基于纳米筛超表面的远场多通道涡旋光束生成器
阅读说明：本技术 基于纳米筛超表面的远场多通道涡旋光束生成器 (Far field multi-channel vortex light beam generator based on nano-sieve super-surface ) 是由 金中薇 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种基于纳米筛超表面的远场多通道涡旋光束产生器,包括衬底及形成于衬底上的纳米筛超表面；所述超表面具有m组设计单元,所述设计单元被构造为由连线为费马螺旋线的n个圆形纳米筛孔在0～360度范围内沿方位角域等分排布组成；各设计单元所含纳米筛孔连线形成的费马螺旋线在0～P度范围内沿方位角域等分排布,所述P≥360；工作波长范围内的入射光垂直入射所述超表面,透过纳米筛孔后,在远场通过干涉形成多个具有不同拓扑荷数的共轴涡旋光束；所述拓扑荷数为m的整数倍。本发明可在远场环境下实现多个不同拓扑荷数的共轴涡旋光束的产生。(The invention provides a far-field multi-channel vortex beam generator based on a nano-sieve super-surface, which comprises a substrate and the nano-sieve super-surface formed on the substrate; the super surface is provided with m groups of design units, and the design units are formed by uniformly distributing n round nanometer sieve pores connected into a Fermat spiral line within the range of 0-360 degrees along an azimuth domain; the Fermat spiral lines formed by the connection lines of the nano-sieve pores contained in each design unit are distributed equally along the azimuth angle domain within the range of 0-P degrees, wherein P is more than or equal to 360 degrees; incident light in the working wavelength range is vertically incident to the super-surface, and forms a plurality of coaxial vortex light beams with different topological charge numbers in a far field through interference after penetrating through the nano sieve pores; the topological charge number is an integral multiple of m. The invention can realize the generation of a plurality of coaxial vortex beams with different topological charge numbers in a far field environment.)
技术领域
本发明属于微纳光学器件技术领域，具体涉及一种利用纳米筛超表面结构实现远场环境下的多通道涡旋光束生成器。
背景技术
涡旋光束作为一种具有螺旋形相位波前以及中心相位奇点的特殊光束在量子光通信、超分辨成像、微纳颗粒的操控、以及多通道信息存储等先进应用领域都发挥着重要的作用。在现有方案中，人们常常通过螺旋相位板、空间光调制器、叉型光栅等传统光学器件来产生携带特定拓扑荷数的涡旋光束。然而，利用这些方法产生涡旋光束对系统的进一步缩小以及集成化都带来了限制。
近年来，超表面以其对光束波前相位和振幅的灵活操控以及超薄的厚度和超紧凑的体积为涡旋光束的产生带来了新的机遇与发展。通常，现有方案在利用超表面产生特定拓扑荷数的涡旋光束时，通过设计对入射光产生0～2π梯度相位响应的微纳单元结构并对这些微纳单元结构进行特定排布来实现。
为了实现光学器件的多功能性以及进一步推动光学器件的集成化，当需要通过一个超表面微纳光学器件产生多个不同拓扑荷数的涡旋光束时，现有方案通常依靠将具有不同相位响应的微纳单元结构通过分区域排布或者交错排布的手段来实现。在此类方案下，每个微纳单元结构仍只服务于产生其中某个特定拓扑荷数的涡旋光束。与此同时，为了抑制不同微纳单元结构之间的交叉耦合效应，相邻微纳单元之间需要有足够的距离，而这又反过来降低了器件的紧凑性以及通道容量。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于纳米筛超表面的远场多通道涡旋光束产生器，通过设计纳米筛超表面上纳米筛孔的排布，可在远场环境下实现多通道涡旋光束生成器，以在远场环境下实现多个不同拓扑荷数涡旋光束的产生。与此同时，此种纳米筛超表面中的每个微纳单元结构(即单个纳米筛孔结构)都服务于该器件所产生的所有不同拓扑荷数的涡旋光束，真正实现了“一孔多用”，从而为超表面多通道涡旋光束的产生打开了新的途径。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于纳米筛超表面结构的多通道涡旋光束生成器，包括衬底及形成于衬底上的纳米筛超表面；所述超表面具有m组设计单元，所述设计单元被构造为由连线为费马螺旋线的n个圆形纳米筛孔在0～P度范围内沿方位角域等分排布组成，所述P≥360；各设计单元所含纳米筛孔连线形成的费马螺旋线在0～360度范围内沿方位角域等分排布；工作波长范围内的入射光垂直入射所述超表面，透过纳米筛孔后，在远场通过干涉形成多个具有不同拓扑荷数的共轴涡旋光束；所述拓扑荷数皆为m的整数倍。
作为一种优选方案，所述纳米筛孔的直径为工作波长的1～5倍。
作为一种优选方案，所述超表面采用金、银、铝、铬中的任意一种金属材料制作，厚度为50～200nm。
作为一种优选方案，所述超表面采用还原氧化石墨烯制作，厚度为1000±50nm。
作为一种优选方案，所述P≥540。
作为一种优选方案，所述衬底选用玻璃、氧化铝或透明树脂材料制作。
其中，所述拓扑荷数满足以下规律：al、-bl、(a+b)l、-(a+2b)l、…，其中，l为预设拓扑荷数，l＝m，a＝1，b为大于a的整数。
其中，所述费马螺旋线的公式为：式中，θ为费马螺旋线的方位角，rθ为方位角θ对应的费马螺旋线半径，r0为费马螺旋线的起始半径，λ为预设工作波长，l为预设费马螺旋线的拓扑荷数，l＝m，z0表示预设聚焦面Z距所述超表面在光的传播方向上的距离。
其中，所述入射光的波长为预设工作波长λ时，在预设聚焦面Z处得到多个具有不同拓扑荷数的共轴涡旋光束；在工作波长范围内，若改变入射光波长为λ1，则在距所述超表面z1＝λz0/λ1处得到多个具有不同拓扑荷数的共轴涡旋光束。
其中，所述工作波长的范围包括紫外、可见光、近红外波段。
本发明具有以下有益效果：
(1)提出一种具有纳米筛超表面结构的远场多通道涡旋光束生成器，通过调整纳米筛孔的非周期性排布，可在菲涅尔区域远场环境下实现一个器件产生多束不同拓扑荷数涡旋光束的设计思路。
(2)相比于现有的多通道超表面涡旋光束发生器设计方案，本发明中的每个微纳单元结构都服务于该器件所产生的所有不同拓扑荷数的涡旋光束，真正实现了“一孔多用”，从而为超表面多通道涡旋光束的设计打开了新的道路，进一步促进了器件的紧凑性和多功能性的发展。
(3)本发明只需要在工作波长范围内不透光的材料(例如，金膜、银膜、还原氧化石墨薄膜等)上打孔即可实现，相比于之前基于相位调控型的超表面涡旋光束发生器，本发明仅通过透光以及不透光的“0”、“1”二元状态即可实现，无需依赖微纳元结构进行精确相位调控，因此具有更强的鲁棒性，且加工更简便。
(4)本发明根据菲涅尔原理以及纳米筛孔的透光性，通过单一器件即可实现在一个特定的宽波段范围内工作，大大提升了器件的实用性和应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：(a)为多通道涡旋光束产生器的结构示意图；(b)～(e)为依据该器件的结构简并性提炼出的四种不同螺旋形态的结构示意图。
图2：为多通道涡旋光束产生器的俯视图。
图3：(a)为多通道涡旋光束产生器在633nm入射光下聚焦面的仿真强度分布图；(b)为多通道涡旋光束产生器在633nm入射光下聚焦面的仿真相位分布图；(c)为多通道涡旋光束产生器在633nm、532nm和445nm入射光下聚焦面的实验强度分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
通常，人们用不同形态的单条螺旋线形槽来实现特定拓扑荷数的涡旋光束的产生。然而，利用该类方案单个器件通常只能产生单个特定拓扑荷数的涡旋光束。为此，本发明提供一种基于纳米筛超表面的多通道涡旋光束生成器的设计方案，为使得单个器件产生多个不同拓扑荷数的涡旋光束，通过将螺旋线形槽沿方位角域等分排布，并将连续的螺旋线形槽轨迹简化为分散的纳米筛孔，同一条螺旋线形的纳米筛孔沿方位角域等分排布，从而在单一结构中利用结构简并性，衍生出多条螺旋线形轨迹，进而实现多个不同拓扑荷数的涡旋光束的产生。
本发明所公开的多通道涡旋光束生成器的纳米筛超表面(简称“超表面”)主要分为两部分，即有孔部分(即纳米筛孔)和无孔部分。其中，无孔部分光打上去都被吸收或反射了，不会对远场造成影响。有孔部分的光大部分则会通过纳米筛孔透射过去。因为相对于工作波长而言，纳米筛孔的孔径设计的比较大，所以SPP(表面等离子体极化激元，简称“表面等离激元”)的效应较弱，光的吸收和反射很弱，几乎没什么影响。由此，整个超表面呈现的是一个透光以及不透光的0、1二元状态分布。
本发明所公开的多通道涡旋光束生成器可在特定宽波段内工作，工作波长范围(也可称“工作波段”)涉及紫外、近红外和可见光波段。在相应工作波段内，所选择的超表面材料需在该工作波段表现为不透光，即对工作波段的光具有吸收强、损耗高的特点。以金属为例，可选用金、银、铝、铬等，相应超表面厚度在50～200nm。以二维材料为例，可选用还原氧化石墨烯等，相应超表面厚度在1000±50nm左右。上述超表面对应厚度的设计，既可以保证纳米筛超表面没有纳米筛孔的地方都不透光，还可以避免纳米筛孔部分产生波导效应以及保证加工样品的质量。进一步，为了在尽可能优化器件效率的情况下同时确保来自同一纳米筛孔的光到聚焦面的最大相位差可以忽略不计，超表面上纳米筛孔的直径通常为1～5倍工作波长。所选衬底材料尽量在相应工作波段内具有损耗低的特点，例如，透明的树脂、玻璃、氧化铝等。
需要说明的是，本发明中螺旋线的线形使用的是费马螺旋线，费马螺旋线的公式为：式中，θ为螺旋线的方位角，rθ为方位角θ对应的螺旋半径，r0为螺旋线的起始半径，λ为工作波长，l为预设拓扑荷数，z0为预设聚焦面Z距超表面在光的传播方向上的距离。
选择费马螺旋线主要是考虑到透过该螺旋线狭缝结构的光可以在远场产生l倍的2π相位差，从而生成拓扑荷数为l的涡旋光束。这样，垂直入射至超表面的光，穿过该费马螺旋线狭缝结构的光会形成螺旋波前，在聚焦面Z处可积累l·2π的相位差，从而在聚焦面Z处得到拓扑荷数为l的涡旋光束。为了得到多个不同拓扑荷数的涡旋光束，本发明将此费马螺旋线狭缝结构沿方位角域等分重复排布l次，并将螺旋线狭缝结构分割成方位角等分的圆形纳米筛孔，也即连续的费马螺旋线狭缝结构由若干圆形纳米筛孔连线形成的费马螺旋线结构替代，从而得到可以产生不同拓扑荷数涡旋光束的多通道涡旋光束生成器。此处，费马螺旋线的方位角应从0°覆盖到P°，P≥360°，由此可保证在远场累积l·2π的相位差。当我们适当延长费马螺旋线(反应到结构上为适当增加代替费马螺旋线的纳米筛孔的数量)时，可增多由结构简并性带来的“隐藏式”螺旋线结构。
本发明所设计的多通道涡旋光束生成器最终可形成具有不同拓扑荷数的涡旋光束，其中的拓扑荷数排布后可满足以下规律：al、-bl、(a+b)l、-(a+2b)l、…，其中l＝m，a＝1，b为大于a的整数。在入射波长为原预设波长λ时，可在预设聚焦面Z处(即距离超表面距离为z0处)得到生成的多个共轴涡旋光束。那么依据菲涅尔原理可知，改变入射光波长为λ1时，即可在距离超表面z1＝λz0/λ1处得到相应的结果。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
结合图1至图3所示，实施例1公开一种远场环境下工作的多通道涡旋光束产生器，该多通道涡旋光束产生器(以下也称“样品”)包括玻璃衬底1及形成于衬底1上的纳米筛超表面2，纳米筛超表面2上加工有非周期性排布的圆形纳米筛孔3。由于金的加工便利性，我们选用金作为纳米筛超表面的制备材料，金膜的的厚度为120nm，圆形纳米筛孔3的直径为2000nm。需要说明的是，纳米筛孔仅是在金膜上刻蚀，即深度和金膜厚度一样。
在本实施例中，我们将工作波段设计在可见光波段，预设拓扑荷数l定为13，起始半径r0选为22μm，预设聚焦面Z选在沿光的传播方向上距离样品250μm处，即z0＝250um。可选地，在本实施例中，将费马螺旋线的方位角从0°覆盖到540°，如图1(b)所示。我们将此螺旋线结构沿方位角方向等分重复13次。可选地，在本实施例中，将每条螺旋线结构沿方位角方向等分分割成72个纳米筛孔。因此，此金属纳米筛超表面远场多通道涡旋光束生成器共包含936个非周期性排布的纳米筛孔。
由于纳米筛超表面的结构简并性，我们可以在该纳米筛超表面结构中发现4种不同形状的螺旋线形结构，即：该纳米筛超表面可看作13条顺时针旋转的费马螺旋线的组合(图1(b))，或是39条逆时针旋转的螺旋线的组合(图1(c))，或是52条顺时针旋转的螺旋线的组合(图1(d))，或是91条逆时针旋转的螺旋线的组合(图1(e))。基于此，该纳米筛超表面在远场聚焦面上可产生四种不同拓扑荷数的涡旋光束，这四种涡旋光束的拓扑荷数分别为+13，-39，+52以及-91。
对于本实施例而言，以工作波长范围内的可见光波为例，445nm波长入射光照射下可以在远场距离所述超表面356μm处生成+13，-39，+52，-91四种不同拓扑荷数的涡旋光束；532nm波长入射光照射下可以在远场距离所述超表面297μm处生成+13，-39，+52，-91四种不同拓扑荷数的涡旋光束；633nm波长入射光照射下可以在远场距离所述超表面250μm处生成+13，-39，+52，-91四种不同拓扑荷数的涡旋光束。
如图3所示，图3(a)所展示的仿真强度分布图展示了共轴的四个不同半径的“甜甜圈”形状的结构，分别对应拓扑荷数为+13，-39，+52以及-91的涡旋光束；图3(b)所展示的仿真相位分布图对应于图3(a)展示了对应涡旋光束的相位分布，分别为+13·2π，-392π，+52·2π以及-91·2π；图3(c)展示了实验测得的在633nm，532nm以及445nm波长入射光照射下的强度分布图，与仿真强度分布图相吻合。
该样品具体可采用电子束蒸发(HHV，AUTO500)在清洁的玻璃基底上沉积金薄膜，沉积速率为然后用聚焦离子束技术(FEI，Helios NanoLab600i)在金薄膜上刻蚀相应结构，该技术由NanoBuilder软件控制。其中，离子束的电流为80pA，能量为30kV。当然制备样品所采用的工艺并不限于以上所述，但这并非本发明的重点，不再赘述。
最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。