CN107340600A - 一种基于金属平板的艾里光束发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金属平板的艾里光束发生器，所述艾里光束发生器由至少十组平行排列、间隔不等、长度一致的金属平板组，金属平板间的填充材料以及金属平板的支架组成，金属平板在y方向的厚度远大于入射波长，入射光的传播方向为z方向，金属平板周期相等，第一、三、五、七、九组内的金属平板间隔均为d₁，第二、四、六、八、十组内的金属平板间隔均为d₂，金属平板间隔不同时，根据入射光偏振态的不同，会激发出具有不同传播常数的导模模式，经过金属平板在z方向的长度传播后产生位相变化，且金属平板间隔为d₁和d₂时产生的相位变化正好相差π，符合艾里函数的相位要求，每组内金属平板的周期数由艾里函数的振幅分布要求决定。本发明提出的基于金属平板的艾里光束发生器相较于传统艾里函数发生器具有色散小、欧姆损耗低、耦合效率高、结构简单等优点。

Description

一种基于金属平板的艾里光束发生器

技术领域

本发明涉及一种基于金属平板的艾里光束发生器，涉及波导导波领域。

背景技术

太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一，被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。金属在太赫兹波段具有极高的介电常数，相当于一个完美电导体(Perfect Electric Conductor，PEC)，太赫兹辐射无法穿透导电的物体，电磁波在金属表面几乎全部反射，因此对于大多数电磁辐射，金属都是不透明的。太赫兹波在金属平板波导中传播时，群速度随频率变化不大，基本不产生色散，因此能有效抑制传输模中因群速度色散而产生的脉冲展宽，脉冲传输失真小。使用金属板在太赫兹波段制作平板波导时，电磁波在导波层传播发生全反射时几乎不会出现由于衰减导致的倏逝波，没有古斯-汉森位移。

衍射是光束的基本特征，可用于解释大多数经典波动现象。由于存在衍射，常规的无约束光束将逐渐变大，并且在传播过程中能量将逐渐发散。因此，减小或者消除衍射效应是非常重要的。沿着直线和曲线传输的非衍射光束的两个主要代表是贝塞尔光束和艾里光束。除了非衍射外，艾里光束还具有其他有吸引力的特性，如自横向加速特性，自弯曲特性和自愈合特性。由于这些独特的光学特性，艾里光束在很多光学领域具有应用潜力，例如构建自会聚光束、等离子体、微粒操控、光子弹、艾里激光器和大气传输。在1979年Berry和Balazs在量子力学领域作出了重要的预测：薛定谔方程具有遵循艾里函数的波包解。Berry认为，艾里波包是一维薛定谔方程的唯一非衍射解。然而，直到2007年，GeorgiosSiviloglou和其他同事才在自由空间光学系统中观察到了艾里光束。由于艾里函数的复杂性，传统产生艾里光束的方法通常是使用空间光调制器或者相位板来实现相位和幅度调制，例如Siviloglou G A，Broky J，Dogariu A，et al.“Ballistic dynamics of Airybeams，”[J].Optics Letters，2008，33(3)：207-9.和Cao R，Yang Y，Wang J，et al.“Microfabricated continuous cubic phase plate induced Airy beams for opticalmanipulation with high power efficiency，”[J].Applied Physics Letters，2011，99(26)：213901.。然而，这些光学元件通常体积庞大，不利于系统集成，从而限制了其在微纳米技术领域的应用。超表面材料其利用单层结构化的金属材料实现对电磁波的裁剪和调控，可以提供相位和幅度调制，并且近年来已经使用来产生艾里光束，例如Minovich A，Klein A E，Janunts N，et al.“Generation and near-field imaging of Airy surfaceplasmons，”[J].Physical review letters，2011，107(11)：116802.和Li Z，Cheng H，LiuZ，et al.“Plasmonic Airy Beam Generation by Both Phase and AmplitudeModulation with Metasurfaces，”[J].Advanced Optical Materials，2016，4(8)：1230-1235.。然而，实现超表面通常是具有挑战性的，涉及到复杂的设计和昂贵的制作过程，并且应用超表面结构传播电磁波时不可避免的会在电磁波传播过程中产生色散以及欧姆损耗。光学频段使用平行板金属波导实现艾里光束的有Choi D，Lim Y，Lee I M，et al.“Airybeam excitation using a subwavelength metallic slit array，”[J].IEEE PhotonicsTechnology Letters，2012，24(16)：1440-1442.，但是这篇文章中使用阶梯式的传播长度来控制相位增加了实验制作上的难度。因此设计简单制作的艾里光束发生器同时降低电磁波传播过程中产生的色散以及欧姆损耗成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种色散小、欧姆损耗低、耦合效率高、结构简单的一种基于金属平板的艾里光束发生器。

技术方案：

本发明提出的一种基于金属平板的艾里光束发生器，其特征在于：由至少十组平行排列、间隔不等、长度一致的金属平板组(1)，金属平板间的填充材料(2)以及金属平板的支架(3)组成，其中入射光的传播方向为z方向，金属平板周期相等，第一、三、五、七、九组内的金属平板间隔均为d₁，第二、四、六、八、十组内的金属平板间隔均为d₂，且金属平板间隔为d₁和d₂时产生的相位变化正好相差π，符合艾里函数的相位要求arg(φ(s，0))＝arg(Ai(s)exp(as))，每组内金属平板的周期数由艾里函数的振幅分布要求abs(φ(s，0))＝abs(Ai(s)exp(as))决定。

所述金属平板(1)的材料为金属，其在太赫兹波段的电导率要大于10⁷S/m。

所述金属平板(1)的厚度大于金属在太赫兹波段的趋肤深度，并且由所述金属平板(1)所引起的相位变化Φ＝βL和振幅分布要满足艾里函数有限能量分布公式其中L为所述金属平板(1)的长度，s＝x/x₀为归一化的x轴坐标，为艾里函数，ζ＝z/k₀x₀ ²为归一化的传播距离，a为衰减系数，β为单个金属平板单元结构的传播常数，由入射光的偏振态和金属平板间的间隔大小共同决定。

所述金属平板间的填充材料(2)是空气。

所述金属平板的支架(3)的材料为聚合物聚丙酯。

所述金属平板的周期固定，且要小于或等于入射波长。

有益效果：

1.本发明在传播太赫兹波时电磁波被限制在两片金属板之间传播，被金属板完美反射，波形和光谱几乎不扭曲，因此色散较小。

2.本发明与其他艾里光束发生器相比，只由不同厚度金属板按照一定间隔平行堆栈组成，结构简单，易于制作。

3.本发明与其他艾里光束发生器相比，具有欧姆损耗低、耦合效率高的优点。

附图说明

下面结合附图及具体方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2为本发明中单个平行金属平板单元结构在入射光的波长λ₀＝1mm，金属平板间隔d＝0.1～1mm范围内的透过率谱曲线示意图，图中插图为单个平行金属平板单元结构的示意图。

图3为本发明中单个平行金属平板单元结构在入射光的波长λ₀＝1mm，金属平板间隔d＝0.1～1mm范围内的相位谱曲线图，图中插图为单个平行金属平板单元结构的示意图。

图4为本发明中实施例根据函数使得a＝0.04，x₀＝2.22mm，λ₀＝1mm理论计算出的艾里函数分布图。

图5为本发明中实施例根据函数在输出端口面(z＝0)有φ(s，0)＝Ai(s)exp(as)，使得a＝0.04，x₀＝2.22mm，λ₀＝1mm，理论计算出的艾里函数振幅谱和相位谱曲线图。

图6为本发明中实施例设计艾里函数发生器参数为a＝0.04，x₀＝2.22mm，λ₀＝1mm时，使用二维有限元差分时域仿真软件Lumerical FDTD Solutions仿真得到的xz截面电场分布图。

图7为本发明中实施例设计艾里函数发生器参数为a＝0.04，x₀＝2.22mm，λ₀＝1mm时，在距离输出端口5mm处放置一个大小为4mm×1mm的金属薄片，使用二维有限元差分时域仿真软件Lumerical FDTD Solutions仿真得到的xz截面电场分布图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，如何设计出一种色散小、欧姆损耗低、耦合效率高、结构简单的基于金属平板的艾里光束发生器，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，是本发明的基于金属平板的艾里光束发生器结构示意图，图中画出了第一组和第十组，第二组到第九组省略。图中(1)为平行排列、间隔不等、长度一致的金属平板，(2)为金属平板间的填充材料空气，(3)为金属平板的支架，材料为聚合物聚丙酯。p为金属平板的周期，d为相邻平行金属板之间的间隔，L为金属平板的长度，电磁波沿z方向传播，且为正入射。入射光是TE模式的线性偏振光，电场的振动方向是y方向，磁场的振动方向是x方向。第一、三、五、七、九组内的金属平板间隔均为d₁，第二、四、六、八、十组内的金属平板间隔均为d₂，且金属平板间隔为d₁和d₂时产生的相位变化正好相差π，符合艾里函数的相位要求。

一种基于金属平板的艾里光束发生器，包括：至少十组平行排列、间隔不等、长度一致的金属平板组(1)、金属平板间的填充材料(2)以及金属平板的支架(3)如图1所示。金属在太赫兹波段具有极高的介电常数，相当于一个完美电导体(Perfect ElectricConductor，PEC)，太赫兹辐射无法穿透导电的物体，电磁波在金属表面几乎全部反射，因此对于大多数电磁辐射，金属都是不透明的。太赫兹波在金属平板间传播时，群速度随频率变化不大，基本不产生色散，因此能有效抑制传输模中因群速度色散而产生的脉冲展宽，脉冲传输失真小。平行金属板透镜由一些平行的金属板排列而成，电磁波通过这种透镜时，类似于电磁波在波导中传输一样。根据惠更斯原理，从相邻金属平板间发出的衍射光波可以作为单独的点光源，这些点光源具有新的初始电场强度和相位分布，因此这些点光源之间的干涉可以产生特定的干涉图案。当入射光为TE偏振态时，会在金属平板波导中激发出工作模式为TE₁的模式，TE₁模式下的传播常数是k为真空波矢，d为平行金属平板之间的间隔，L为金属平板的传播长度，传播常数的定义为单位距离上的相位变化，因此有相位延迟Φ＝βL。原理是太赫兹波在金属平板阵列传播时会在金属平板单元结构的空气-金属界面产生突变相移，这个突变相移由入射光的偏振态和金属平板间的间隔大小共同决定。

本实施例金属平板工作在TE₁模，工作模式为TE₁模的金属平板具有传播常数图2为单个平行金属平板单元结构在入射光波长λ₀＝1mm，金属平板间隔d＝0.1～1mm范围内的透过率谱曲线示意图。金属材料选择为铜，入射光为TE偏振。由于TE₁模式下截止波长λ_c＝2d，当d＜λ_c/2时传播常数β为纯虚数，没有传播发生，透过率为0，只有d≥λ_c/2本结构才能处于导模模式，即当d≥λ_d/2＝0.5mm时才可以传播电磁波。当d＝0.5mm时波导传播常数为0，刚好可以传播电磁波，透过率很低约为20％；当d＞0.5mm时，处于导模状态，透过率几乎为常数，平均透过率约为90％。图3为单个平行金属平板单元结构在入射光波长λ₀＝1mm，金属平板间隔d＝0.1～1mm范围内的相位谱曲线示意图。当d＜0.5mm时波导截止，传播常数β为纯虚数，相位为0；当d＝0.5mm时波导传播常数为0，相位为0；当d＞0.5mm时，传播常数β为实数，相位随d变化。艾里函数有限能量分布公式为其中L为所述金属平板(1)的长度，s＝x/x₀为归一化的x轴坐标，Ai为艾里函数，ζ＝z/k₀x₀ ²为归一化的传播距离，a为衰减系数，β为单个金属平板单元结构的传播常数，由入射光的偏振态和金属平板间的间隔大小共同决定。图4为使a＝0.04，x₀＝2.22mm，λ₀＝1mm理论计算出的艾里函数分布图，图4中可以看出光束朝向x方向弯曲并且具有很明显的非衍射特性。在输出端口面(z＝0)有φ(s，0)＝Ai(s)exp(as)，使a＝0.04，x₀＝2.22mm，λ₀＝1mm计算上式的振幅和相位可产生如图5所示的振幅谱和相位谱。图5中可以看出在-30mm＜d＜0mm范围内有10个瓣，10个瓣的振幅谱依次振荡减小，相邻瓣的相位相差π。结合图2和图3合理设置金属平板厚度和周期数使得d＝d(x)符合艾里函数振幅和相位分布即可产生艾里光束。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例

设计一个工作波长为λ_d＝1mm，a＝0.04，x₀＝2.22mm的艾里光束实例，周期p＝1mm，根据图5设计本实施例由三十一块金属平板构成，具有三十个金属平板间隙。由图5可以看到-30mm＜d＜0mm范围内有10个瓣，奇数(第一、三、五、七、九组)瓣相位为0，偶数(第二、四、六、八、十组)瓣相位为π，因此结合图2和图3设置奇数瓣部分平行金属平板之间的间隔为d₁＝0.517mm，偶数瓣部分平行金属平板之间的间隔为d₂＝0.76mm。本实施例设计中振幅与平行金属板周期数目有关，周期数目越多，振幅越高。图5中10个瓣的振幅振荡减小，10个瓣的振幅比约为7∶4∶3∶3∶3∶2∶2∶2∶2∶2，从而设置十组金属平板中的周期数目依次为7，4，3，3，3，2，2，2，2，2。使用二维有限元差分时域仿真软件Lumerical FDTD Solutions仿真得到的xz截面电场分布图如图6。图6中可以清楚地看到看到艾里光束的非衍射以及自弯曲特性。与图4相比可以看到图6的输出端口附近有微小衍射，主瓣的偏转角略小于图4，这是因为图6的电场分布是将艾里函数有限能量分布公式做了离散化分析仿真出来的，而图4完全是解析解，差别来自于图6样本的离散以及狭缝周期必须满足是整数因此无法精确满足振幅配比。图7为本发明中实施例设计艾里函数发生器参数为a＝0.04，x₀＝2.22mm，λ₀＝1mm时，在距离输出端口5mm处放置一个大小为4mm×1mm的金属薄片，使用二维有限元差分时域仿真软件Lumerical FDTD Solutions仿真得到的xz截面电场分布图。图7可以看出在艾里光束主瓣光路前放置金属薄片，这个金属障碍物只影响了它附近局部的电场，越过障碍物传输一段距离之后电场分布又恢复到了之前的形状，只是强度略微有点减弱，这种现象验证了艾里光束的自修复特性。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (6)

1.一种基于金属平板的艾里光束发生器，其特征在于：由至少十组平行排列、间隔不等、长度一致的金属平板组(1)，金属平板间的填充材料(2)以及金属平板的支架(3)组成，其中入射光的传播方向为z方向，金属平板周期相等，第一、三、五、七、九组内的金属平板间隔均为d₁，第二、四、六、八、十组内的金属平板间隔均为d₂，且金属平板间隔为d₁和d₂时产生的相位变化正好相差π，符合艾里函数的相位要求arg(φ(s，0))＝arg(Ai(s)exp(as))，每组内金属平板的周期数由艾里函数的振幅分布要求abs(φ(s，0))＝abs(Ai(s)exp(as))决定。

2.根据权利要求1所述的一种基于金属平板的艾里光束发生器，其特征在于：所述金属平板(1)的材料为金属，其在太赫兹波段的电导率要大于10⁷S/m。

3.根据权利要求1所述的一种基于金属平板的艾里光束发生器，其特征在于：所述金属平板(1)的厚度大于金属在太赫兹波段的趋肤深度，并且由所述金属平板(1)所引起的相位变化Φ＝βL和振幅分布要满足艾里函数有限能量分布公式其中L为所述金属平板(1)的长度，s＝x/x₀为归一化的x轴坐标，为艾里函数，ζ＝z/k₀x₀ ²为归一化的传播距离，a为衰减系数，β为单个金属平板单元结构的传播常数，由入射光的偏振态和金属平板间的间隔大小共同决定。

4.根据权利要求1所述的一种基于金属平板的艾里光束发生器，其特征在于：所述金属平板间的填充材料(2)是空气。

5.根据权利要求1所述的一种基于金属平板的艾里光束发生器，其特征在于：所述金属平板的支架(3)的材料为聚合物聚丙酯。

6.根据权利要求1所述的一种基于金属平板的艾里光束发生器，其特征在于：所述金属平板的周期固定，且要小于或等于入射波长。