阅读说明：本技术 纳米八木天线阵列结构 (Nano yagi antenna array structure ) 是由 匡登峰 林宇 杨卓 马晓威 耿雪 郭蓉 李钰琛 于 2018-06-08 设计创作，主要内容包括：一种优化海豚形元胞圆阵列超表面产生的局域复合偏振光场的片上定向纳米八木天线阵列,由五根纳米金属棒组成构成一组,一共N组(N≥3且N为正整数),各组棒状结构沿径向指向圆心,等角度旋转排布构成圆形阵列。纳米八木天线结构对于海豚形元胞圆阵列超表面透射场能量强度的维持有一定的积极作用,优化透射光场z方向分量E<Sub>z</Sub>的强度占比,使优化程度随距离增加而增强,对透射场E<Sub>z</Sub>分量相位分布无明显消极作用。本结构具有良好的定向场增强、辐射的作用,能够显著增强涡旋光束E<Sub>z</Sub>的强度占比,这对于涡旋光束的检测有重要意义。本发明结构简单,促进光学器件的微型化和集成化,提高光通信的稳定度、灵敏度,对宽带光通信、光学成像、纳米操控等领域有重要的应用价值。(An on-chip directional nano yagi antenna array for optimizing a local composite polarized light field generated on the super surface of a dolphin-shaped cellular circular array is composed of a group consisting of five nano metal rods, wherein N groups (N is more than or equal to 3 and is a positive integer) are formed, and each group of rod-shaped structures point to the center of a circle along the radial direction and are arranged in an equiangular rotation mode to form the circular array. The nano yagi antenna structure has a certain positive effect on maintaining the energy intensity of the super-surface transmission field of the dolphin-shaped cellular circular array, and optimizes the component E of the transmission light field in the z direction z Such that the degree of optimization increases with distance, for the transmission field E z The component phase distribution has no significant negative effect. The structure has good functions of directional field enhancement and radiation, and can remarkably enhance vortex beam E z Is important for the detection of vortex beams. The invention has simple structure, promotes the miniaturization and integration of optical devices, improves the stability and sensitivity of optical communication, and has important application value in the fields of broadband optical communication, optical imaging, nano control and the like.)

纳米八木天线阵列结构

技术领域

本发明属于纳米天线领域，涉及光场偏振调制、纳米操纵、表面等离子体激发，特别是一种优化海豚形元胞圆阵列超表面产生的局域复合偏振光场的片上定向纳米八木天线阵列。

背景技术

目前，有许多种类的亚波长尺度的光学器件用于调控光场的自旋角动量与轨道角动量。近年来，利用轨道角动量提高信息承载能力的应用被广泛关注，而对于如何提高含轨道角动量(OAM)光束的传播效率逐渐称为研究热点之一。

2011年，OAM波束实现由光纤耦合器的产生，其模式纯度可达96.4％以上。但是由于光纤耦合器的波导色散差，使得高阶OAM模对波长的变化敏感，从而导致模式的不稳定。而传统的OAM波束产生方法，如螺旋相位板法、计算全息法，由于外加调制光路，导致OAM波衰严重。

光学器件的微型化与集成化是当前光学领域研究的重要课题，然而传统光学器件却存在体型较大、难以集成等缺陷。2016年，在银膜上刻环形孔的结构的提出，使器件可以在实现高集成度的同时抑制相位噪声。但是其并未提高单一方向波束强度。

本发明通过一组纳米八木天线阵列，提高了OAM波束中E_z强度的占比，提升了OAM的检测性能。由于纳米天线阵列微型、轻便，这有利于尽可能地缩小器件的尺寸。

发明内容

本发明提供了一种增强涡旋光束E_z的强度占总光场E强度比例的八木天线阵列。该天线阵列由N组纳米结构的八木天线单元组成，每个天线单元由五根纳米金属棒组成。每根纳米金属棒由两个半径为r的半球与一根半径为r的圆柱组成。其中，较长金属棒称为反射器，次长金属棒称为主振子，较短的三根金属棒称为引向器。主振子长度L_f＝2r+L，其中L＝λ/4(λ为入射光波长)，反射器长度L_r＝1.25L_f，引向器的长度L_d＝0.9L_f。并且，三者的半径相同。反射器与主振子间距a_r＝λ/4.4，引向器与引向器、引向器与主振子之间的间距a_d＝λ/4。N组天线距离结构轴心的距离为R，相邻两组天线关于轴心的夹角α＝360°/N。

所述的天线阵列结构具有良好的定向场增强、辐射的作用，能够显著增强涡旋光束E_z的强度占比，这对于涡旋光束的检测有重要意义。

本发明的优点和积极效果：

海豚形金属元胞将入射光能量束缚到结构表面，将入射的线偏振光转化为螺旋相位光束后，产生局域复合偏振光场透过所述的定向片上纳米八木天线阵列，该纳米八木天线阵列使得透射光场z方向分量E_z的强度占总光场E强度的比例在相同传播距离下相比于未使用所述纳米八木天线阵列的超表面显著增强。同时，所述天线对原超表面产生的居于复合型光场的相位螺旋效果没有明显的影响。该结构具有良好的定向场增强、辐射的作用，能够显著增强涡旋光束E_z的强度占比，这对于涡旋光束的检测有重要意义。该纳米八木天线结构具有方向性良好、增益高、制造简单、方便集成集总组件在结构表面的优点。本发明提高光通信的稳定度、灵敏度，对宽带光通信、光学成像、纳米操控等领域有重要的应用价值。

附图说明

图1是纳米天线阵列的三视图。其中：(a)是其中一组金属棒状结构的主视图及侧视图，主视图八木天线阵列的径向为x轴，以垂直径向方向为y轴(未画出)，以八木天线阵列其中一组金属棒状结构的排布延伸方向为z轴。(b)是放置于海豚形元胞圆阵列超表面上的纳米八木天线阵列的俯视图。

图2是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处的透射场的强度与使用纳米天线阵列结构时超表面后方不同距离处的透射场的强度对比示意图(以N＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场的强度分布示意图；(b)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场的强度分布示意图；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场的强度分布示意图；(d)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场的强度分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场的强度分布示意图；(f)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场的强度分布示意图。

图3是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处光场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度|E|²的比例与使用纳米八木天线阵列后超表面后方不同距离处光场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度|E|²的比例在相同距离下的对比示意图(以N＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度的比例；(b)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度的比例；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度|E|²的比例；(d)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度的比例；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度|E|²的比例；(f)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度的比例。

图4是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处光场E_z分量的相位分布与使用纳米八木天线阵列后超表面后方不同距离处光场E_z分量的相位分布在相同距离下的对比示意图(以N＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场的E_z分量相位分布示意图；(b)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场的E_z分量相位分布示意图；(c)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场的E_z分量相位分布示意图；(d)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场的E_z分量相位分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场的E_z分量相位分布示意图；(f)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场的E_z分量相位分布示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1(a)所示，本发明提供的片上定向纳米八木天线阵列基本单元为金属棒状结构，每根微纳米铝棒由一根半径为r的圆柱与圆柱两端两个半径为r的半球形组成，表面光滑一体化无连接缝隙，由五根棒状结构构成一组，每组天线中较长的为主振子，次长的为反射器，较短的三根为引向器。主振子长度L_f＝2r+L，反射器长度L_r＝1.25L_f，引向器的长度L_d＝0.9L_f。反相器与主振子间距a_r＝λ/4.4，引向器与引向器、引向器与主振子之间的间距均为a_d＝λ/4。一共N组，N组天线距离结构轴心的距离为R，相邻两组天线关于轴心的夹角α＝360°/N。天线阵列应放置在海豚形元胞圆阵列超表面上方d₀处。

本发明纳米八木天线的制作可采用对向靶直流磁控溅射和聚焦离子束刻蚀技术来实现。其具体步骤如下：

(1)利用对向靶直流磁控溅射方法在石英等玻璃衬底上或硅等半导体衬底上溅射金、银、铝、铜等纳金属膜；

(2)利用聚焦离子束刻蚀技术或电子束直写技术在纳金属膜上刻蚀纳米天线结构。

具体应用实例1

片上定向纳米八木天线阵列优化海豚形元胞圆阵列超表面产生的局域复合偏振光场的具体参数如下为例：

取入射波长530nm下，定向纳米八木天线阵列材料为铝(ε＝-42.1+11.9*i)，如图1(a)所示，主振子圆柱部分L＝120nm，两端球形半径与棒半径一致，为r＝20nm。因此主振子长度为L_f＝2r+L＝160nm，反射器长度L_r＝1.25L_f＝200nm，引向器的长度L_d＝0.9L_f＝144nm，五根铝棒的半径均为r＝20nm。反相器与主振子间距a_r＝120nm，引向器与引向器、引向器与主振子之间的间距a_d＝132nm。

如图1(b)所示，该天线阵列共有N＝8组，天线近圆心端距离圆心R＝1000nm，相邻两组天线关于轴心的夹角α＝45°，天线阵列位于海豚形元胞圆阵列超表面上方d₀＝100nm处。

图2是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处的透射场的强度与使用纳米天线阵列结构时超表面后方不同距离处的透射场的强度对比示意图(以N＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场的强度分布示意图；(b)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场的强度分布示意图；；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场的强度分布示意图；(d)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场的强度分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场的强度分布示意图；(f)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场的强度分布示意图。从计算结果里不难看出，使用纳米八木天线阵列后，入射光照射到海豚形元胞圆阵列超表面时，由于纳米八木天线的定向辐射再次激发该局域复合光场，相同传播距离的下，螺旋相位光场强度更高，中心处相位涡旋更加明显。从结果中可以看出，当D＝1000nm、2000nm、3000nm时，使用八木天线阵列能小幅度增强透射场的强度。

图3是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处光场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度|E|²的比例与使用纳米八木天线阵列后超表面后方不同距离处光场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度|E|²的比例在相同距离下的对比示意图(以N＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度的比例；(b)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度的比例；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度|E|²的比例；(d)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度的比例；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度|E|²的比例；(f)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场z分量E_z的光场强度|E_z|²占总光场强度的比例。从结果中可以看出，当D＝1000nm时，E_z分量的光场强度|E_z|²占总光场强度|E|²的比例最高分别可达到8％、35％；当D＝2000nm时，E_z分量的光场强度|E_z|²占总光场强度|E|²的比例最高已分别降至3％、18％；当D＝3000nm时，E_z分量的光场强度|E_z|²占总光场强度|E|²的比例最高分别为1.4％、9％。随着距离D的增大，透射场E_z占比减小。综上分析，八木天线阵列对透射光场z方向分量E_z的强度占总光场E强度的占比有显著的增强作用。

图4是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处光场E_z分量的相位分布与使用纳米八木天线阵列后超表面后方不同距离处光场E_z分量的相位分布在相同距离下的对比示意图(以N＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场的E_z分量相位分布示意图；(b)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场的E_z分量相位分布示意图；(c)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场的E_z分量相位分布示意图；(d)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场的E_z分量相位分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场的E_z分量相位分布示意图；(f)是使用纳米八木天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场的E_z分量相位分布示意图。从结果中可以看出，当D＝1000nm时，E_z分量相位分布大致相近；当D＝2000nm、3000nm时，使用纳米八木天线阵列的结构海豚形元胞圆阵列超表面透射场的E_z分量相位分布略微模糊，但不影响使用，在可使用、调节范围内。综上分析，随传播距离增加E_z相位螺旋效果越好，纳米八木天线结构对于海豚形元胞圆阵列超表面透射场E_z分量相位分布无明显消极作用。