CN108363129A - 多结构组合人工电磁表面 - Google Patents
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Abstract
一种产生高局域性和高纵向场分量比例特性的局域复合偏振光场的多结构组合人工电磁表面。该人工电磁表面有金属海豚形元胞圆阵列‑金属圆柱、海豚形元胞圆阵列‑石墨烯层、金属海豚形元胞圆阵列‑金属圆柱‑石墨烯层三种组合结构,基底为可见光波段常用介质材料,以可见光波段线偏振高斯光束作为入射源,圆阵列半径为R1,金属圆柱半径为R2,金属材料层厚度为D1,石墨烯层厚度为D2。金属海豚形元胞圆阵列‑金属圆柱组合结构可激发较高局域性和高纵向场分量占比的矢量涡旋光场且金属圆柱半径越大光场局域性越强、纵向场分量占比越大,金属海豚形元胞圆阵列‑石墨烯层组合结构可以产生高局域性的矢量涡旋光场,金属海豚形元胞圆阵列‑金属圆柱‑石墨烯层组合结构激发的矢量涡旋光场兼顾了高局域性和高纵向场分量占比。本发明对量子通信、分子筛选、纳米操控等领域有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于微纳米光学领域,设计光场调控、纳米操纵、表面等离子体激发,特别是一种产生兼顾局域性和高纵向场分量比例特性的局域复合偏振光场的多结构组合人工电磁表面。
背景技术
承载轨道角动量的涡旋光束正在引起越来越多的关注。涡旋光束的特性被用来扩展其应用,如光通信,光镊和量子计算。涡旋光束由十年前的螺旋相位板,空间光调制器和计算机生成的全息图产生。目前,多数情况下涡旋光束通过微型化和集成化的亚波长尺度人造光学元件来产生。
尽管如此,亚波长尺度人造光学元件的矢量光束生成面临着两个挑战。首先,将线偏振光束转换成涡旋光束的元件非常难以制造。通过使用仅用于将线偏振激光束直接转换成涡旋光束而不用偏振转换器的元件可以实现光学器件的集成微纳米螺旋锥结构可实现线偏振光入射时矢量涡旋光束的激发,然而哉实际制备中尺度仅为几纳米的纳米螺旋锥的顶点难以制造,这会大大影响透射场的分辨率和局域性。其次,在大多数情况下,容易制造的亚波长级光学元件只能将圆偏振光转换成涡旋光束。如今很多研究者使用具有亚波长尺度的二维人工人次表面被用来激发涡旋光束,尽管如此,在Pancharatnam-Berry相位原理的基础上,在大多数情况下只有圆偏振光可以通过使用人工电磁表面来转化为涡旋光束,因此很少提及用线偏振光照射产生涡旋光束。在之前的研究中,金属海豚形元胞圆阵列超表面被用来将线偏振光转换为矢量涡旋光束,从而兼顾了上述的两个问题,但其透射场局域性和纵向场分量占比不是很理想,这会影响纳米粒子的精准操控和操控灵敏度,从而在很大程度上影响二维人工电磁表面在实际生产生活中的应用。
综上,本发明创新性地提出了一种产生高局域性和高纵向场分量比例特性的局域复合偏振光场的多结构组合人工电磁表面。该人工电磁表面有金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱、海豚形元胞圆阵列-石墨烯层、金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层三种组合结构,基底为可见光波段常用介质材料,以可见光波段线偏振高斯光束作为入射源,圆阵列半径为R1,金属圆柱半径为R2,金属材料层厚度为D1,石墨烯层厚度为D2。金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构可激发较高局域性和高纵向场分量占比的矢量涡旋光场且金属圆柱半径越大光场局域性越强、纵向场分量占比越大,金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构可以产生高局域性的矢量涡旋光场,金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构激发的矢量涡旋光场兼顾了高局域性和高纵向场分量占比。本发明对量子通信、分子筛选、纳米操控等领域有重要的应用价值。
发明内容
本发明提供了一种产生高局域性和高纵向场分量比例特性的局域复合偏振光场的多结构组合人工电磁表面。该人工电磁表面有金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱、海豚形元胞圆阵列-石墨烯层、金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层三种组合结构,基底为可见光波段常用介质材料,以可见光波段线偏振高斯光束作为入射源,圆阵列半径为R1,金属圆柱半径为R2,金属材料层厚度为D1,石墨烯层厚度为D2。
金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构可激发较高局域性和高纵向场分量占比的矢量涡旋光场且金属圆柱半径越大光场局域性越强、纵向场分量占比越大,金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构可以产生高局域性的矢量涡旋光场,金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构激发的矢量涡旋光场兼顾了高局域性和高纵向场分量占比。
本发明的优点和积极效果:
所述的多结构组合人工电磁表面,金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构可激发较高局域性和高纵向场分量占比的矢量涡旋光场且金属圆柱半径越大光场局域性越强、纵向场分量占比越大金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构可以产生高局域性的矢量涡旋光场,金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构激发的矢量涡旋光场兼顾了高局域性和高纵向场分量占比。矢量涡旋光束的高局域性有助于实现纳米粒子的精准操控,高纵向场分量占比有助于提高纳米粒子操控的灵敏度。本发明对量子通信、分子筛选、纳米操控等领域有重要的应用价值。
附图说明
图1是产生高局域性和高纵向场分量比例特性的局域复合偏振光场的多结构组合人工电磁表面的示意图。其中:(a)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构示意图;(b)是金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构示意图;(c)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构示意图。
图2是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射三种组合结构时,人工电磁表面后方1200nm处透射场的相位分布示意图和纵向场分量占比示意图。其中:(a)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构后方1200nm处透射场相位分布示意图;(b)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构后方1200nm处透射场纵向场分量占比示意图;(c)是金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构后方1200nm处透射场相位分布示意图;(d)是金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构后方1200nm处透射场纵向场分量占比示意图;(e)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构后方1200nm处透射场相位分布示意图;(f)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构后方1200nm处透射场纵向场分量占比示意图。
图3是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射金属圆柱半径分别为100nm、300nm和500nm的金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构时,人工电磁表面后方不同距离处的透射场涡旋半径和纵向场分量比例。其中:(a)是金属圆柱半径分别为100nm、300nm和500nm的金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构人工电磁表面后方不同距离处的透射场涡旋半径;(b)是金属圆柱半径分别为100nm、300nm和500nm的金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构人工电磁表面后方不同距离处的透射场纵向场分量比例。
图4是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射三种组合结构时,人工电磁表面后方不同距离处的透射场涡旋半径和纵向场分量比例,DSCCA为海豚形元胞圆阵列(dolphin-shaped cell circular array)的缩写,MC为金属圆柱(metallic cylinder)的缩写,GL为石墨烯层(graphene layer)的缩写。其中:(a)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构、金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构、金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构人工电磁表面后方不同距离处透射场的涡旋半径;(b)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构、金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构、金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构人工电磁表面后方不同距离处透射场的纵向场分量比例。
具体实施方式
实施例1
如图1所示,本发明提供的多结构组合人工电磁表面,该人工电磁表面有金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱、海豚形元胞圆阵列-石墨烯层、金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层三种组合结构,基底为可见光波段常用介质材料,圆阵列半径为R1,金属圆柱半径为R2,金属材料层厚度为D1,石墨烯层厚度为D2。
本发明中金属海豚形元胞圆阵列和金属圆柱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实现制备。其具体步骤如下:(1)利用对向靶直流磁控溅射方法在可见光波段常用介质基底或石墨烯层上溅射纳米金属膜;(2)利用聚焦离子束刻蚀技术或电子束直写技术在纳米金属膜上刻蚀相应结构。
本发明中石墨烯层可采用化学气相沉积法实现制备。其具体步骤如下:(1)通过自然粘合制备聚二甲基硅氧烷/聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯复合层结构并腐蚀加热;(2)剥离掉聚二甲基硅氧烷并加热去除聚甲基丙烯酸甲酯,得到附着在可见光波段常用介质基底上的石墨烯纳米层。
具体应用实例1
多结构组合人工电磁表面的具体参数如下为例:
金属海豚形元胞圆阵列和金属圆柱的材料为银,厚度D1为100nm,圆阵列半径R1为1000nm,入射波长为660nm,此时银材料折射率为0.049889+4.4869i,基底材料为二氧化硅,此时二氧化硅折射率为1.4563,石墨烯层厚度为十层石墨烯分子厚度,即D2为34nm,此时石墨烯折射率为2.7529+1.3897i。给出三种金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构,金属圆柱半径R2分别为100nm、300nm和500nm。给出一种金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层结构,相关参数如前文所示。给出一种金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构,其中金属圆柱半径R2为500nm。
图2是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射三类组合结构时,人工电磁表面后方1200nm处透射场的相位分布示意图和纵向场分量占比示意图。其中:(a)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构(R2=500nm)后方1200nm处透射场相位分布示意图;(b)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构(R2=500nm)后方1200nm处透射场纵向场分量占比示意图;(c)是金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构后方1200nm处透射场相位分布示意图;(d)是金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构后方1200nm处透射场纵向场分量占比示意图;(e)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构后方1200nm处透射场相位分布示意图;(f)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构后方1200nm处透射场纵向场分量占比示意图。从结果中可以看出,三类组合结构人工电磁表面均可以将入射的线偏光调控为局域性的矢量涡旋光束,金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构透射场的局域性高于其他两类组合结构,这有助于实现纳米粒子的精准操控,其他两类组合结构透射场的纵向场分量占比明显高于金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构透射场相关参数,这有助于提高纳米粒子操控的灵敏度。
图3是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射金属圆柱半径分别为100nm、300nm和500nm的金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构时,人工电磁表面后方不同距离处的透射场涡旋半径和纵向场分量比例。其中:(a)是金属圆柱半径分别为100nm、300nm和500nm的金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构人工电磁表面后方不同距离处的透射场涡旋半径;(b)是金属圆柱半径分别为100nm、300nm和500nm的金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构人工电磁表面后方不同距离处的透射场纵向场分量比例。从结果中可以看出,对于金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构,金属圆柱半径越大,则激发的矢量涡旋光场的涡旋半径越小(即局域性越强),且透射场纵向场分量占比越大。
图4是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射三种组合结构时,人工电磁表面后方不同距离处的透射场涡旋半径和纵向场分量比例,DSCCA为海豚形元胞圆阵列(dolphin-shaped cell circular array)的缩写,MC为金属圆柱(metallic cylinder)的缩写,GL为石墨烯层(graphene layer)的缩写。其中:(a)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构(R2=500nm)、金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构、金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构人工电磁表面后方不同距离处透射场的涡旋半径;(b)是金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构(R2=500nm)、金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构、金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构人工电磁表面后方不同距离处透射场的纵向场分量比例。从结果中可以看出,金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构激发的矢量涡旋光场的局域性高于金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构(R2=500nm)和金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构;在任意传播距离处,金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构(R2=500nm)的透射场纵向场分量占比最高,金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构的透射场纵向场分量占比其次,金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构最低。由此可见,金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构可激发较高局域性和高纵向场分量占比的矢量涡旋光场,金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构可以产生较高局域性的矢量涡旋光场,金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构激发的矢量涡旋光场兼顾了高局域性和高纵向场分量占比。
Claims (4)
1.一种产生高局域性和高纵向场分量比例特性的局域复合偏振光场的多结构组合人工电磁表面,该人工电磁表面有金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱、海豚形元胞圆阵列-石墨烯层、金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层三种组合结构,以可见光波段线偏振高斯光束作为入射源,圆阵列半径为R1,金属圆柱半径为R2,金属材料层厚度为D1,石墨烯层厚度为D2。
2.根据权利要求1所述的多结构组合人工电磁表面,其特征在于金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱组合结构可激发较高局域性和高纵向场分量占比的矢量涡旋光场且金属圆柱半径越大光场局域性越强、纵向场分量占比越大。
3.根据权利要求1或2所述的多结构组合人工电磁表面,其特征在于金属海豚形元胞圆阵列-石墨烯层组合结构可以产生高局域性的矢量涡旋光场。
4.根据权利要求1或2或3所述的多结构组合人工电磁表面,其特征在于金属海豚形元胞圆阵列-金属圆柱-石墨烯层组合结构激发的矢量涡旋光场兼顾了高局域性和高纵向场分量占比。
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