长轴或长边方向与位于阵列中心的椭圆形、矩形或双矩形纳米柱的长轴或长边方向之间的夹角θ满足下式：
6、
7、其中，φ(r,λs)表示泵浦波段相位分布函数，表示纳米柱对泵浦光和斯托克斯双波段的附加相位延迟，δφ(r)表示上层聚焦超表面在两个波段所需相位分布函数之间差值
8、所述超构透镜的相位分布函数如下式所示：
9、
10、其中，r、f表示上层聚焦超表面的半径、焦距，λ表示所选用泵浦光和斯托克斯光的波长。
11、所述下层偏振转化超表面上的亚波长微结构阵列包括椭圆形微结构单元、矩形微结构单元，其中，各微结构单元中的纳米柱为双重对称结构。
12、位于下层偏振转化超表面的亚波长微结构阵列各处的椭圆形或矩形纳米柱对偏振方向分别沿长短轴或长宽边方向的入射光调制所产生的附加相位差为π/2，且透射效率大于50％，矩形纳米柱的长宽尺寸为75～750μm，椭圆形的长短轴尺寸为75～750μm。
13、超构透镜的尺寸为直径10～50μm，厚10～20μm，焦距40～200μm。
14、泵浦光波长范围为1015～1070nm，斯托克斯光波长740～1015nm，两个波段下的焦点漂移小于15μm。
15、所述下层偏振转化超表面的亚波长微结构阵列各处的椭圆形或矩形纳米柱长轴或长边方向与该处光纤出射光的线偏振方向夹角θ为π/4。
16、一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜的制作方法，所述超构透镜加工方式包括双光子打印和微加工光刻，上层聚焦超表面和下层偏振转化超表面分别加工；上层聚焦超表面与下层偏振转化超表面通过紫外胶胶合形成双波段消色差超构透镜，再将超构透镜通过紫外胶固定在光纤的端面上。
17、相较于现有技术，本专利技术所具有的特点和优势为：
18、1)能够提高cars信号激发效率；
19、2)相较于传统空间块状结构的cars显微成像消色差透镜，大为缩小结构尺寸；
20、3)相较于光纤锥形cars激发探针，机械强度更高，能穿透更深层组织，对生物组织深处进行cars信号探测。
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1.一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于，包括光纤以及设置于所述光纤的端面上的双层结构，所述双层结构包括上层聚焦超表面和下层偏振转化超表面；其中，所述上层聚焦超表面和下层偏振转化超表面均由亚波长微结构阵列构成；所述亚波长微结构阵列由同一个基底上呈周期性阵列排布的多个微结构单元组成，所述微结构单元进一步包括纳米柱和基底；从所述光纤端面出射的泵浦光和斯托克斯光入射至所述下层偏振转化超表面，经所述下层偏振转化超表面转化为双波段圆偏振光，所述双波段圆偏振光进一步包括偏振光圆偏振泵浦光和圆偏振斯托克斯光，所述双波段圆偏振光入射至所述上层聚焦超表面，经所述上层聚焦超表面进行相位调制，调制后的圆偏振泵浦光和圆偏振斯托克斯光实现双波段消色差共聚焦。
2.根据权利要求1所述的一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于，所述上层聚焦超表面上的亚波长微结构阵列包括椭圆形微结构单元、矩形微结构单元和双矩形微结构单元，其中，各微结构单元中的纳米柱为非旋转对称结构。
3.根据权利要求2所述的一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于，位于上层聚焦超表面的亚波长
4.根据权利要求3所述的一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于，所述超构透镜的相位分布函数如下式所示：
5.根据权利要求1所述的一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于，所述下层偏振转化超表面上的亚波长微结构阵列包括椭圆形微结构单元、矩形微结构单元，其中，各微结构单元中的纳米柱为双重对称结构。
6.根据权利要求1所述的一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于，位于下层偏振转化超表面的亚波长微结构阵列各处的椭圆形或矩形纳米柱对偏振方向分别沿长短轴或长宽边方向的入射光调制所产生的附加相位差为π/2，且透射效率大于50％，矩形纳米柱的长宽尺寸为75～750μm，椭圆形的长短轴尺寸为75～750μm。
7.根据权利要求1所述的一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于，超构透镜的尺寸为直径10～50μm，厚10～20μm，焦距40～200μm。
8.根据权利要求1所述的一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于，泵浦光波长范围为1015～1070nm，斯托克斯光波长740～1015nm，两个波段下的焦点漂移小于15μm。
9.根据权利要求1所述的一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于，所述下层偏振转化超表面的亚波长微结构阵列各处的椭圆形或矩形纳米柱长轴或长边方向与该处光纤出射光的线偏振方向夹角θ为π/4。
10.根据权利要求1至9任意一项所述的一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜的制作方法，其特征在于，所述超构透镜加工方式包括双光子打印和微加工光刻，上层聚焦超表面和下层偏振转化超表面分别加工；上层聚焦超表面与下层偏振转化超表面通过紫外胶胶合形成双波段消色差超构透镜，再将超构透镜通过紫外胶固定在光纤的端面上。
...【技术特征摘要】
1.一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于，包括光纤以及设置于所述光纤的端面上的双层结构，所述双层结构包括上层聚焦超表面和下层偏振转化超表面；其中，所述上层聚焦超表面和下层偏振转化超表面均由亚波长微结构阵列构成；所述亚波长微结构阵列由同一个基底上呈周期性阵列排布的多个微结构单元组成，所述微结构单元进一步包括纳米柱和基底；从所述光纤端面出射的泵浦光和斯托克斯光入射至所述下层偏振转化超表面，经所述下层偏振转化超表面转化为双波段圆偏振光，所述双波段圆偏振光进一步包括偏振光圆偏振泵浦光和圆偏振斯托克斯光，所述双波段圆偏振光入射至所述上层聚焦超表面，经所述上层聚焦超表面进行相位调制，调制后的圆偏振泵浦光和圆偏振斯托克斯光实现双波段消色差共聚焦。
2.根据权利要求1所述的一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于，所述上层聚焦超表面上的亚波长微结构阵列包括椭圆形微结构单元、矩形微结构单元和双矩形微结构单元，其中，各微结构单元中的纳米柱为非旋转对称结构。
3.根据权利要求2所述的一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于，位于上层聚焦超表面的亚波长微结构阵列各处的椭圆形、矩形或双矩形纳米柱的长轴或长边方向与位于阵列中心的椭圆形、矩形或双矩形纳米柱的长轴或长边方向之间的夹角θ满足下式：
4.根据权利要求3所述的一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于，所述超构透镜的相位分布函数如下式所示：
5.根据权利要求1所述的一种光纤端面集成双波段消色差超构透镜，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：江俊峰，刘铁根，林春臻，刘琨，王通，王双，丁振扬，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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