CN110286429A - 同时在近远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件及其设计和制备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件及其设计方法和制备方法。该平面光学器件利用金属超构表面材料首次实现了在近场和远场两个通道中同时生成涡旋光场，其中，在近场为聚焦型的表面等离激元涡旋光场，在远场为聚焦的自由空间涡旋光场，并且两通道中所生成的涡旋光场携带的拓扑荷可根据需求灵活搭配。利用本发明方法设计的能生成双通道涡旋光场的平面光学器件对于未来基于涡旋光场的高密度通信和多功能集成光学系统具有重要意义。

Description

同时在近远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件及其设计 和制备

技术领域

本发明涉及一种平面光学器件，特别涉及一种基于金属表面等离激元超构表面材料的光场操控器件及其设计方法，利用该方法可以设计出能同时在近场和远场两个通道实现涡旋光场生成的平面型光学器件，并且可以根据需要实现对两个通道所生成涡旋光场的拓扑荷的任意配置。

背景技术

涡旋光场是一种波前具有螺旋相位分布特征的特殊光场模式。与普通光场相比，由于其波前为螺旋相位分布，会在光束中心产生一个相位奇点，在该奇点处光强为零，从而使涡旋光束的横截面表现出面包圈状的圆环形光强分布。另一方面，相对于普通圆偏振光只能携带值为±h的自旋角动量(spin angular momentum,SAM,h为普朗克常量)，涡旋光能携带任意值的轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)，其角动量值可以表示为lh，l也称为涡旋光场的拓扑荷，可以为任意整数值，因而涡旋光场具备远超普通光场的自由度。由于涡旋光场具有的这些特殊性质，其在高密度光通信、光镊系统、高分辨率成像以及量子光学等诸多领域具有重要的应用前景。近年来，随着纳米光子学和集成光学的快速发展，实现涡旋光生成器件的小型化、集成化和多功能化对于充分利用涡旋光的各种特殊性质具有重要意义。

超构表面材料作为一种新型的电磁波和光学操控材料，近年来已经吸引了大量研究人员的研究兴趣。这种二维形式的人工材料是由亚波长尺度的构成单元按一定的排列方式在一个二维平面上排列而成。由于其构成单元尺寸在亚波长级别，并且结构单元的尺寸、形状、所用材料，以及排列方式都可以根据需求灵活设计，因而可以对电磁波和光波的相位、偏振和强度等方面进行丰富的操控。其中，利用几何相位的原理，可以通过设计亚波长人工结构的转角来方便地操控超构表面材料的局域相位分布，从而可以实现对远场或者近场电磁波的各种操控，包括表面等离激元的单向传输、反常折射、超透镜聚焦和全息成像，等等。同时，随着近年来微纳加工技术的快速发展，二维形式的超构表面可以方便地通过各种方式进行制备，包括电子束曝光、聚焦离子束刻蚀、纳米压印以及等离子体刻蚀等加工方法，并且这些加工工艺较容易与半导体器件、集成光学器件加工工艺兼容，因而使超构表面材料具备了更加广阔的应用前景。

作为一种重要应用，利用超构表面材料实现涡旋光场的生成是一个新兴的研究热点。然而，目前的基于超构表面材料的平面涡旋生成器件只能分别实现在近场或者远场通道的涡旋光场生成，实现一种能同时在近场和远场两个通道生成涡旋光场的平面型光学器件对于未来多功能光镊操纵、紧凑型涡旋光通信以及量子光学研究等领域具有重要意义，因此成为一个亟待解决的研究课题。

在金属和介质界面，存在一种束缚于金属和介质界面的表面电磁波模式，被称为表面等离激元。这种表面电磁共振模式分为局域型和传播型两种形式。前者存在于金属纳米颗粒周围，能将电磁能量束缚在颗粒表面，从而能实现显著的局域场增强，在生物传感、荧光增强、光热探测等领域具有一系列重要的应用。后者存在于金属薄膜和介质的界面处，能够实现对电磁波和光波的亚波长约束和传输，利用这种亚波长特性可以大大降低集成光学元件的尺寸，提高器件集成度，因而是一种缩小光学芯片尺寸的重要方案。当选择由金属薄膜构成等离激元超构表面时，一方面其表面可以支持近场传播型表面等离激元模式的传播，另一方面在远场可通过对结构单元的设计有效地操控远场散射光。因而，当通过对结构单元和阵列形式的合理设计，等离激元超构表面就可以成为一种能同时实现近场和远场涡旋光场生成的理想承载平台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能同时在光学近场和远场两个通道实现涡旋光场生成的平面型光学器件。基于金属等离激元超表面材料，在圆偏振光入射下，在该平面器件的近场可以生成表面等离激元的涡旋光场，同时在远场可以生成自由空间涡旋光场。并且，在此设计方法中，近场涡旋光场与远场涡旋光场的拓扑荷相互独立，因而可以根据需要将两通道中的涡旋光场配置成任意的拓扑荷搭配。

本发明使用改进的平面涡旋光生成器设计方法，通过利用人工微结构在与光场相互作用时具备的几何相位调控能力和金属等离激元超构表面能同时支持近场表面等离激元和远场散射光操控的特性，将近场表面等离激元涡旋光场和远场自由空间涡旋光场所需的相位分布相结合，使得设计出的超构表面器件能满足同时在近场和远场两个通道生成涡旋光场的相位分布。因此，当激发光照射在这种平面型光学器件上时，在近场激发的表面等离激元能满足涡旋光场的相位分布，从而产生近场的涡旋光场；而对于远场散射光，也满足自由空间中涡旋光场的相位分布，从而在远场生成自由空间的涡旋光场。这种近远场双通道涡旋光生成器能有效地将近场涡旋光和远场涡旋光的生成集成到一个平面器件中，在未来基于涡旋光场的多功能光镊操纵系统、表面等离激元光子学器件和高带宽光学通信等领域具有广阔的应用前景。

本发明的技术方案如下：

一种平面光学器件，能够同时在近场和远场双通道生成涡旋光场，包括透明衬底、金属薄膜和纳米孔阵列构成的超构表面结构，其中，所述金属薄膜位于透明衬底之上，纳米孔阵列位于金属薄膜之中；其特征在于，所述纳米孔阵列由矩形纳米孔组成，入射光从透明衬底一侧入射，构成透射式的光路形式；在特定旋性的圆偏振光入射下，所述纳米孔阵列构成的超构表面结构能在光学近场产生特定拓扑荷数目的表面等离激元涡旋光场，同时也能在透射方向的远场产生特定拓扑荷数目的自由空间涡旋光场，并且近场和远场涡旋光场所携带的拓扑荷相互独立并能按需要进行自由搭配。

所述平面光学器件中，金属薄膜的厚度在亚波长级别，在可见光波段优选为100～130nm。

对于所述纳米孔阵列，每个矩形纳米孔的高度即为金属薄膜的厚度，长宽尺寸为亚波长级别，为保证有效实现局域相位控制，长宽比需大于2，长度一般小于波长的0.7倍，宽度一般小于波长的0.35倍。针对不同的入射光波长，矩形纳米孔的长宽尺寸可以利用有限时域差分算法(FDTD)和软件进行相应的优化设计。

进一步的，所述纳米孔阵列的图案优选为圆环形，该圆环形的内环半径R₁须大于工作波长的5倍，以保证给近场表面等离激元传播和形成涡旋光场留下足够空间；外环半径R₂视器件尺寸需求而定。

上述能够同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件中，超构表面结构为在金属薄膜中刻蚀出的矩形纳米孔阵列，通过几何相位的原理将近场表面等离激元涡旋光场和远场自由空间涡旋光场相位分布相结合，预先设计出所需的超构表面结构，使得在所设计的旋性的圆偏振光入射下，该结构能同时实现在近场生成表面等离激元涡旋光场和在远场生成自由空间涡旋光场。构成所述平面光学器件的纳米孔阵列的设计方法如下：

当圆偏振光入射到纳米孔上时，根据几何相位的原理，对于近场传播型表面等离激元，局域几何相位为σθ；而对于远场散射光，则对应局域相位为2σθ。其中σ＝±1，表示入射圆偏振光的旋性，当为左旋圆偏振光(LCP)时σ＝-1，为右旋圆偏振光(RCP)时σ＝+1；θ表示矩形纳米孔的转角，即其长边与x轴正方向的夹角，如图4所示。

当纳米孔阵列在近场生成拓扑荷为l₁的表面等离激元涡旋光场时，满足相位方程：

其中，k_spp为表面等离激元的波矢，满足关系该式中ε_d为远场所处介质(一般是空气)的介电常数，ε_m是传播表面等离激元的金属薄膜的介电常数，λ为入射光的波长；Φ₁为一表示初始相位的常数值；π为圆周率；m为一任意整数值；其中的几何参数θ、r、如图4所示，θ为矩形纳米孔长边与x轴正方向的夹角；r为纳米孔所在位置P(x,y)到阵列中心O(0,0)的距离，即 为纳米孔所在位置P(x,y)相对x轴正方向的方位角。

当纳米孔阵列能在远场生成拓扑荷为l₂的自由空间涡旋光场时，满足相位方程：

其中，k为入射光在自由空间中的波矢，满足关系λ为入射光的波长；Φ₂为一表示初始相位的常数值；π为圆周率；n为一任意整数值；其中的几何参数θ、r、定义与公式(1)相同，参数f为远场涡旋光场聚焦位置F离纳米孔阵列中心O(0,0)的距离，即焦距，如图4所示。

方程(1)和(2)分别限定了要实现近场和远场涡旋光场生成所需的纳米孔阵列排布方式，将两方程联立分析，即可确定能同时在近场和远场两个通道生成涡旋光场的纳米孔阵列结构。具体地，先联立方程(1)和(2)将几何参数θ消掉，得到方程：

其中M＝2m-n，取值可为任意整数值。方程(3)中的参数k_spp、k、Φ₁、Φ₂、l₁、l₂和f均为预先设定的固定值，其中k_spp、k由设定的入射光波长和材料介电常数决定，M为设计过程中可变的整数参量，因而该方程确定了符合要求的纳米孔阵列中每一个纳米孔在极坐标系下的位置坐标也可将该位置坐标表示成笛卡尔坐标(x，y)，当利用方程(3)确定了纳米孔的位置后，将位置坐标代入方程(1)就可得到对应位置处纳米孔的转角参数θ，从而得到纳米孔阵列中每一个纳米孔的完整几何参数由此即确定了构成的所述超构表面结构的纳米孔阵列。

具体地，如图5所给流程图所示，按照如下设计步骤可得到用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的结构(即纳米孔阵列构成的超构表面结构)：

(1)设定入射光的圆偏振态σ(左旋光对应σ＝-1，右旋光对应σ＝+1)，波长λ，初始相位Φ₁、Φ₂(可以设定为任意值，为了方便可直接设置为0)，远场涡旋光场焦距f，以及近场表面等离激元涡旋光场拓扑荷l₁和远场自由空间涡旋光场拓扑荷l₂。由关系式和可以得到方程(1)、(2)和(3)中的波矢k_spp和k，其中ε_d为远场所处介质(一般为空气)的介电常数，ε_m是传播表面等离激元的金属薄膜的介电常数，例如当为复合金属层Ti/Au时，取Au的介电常数，这些常数均可查询相关数据手册得到。设定纳米孔阵列环形图案的内环半径R₁和外环半径R₂，这两个值限定了整个超构表面阵列的大小。设定纳米孔间距d，用于后续步骤中确保生成的纳米孔阵列不会出现纳米孔互相重叠，其值可设定为纳米孔长边长的约1.5-2倍。

(2)进一步地，为了利用方程(3)得到符合要求的纳米孔的位置坐标需要将参量M和取为一系列数值。具体地，M取为一系列间隔为1的整数，表示为M＝M1:1:M2，M1为起始值，可取为M1＝-floor(f/λ)，即小于-f/λ的最大整数，M2为大于M1的整数，其值可根据需要进行调整。取值在0-2π，取为间隔为的等差数列 由需要得到的阵列密集程度决定，越密集则设定越小。

(3)对于每一个M和值，利用方程(3)计算出对应的r，即得到符合该方程要求的纳米孔的位置坐标

(4)将步骤(3)中得到的位置坐标和相关参数带入方程(1)中，计算出对应该纳米孔的转角θ。由此得到符合方程(1)和(3)的纳米孔几何参数

(5)判断步骤(4)中得到的纳米孔位置是否处于R₁和R₂之间以及纳米孔间的间距是否大于等于d，即是否有：

R₁≤r≤R₂并且其中下标i，j表示不同纳米孔的编号。当符合该条件时，则该纳米孔符合最终要求，保存该纳米孔的几何参数否则舍弃并继续计算下一M、对应的r、θ。

(6)通过上述步骤(3)-(5)，计算步骤(2)中每一个M、取值对应的并最后将符合要求的几何参数保存到文件，即得到了符合设计要求的纳米孔阵列。

上述步骤可按照如图3所示的流程图，通过matlab、python、C++等任何一种编程语言方便地实现。

由上述设计原理可知，本发明用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件需要在所设计的旋性的圆偏振光入射时实现良好的涡旋光场生成效果。当入射光为相反旋性的圆偏振光时，则在近场和远场均无法有效地生成涡旋光场。

上述用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件中，所述的金属薄膜所使用的金属可以是金(Au)、银(Ag)、铝(Al)等表面等离激元损耗较低的金属材料，厚度优选为100～130nm。所述的金属薄膜也可以是多种金属的复合薄膜，通常为双层薄膜，下层为粘附层，上层为金、银、铝等表面等离激元损耗较低的金属材料，如Ti/Au、Ti/Ag、Cr/Au等。所述的透明衬底可以是SiO₂、CaF₂、Al₂O₃等材料。在本发明的最佳实例中，所述的金属薄膜所用材料为Ti/Au，Ti厚度为5nm，Au厚度为100nm，Au薄膜位于Ti薄膜之上，所用的透明衬底采用石英玻璃(SiO₂)。

上述用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的结构单元为矩形纳米孔，其示意图如图3所示。本领域技术人员应该理解，针对不同的工作波长，矩形纳米孔的长宽尺寸需要进行相应的优化设计，比如利用微纳光学设计常用的时域有限差分法(FDTD)和相应的软件，以达到在所选波长处纳米孔与入射光能有效耦合，从而在近场和远场能同时实现良好的涡旋光场生成。在本发明的最佳实例中，入射光波长选为671nm时，其优化的长为250nm，宽为80nm，矩形纳米孔深度为所用金属薄膜的厚度，即105nm。

本发明所提出的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件是首个在表面等离激元平面光学器件中实现在设定圆偏振光入射下能同时在光学近场和远场实现有效的涡旋光场生成的平面光学器件。在目前光学器件和光学系统小型化、集成化、多功能化以及高密度化的趋势下，我们提出的用于近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件在基于涡旋光场的光镊系统、光通信系统和量子光学研究等领域具有广阔的应用前景。

本发明还提供了一种用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的制备方法，包括以下步骤：

1)获得透明衬底，并对衬底表面进行清洗；

2)在透明衬底上镀上所需厚度的金属薄膜；

3)在金属薄膜上的洁净区域刻蚀出预先设计好的纳米孔阵列，其中纳米孔阵列可通过上述设计步骤得到；

4)在扫描电子显微镜(SEM)下进行观察，确定加工效果满足要求；

5)将制备出的器件置于测试光路中，分别对近场和远场光场分布进行测量表征。

上述步骤2)可以使用电子束蒸发镀膜或者热蒸发镀膜的方法，在本发明的最佳实例中，依次镀上Ti和Au，得到具有Ti/Au双层结构的金属薄膜。

上述步骤3)可以使用聚焦离子束刻蚀的方法，按照设计好的纳米孔阵列图案，通过调整离子束的束流强度和刻蚀时间可以刻蚀出满足设计要求的纳米孔阵列。

上述步骤3)中纳米孔阵列的生成可以按照上述设计步骤和图(3)所示的流程图，使用任何一种编程语言实现，如matlab、python或者C++。根据上述的设计步骤，将满足条件的纳米孔位置坐标和旋转角度求出，并将纳米孔阵列图案保存为图片以用于进行本步骤的刻蚀。

进一步的，根据发明所述的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件，透射式结构要求金属薄膜的厚度足够大，以减少直接透射的光对远场涡旋光场的影响，若金属薄膜太薄，则远场涡旋光场的信号可能会被湮没在直接透射的背景信号之中。对于常用的Au、Ag、Al等金属材料，薄膜厚度优选为100nm～130nm。

与现有设计方法相比，本发明的有益效果是：

本平面型双通道涡旋光场生成器件通过几何相位的原理将近场表面等离激元涡旋光场和远场自由空间涡旋光场相位分布相结合，预先设计出所需的超构表面结构，使得在一种旋性的入射光下该结构同时实现在近场生成表面等离激元涡旋光场和在远场生成自由空间涡旋光场。这种方法将近场和远场两个通道的涡旋光场生成功能集成到同一器件上，极大的提高了涡旋光场器件的集成度和功能多样性。

本发明所用方法不同于传统的在单一的近场或者远场通道生成涡旋光场的平面光学器件，能够将传统涡旋光场器件所忽略的远场或近场通道都利用起来，不仅提高了器件的能量利用率，也提高了器件的紧凑性，为多功能多通道的涡旋光场应用提供了可能。

本发明所述的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件，其设计方法具有相当高的通用性和简便性，可以通过任意一种编程语言对构成该器件的纳米孔阵列进行设计。并且所述设计方法中并未限定近场和远场双通道所生成涡旋光场拓扑荷的关联性，因此两通道中的涡旋光场所携带拓扑荷可以根据需要进行任意搭配。本方法所具备的这种通用性、简便性和灵活性对于开发新型的基于涡旋光场的集成光学器件和光学系统具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例1所述用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的xz截面结构及效果示意图。

图2为本发明实施例1所述用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的俯视图(xy面)。

图3为本发明实施例1所述用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件中矩形纳米孔的结构示意图。

图4为本发明实施例1所述用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的原理示意图和相关参数说明。

图5为本发明实施例1所述用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的设计流程图。

图6为本发明实施例1制备的基于Ti/Au金属薄膜和矩形纳米孔超构表面结构的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的扫描电子显微镜图像。

图7为本发明实施例1制备的基于Ti/Au金属薄膜和矩形纳米孔超构表面结构的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的近场表面等离激元涡旋光场的表征，(a)为近场扫描光学显微镜测得的近场表面等离激元涡旋光场强度分布，其中的插图为放大的近场涡旋光场强度分布；(b)为实施例1近场表面等离激元涡旋光场相位分布的数值仿真结果。

图8为本发明实施例1制备的基于Ti/Au金属薄膜和矩形纳米孔超构表面结构的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的远场自由空间涡旋光场的表征。(a)为远场纵截面(xz面)光强分布的测量结果，其中插图为焦距处(虚线位置)的横截面(xy面)光强分布图；(b)为实施例1远场自由空间涡旋光场相位分布的数值仿真结果。

图中各附图标记的含义如下：

1：透明衬底，2：Ti/Au金属薄膜，3：矩形纳米孔阵列(超构表面结构)，W：矩形纳米孔宽度，L：矩形纳米孔长度，T：矩形纳米孔高度(等于金属薄膜2的厚度)，O：纳米孔阵列中心，P：纳米孔所在位置，F：远场自由空间涡旋光场聚焦位置，f：远场自由空间涡旋光场的焦距，r：矩形纳米孔离纳米孔阵列中心O的距离，θ：矩形纳米孔与+x方向的夹角，纳米孔所在位置P相对+x方向的方位角，d：纳米孔间距，R₁：纳米孔阵列的内环半径，R₂：纳米孔阵列的外环半径。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施方式对本发明作进一步详细描述，以使本领域技术人员能够更加清楚地理解本发明。

下面以基于Ti/Au金属薄膜和矩形纳米孔超构表面结构的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件为例进行说明。这种平面光学器件能实现在设定旋度的圆偏振入射光激发下在近场生成携带拓扑荷l₁的表面等离激元涡旋光场，同时在远场生成携带拓扑荷l₂的自由空间涡旋光场。其结构横截面示意图如图1所示，纳米孔阵列图案如图2所示，该用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件是一种平面型结构，参见图1、图2和图3，其构成包括SiO₂透明衬底1，Ti/Au金属薄膜2和组成超构表面结构的矩形纳米孔阵列3。其中，Ti/Au金属薄膜2处于SiO₂透明衬底1之上，矩形纳米孔阵列3处于Ti/Au金属薄膜2中。所述的矩形纳米孔阵列3通过聚焦离子束刻蚀技术加工到Ti/Au金属薄膜2中。在设计过程中，入射圆偏振光的旋性有两种选择，即左旋光(LCP，σ＝-1)或者右旋光(RCP，σ＝+1)，在此处以左旋光(LCP，σ＝-1)入射进行说明。入射的左旋圆偏振光通过SiO₂透明衬底1一侧入射到该平面型双通道涡旋生成器件上。

所述用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的设计方法和工作原理如下：

入射光选择为左旋圆偏振光，则σ＝-1；

对于近场情况，设定初始相位Φ₁＝0。当纳米孔阵列在近场生成拓扑荷为l₁的表面等离激元涡旋光场时，将σ＝-1，Φ₁＝0带入方程(1)，则得到相位方程：

对于远场情况，设定初始相位Φ₂＝0。当纳米孔阵列能在远场生成拓扑荷为l₂的自由空间涡旋光场时，将σ＝-1，Φ₂＝0带入方程(2)满足相位方程：

以上两方程中，k_spp为表面等离激元的波矢，满足关系该式中ε_d为远场所处介质(一般是空气)的介电常数，ε_m是传播表面等离激元的金属层的介电常数，λ为入射光的波长；k为入射光在自由空间中的波矢，满足关系π为圆周率；m和n为任意整数值；其中的几何参数θ、r、f如图4所示，θ为矩形纳米孔长边与x轴正方向的夹角；r为纳米孔所在位置P(x,y)到阵列中心O(0,0)的距离，即 为纳米孔所在位置P(x,y)相对x轴正方向的的方位角；f为远场涡旋光场聚焦位置离纳米孔阵列中心O(0,0)的距离。

方程(1-1)和(2-1)分别限定了在左旋圆偏振光(σ＝-1)入射下要实现在近场和远场分别生成拓扑荷为l₁和l₂的涡旋光场所需的纳米孔阵列的排布方式。将两方程联立分析，即可确定能同时在近场和远场两个通道生成涡旋光场的纳米孔阵列结构。联立方程(1-1)和(2-1)将几何参数θ消掉，得到方程：

方程(3-1)限定了符合要求的纳米孔阵列中每一个纳米孔在极坐标系下的位置坐标也可将该位置坐标表示成笛卡尔坐标(x，y)，通过将此方程确定的坐标带入方程(1-1)，求得每一个纳米孔对应的转角θ即可得到整个纳米孔阵列的分布，此纳米孔阵列即构成了实现同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件，其近场和远场涡旋光场的拓扑荷分别为l₁和l₂。

具体地，利用方程(1-1)、(2-1)和(3-1)，参照图5所示的流程图，可以利用matlab编程得到设定参数的超构平面器件的结构，具体流程如下：

首先，在上述基于Ti/Au金属薄膜和矩形纳米孔阵列的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件中，所选取的相关参数为：入射光波长λ＝671nm，远场自由空间涡旋光场焦距f＝20μm，近场表面等离激元涡旋光场拓扑荷为l₁＝3，远场自由空间涡旋光场拓扑荷为l₂＝2。根据和查询到波长671nm的介电常数，计算出对应的k、k_spp。将k、k_spp、f、l₁、l₂代入方程(1-1)、(2-1)和(3-1)；

然后设置限定纳米孔阵列整体分布的参数：内环半径R₁＝3.5μm，外环半径R₂＝9μm，如图2所示；纳米孔间距d＝450nm；M值扫描范围M＝-29:1:0，即从-29到0之间的整数值，M值取此范围可以保证扫描中孔径向位置r覆盖R₁＝3.5μm到R₂＝9μm的范围；方向角扫描参数即方向角以弧度的间隔进行扫描。

在设定上述参数之后，利用matlab程序对于上述设定范围内的每一个M和值，利用方程(3-1)计算出对应的r，即得到符合该方程要求的纳米孔的位置坐标将此位置坐标和相关参数带入方程(1-1)中，计算出对应此纳米孔的转角θ。由此得到符合方程(1-1)和(3-1)的纳米孔几何参数

对于上述得到的纳米孔几何参数需进一步判断纳米孔位置是否处于R₁和R₂之间以及纳米孔间的间距是否大于等于d，即是否有：

R₁≤r≤R₂并且

其中下标i，j表示不同纳米孔的编号。当符合该条件时，则该纳米孔符合最终要求，保存该纳米孔的几何参数否则舍弃并继续计算下一M、对应的r、θ，直到扫描完所设定的M和的值。

由上述步骤得到M、扫描范围内所有符合设计要求的纳米孔的空间几何参数即包括纳米孔位置和相应转角θ，这些符合要求的纳米孔即构成了所需要的纳米孔阵列(超构表面材料)。

进一步的，对于本发明实施例1，矩形纳米孔如图3所示，长度L＝250nm，宽度W＝80nm，高度T＝105nm，利用matlab，结合上述得到的纳米孔位置的空间几何参数即可得到整个矩形纳米孔阵列的排列图案，如图2所示。进一步可以将其输出为图片或者数据表格，以供加工制备所用。

进一步的，本发明中选择的衬底为透明衬底，如SiO₂、CaF₂、Al₂O₃等材料，在本发明实施例1中所选用的衬底材料为SiO₂。

进一步的，金属薄膜2是通过电子束蒸发镀膜工艺蒸镀在透明衬底1上的。

进一步的，纳米孔阵列(超构表面结构)是通过聚焦离子束刻蚀(FIB)的方法将上述设计出的纳米孔阵列图案刻蚀到金属薄膜2上的。

进一步的，纳米孔阵列图案是通过上述设计方法，将近场表面等离激元涡旋光场和远场自由空间涡旋光场方程联立分析得到的，并通过matlab等编程方法生成后续聚焦离子束刻蚀所需的纳米孔阵列图案。

进一步的，近场表面等离激元在金属薄膜表面传播，金属表面的洁净度对其传播十分重要，在表面等离激元传播区域存在的任何杂质都将对表面等离激元产生散射，从而导致近场涡旋光场能量的损失，因此需要在镀膜前对透明衬底1进行清洗，并在加工和测量过中避免灰尘、颗粒物等的污染。

进一步的，透射式结构要求金属薄膜的厚度足够大，减少直接透射的光对远场聚焦效果的影响，若金属薄膜太薄，则可能聚焦光斑的信号被湮没在直接透射的背景信号之中。而若金属薄膜太厚，则会增加材料成本，同时增加刻蚀时间和难度。因此金属薄膜厚度应有一优化范围，对于常用的Au、Ag、Al等金属材料，薄膜厚度在100nm-130nm为优。

进一步的，以SiO₂作为透明衬底时，为增加金属薄膜2在透明衬底1上的粘附性，可以使用Ti作为粘附层，形成Ti/Au金属薄膜，其中Ti厚度在5nm-10nm，Au厚度在100nm-120nm。在本发明实施例1中，所镀金属薄膜为Ti 5nm，Au 100nm，总厚度105nm。

进一步的，纳米孔阵列(超构表面结构)3中的矩形纳米孔长宽尺寸可以根据所选择的入射光波长进行优化设计，以达到在所选波长处纳米孔与入射光能有效耦合，从而在近场和远场能同时实现良好的涡旋光场生成。在本发明实施例1中，入射光波长选为671nm时，其优化的长为250nm，宽为80nm，矩形纳米孔深度为所用金属薄膜的厚度，即105nm。

下面进一步给出所述基于Ti/Au金属薄膜和矩形纳米孔阵列的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的制备方法，其制备包括以下步骤：

步骤一、获得SiO₂(石英玻璃)透明衬底，利用有机溶剂和超声清洗机对衬底进行清洗，按照丙酮(10-15min)→乙醇(10-15min)→去离子水(10-15min)的顺序进行超声清洗，最后用氮气枪将残留在衬底上的去离子水吹干，得到洁净的SiO₂透明衬底；

步骤二、在清洗过的透明衬底上镀上金属薄膜层，利用电子束蒸发镀膜的方法在上一步骤得到的SiO₂透明衬底上依次镀上5nm-10nm的Ti和100nm-120nm的Au，得到镀有金属镀膜的基片。为了得到较好的成膜质量，电子束蒸发镀膜仪的真空度应抽到10^-8Torr，过快的镀膜速率会导致金属薄膜颗粒度太大，过慢则会导致镀膜时间太长，镀膜速率设置在0.5埃/秒效果较好；

步骤三、利用扫描电子显微镜(SEM)观察镀膜质量，确定金属薄膜符合进一步加工的要求，并寻找表面没有过多杂质的区域以备后面的步骤使用；

步骤四、利用聚焦离子束刻蚀(FIB)技术在步骤三所找出的金属薄膜洁净区域上刻蚀出设计好的矩形纳米孔阵列(超构表面结构)，其中矩形纳米孔阵列通过上述的本发明提出的设计方法得到。对于本发明实施例1，金属薄膜为Ti/Au，Ti厚度为5nm，Au厚度为100nm，设计的矩形纳米孔如图3所示，长度L＝250nm，宽度W＝80nm，高度H＝105nm(即金属薄膜的厚度)，加工所用离子束参数为：束流大小24皮安，刻蚀时长3.5分钟。由于仪器状态的变化，应先进行多次测试，得到合适的刻蚀参数后才能加工出效果最好的结构；

步骤五、在扫描电子显微镜(SEM)下进行观察，确定加工效果满足设计要求。

最后给出本发明制备的基于Ti/Au金属薄膜和矩形纳米孔阵列的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的具体实施例。

实施例1

一种基于Ti/Au金属薄膜和矩形纳米孔阵列的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的扫描电子显微镜图像(SEM)如图6所示，其结构和原理如图1-3所示，其包括SiO₂透明衬底1、Ti/Au金属薄膜2和矩形纳米孔阵列(超构表面结构)3三个部分。其中SiO₂透明衬底1在最下方，Ti/Au金属薄膜2位于SiO₂透明衬底1之上，矩形纳米孔阵列(超构表面结构)3为利用聚焦离子束刻蚀(FIB)在Ti/Au金属薄膜2中加工而成。Ti/Au金属薄膜2的总厚度为105nm，其中Ti厚度为5nm，Au厚度为100nm，该金属薄膜是通过电子束蒸发镀膜的方法蒸镀在SiO₂透明衬底1之上的。如图2所示，矩形纳米孔阵列图案为圆环形，其内环半径R₁＝3.5μm，外环半径R₂＝9μm，纳米孔间距d＝450nm。在入射光波长为671nm时，矩形纳米孔的优化几何参数为长度L＝250nm，宽度W＝80nm，高度T＝105nm，纳米孔高度即为所镀金属薄膜的厚度。

利用上述的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件的设计方法和工作原理，如图2、图3和图4所示，本实施例1中所述的近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件按照以下参数与要求进行设计：入射光波长为671nm，其偏振态为左旋圆偏振(LCP，σ＝-1)，远场自由空间涡旋光场焦距f＝20μm，近场表面等离激元涡旋光场拓扑荷为l₁＝3，远场自由空间涡旋光场拓扑荷为l₂＝2，矩形纳米孔阵列内环半径R₁＝3.5μm，外环半径R₂＝9μm，纳米孔间距d＝450nm。当入射光为左旋圆偏振光(LCP，σ＝-1)时，在近场范围产生拓扑荷为3的表面等离激元涡旋光场，同时在远场产生拓扑荷为2的自由空间涡旋光场，且该涡旋光场焦距为20μm。矩形纳米孔的几何参数如上所述，长250nm，宽80nm，高105nm。制备出的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件电子显微图像如图6所示。

使用近场光学显微镜(SNOM)和远场成像探测系统对上述制备的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件进行表征。如图7所示，当入射光为所设计的左旋圆偏振光(LCP，σ＝-1)时，近场表面等离激元强度分布表明正如设计的在该器件的近场产生了圆环形的表面等离激元涡旋光场(图7(a))，并且通过数值仿真计算出的相位分布也显示出该器件近场涡旋光场的相位分布围绕涡旋光场中心出现了3次相位跃变(图7(b))，即产生的近场涡旋光场具有的拓扑荷正如所设计的为l₁＝3。对于远场情况，如图8所示，图8(a)显示的xz截面远场光强分布表明在远场成功产生了涡旋光场，并且其焦距符合所设计的焦距值f＝20μm，其中的插图显示了远场自由空间涡旋光场横截面(xy面)所具有的圆环形场强分布，符合涡旋光场的分布特征。并且图8(b)显示的数值仿真计算出的远场相位分布围绕圆环形涡旋光场的中心出现了2次相位跃变，表明所产生的远场涡旋光场的拓扑荷为2，与设计值l₂＝2符合。从近场和远场的实验表征和仿真结果可以表明，本发明所述的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件在所设计的圆偏振光入射下，能按照设计的要求，在近场和远场同时产生具有所设计拓扑荷的近场表面等离激元涡旋光场和远场自由空间涡旋光场。

本发明是首次基于表面等离激元超构表面材料实现同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件。它是通过几何相位的原理将近场表面等离激元涡旋光场和远场自由空间涡旋光场相位分布相结合，预先设计出所需的超构表面结构，使得在一种旋性的入射光下该结构同时实现在近场生成表面等离激元涡旋光场和在远场生成自由空间涡旋光场。不同于传统的在单一的近场或者远场通道生成涡旋光场的平面光学器件，本发明所提出的用于同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件能够将传统涡旋光场器件所忽略的远场或近场通道都利用起来，不仅提高了器件的能量利用率，也提高了器件的紧凑性，为多功能多通道的涡旋光场应用提供了可能。并且本发明所述设计方法具有相当高的通用性和简便性，可以通过任意一种编程语言对构成该器件的纳米孔阵列进行设计。并且所述设计方法中并未限定近场和远场双通道所生成涡旋光场拓扑荷的关联性，因此两通道中的涡旋光场所携带拓扑荷可以根据需要进行任意搭配。本方法所具备的这种通用性、简便性和灵活性对于开发新型的基于涡旋光场的集成光学器件和光学系统具有重要意义，在诸如多功能光镊操纵系统、涡旋光场通信系统、量子光学研究等领域都具有极大的应用价值。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，本领域的技术人员应当理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种平面光学器件，能够同时在近场和远场双通道生成涡旋光场，包括透明衬底、金属薄膜和纳米孔阵列构成的超构表面结构，其中，所述金属薄膜位于透明衬底之上，纳米孔阵列位于金属薄膜之中；其特征在于，所述纳米孔阵列由矩形纳米孔组成，入射光从透明衬底一侧入射，构成透射式的光路形式；在特定旋性的圆偏振光入射下，所述纳米孔阵列构成的超构表面结构能在光学近场产生特定拓扑荷数目的表面等离激元涡旋光场，同时也能在透射方向的远场产生特定拓扑荷数目的自由空间涡旋光场，并且近场和远场涡旋光场所携带的拓扑荷相互独立并能按需要进行自由搭配。

2.如权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，所述金属薄膜厚度为亚波长级别。

3.如权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，所述金属薄膜的材料是金、银和/或铝；或者，所述金属薄膜是多种金属构成的复合薄膜，包括下层的粘附层金属和上层的金、银和/或铝。

4.如权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，组成所述纳米孔阵列的矩形纳米孔的长宽尺寸为亚波长级别，且长宽比大于2，高度为所述金属薄膜的厚度。

5.如权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，所述纳米孔阵列的图案为圆环形，该圆环形的内环半径R₁大于工作波长的5倍，外环半径R₂视器件尺寸而定。

6.如权利要求1所述的平面光学器件，其特征在于，以σ表示入射圆偏振光的旋性，σ＝±1，当为左旋圆偏振光时σ＝-1，为右旋圆偏振光时σ＝+1；θ表示矩形纳米孔的转角，即其长边与x轴正方向的夹角；r为纳米孔所在位置P(x,y)到阵列中心O(0,0)的距离，即 为纳米孔所在位置P(x,y)相对x轴正方向的方位角；当纳米孔阵列在近场生成拓扑荷为l₁的表面等离激元涡旋光场时，满足相位方程(1)：

方程(1)中，k_spp为表面等离激元的波矢，满足关系其中ε_d为远场所处介质的介电常数，ε_m是传播表面等离激元的金属薄膜的介电常数，λ为入射光的波长；Φ₁为一表示初始相位的常数值；π为圆周率；m为一任意整数值；

当纳米孔阵列在远场生成拓扑荷为l₂的自由空间涡旋光场时，满足相位方程(2)：

方程(2)中，k为入射光在自由空间中的波矢，满足关系λ为入射光的波长；Φ₂为一表示初始相位的常数值；π为圆周率；n为一任意整数值；参数f为远场涡旋光场聚焦位置F离纳米孔阵列中心O(0,0)的距离，即焦距。

7.权利要求1～6任一所述平面光学器件的设计方法，通过几何相位的原理将近场表面等离激元涡旋光场和远场自由空间涡旋光场相位分布相结合，设计出所述纳米孔阵列，其特征在于，以σ表示入射圆偏振光的旋性，σ＝±1，当为左旋圆偏振光时σ＝-1，为右旋圆偏振光时σ＝+1；θ表示矩形纳米孔的转角，即其长边与x轴正方向的夹角；r为纳米孔所在位置P(x,y)到阵列中心O(0,0)的距离，即 为纳米孔所在位置P(x,y)相对x轴正方向的方位角；当纳米孔阵列在近场生成拓扑荷为l₁的表面等离激元涡旋光场时，满足相位方程(1)：

方程(1)中，k_spp为表面等离激元的波矢，满足关系其中ε_d为远场所处介质的介电常数，ε_m是传播表面等离激元的金属薄膜的介电常数，λ为入射光的波长；Φ₁为一表示初始相位的常数值；π为圆周率；m为一任意整数值；

当纳米孔阵列在远场生成拓扑荷为l₂的自由空间涡旋光场时，满足相位方程(2)：

方程(2)中，k为入射光在自由空间中的波矢，满足关系λ为入射光的波长；Φ₂为一表示初始相位的常数值；π为圆周率；n为一任意整数值；参数f为远场涡旋光场聚焦位置F离纳米孔阵列中心O(0,0)的距离，即焦距；

将方程(1)和方程(2)联立分析，即可确定能同时在近场和远场两个通道生成涡旋光场的纳米孔阵列。

8.如权利要求7所述的设计方法，其特征在于，先联立方程(1)和方程(2)将几何参数θ消掉，得到方程(3)；

其中M＝2m-n，取值为任意整数值；参数k_spp、k、Φ₁、Φ₂、l₁、l₂和f均为预先设定的固定值，其中k_spp、k由设定的入射光波长和材料介电常数决定，M为设计过程中可变的整数参量，因而方程(3)确定了符合要求的纳米孔阵列中每一个纳米孔在极坐标系下的位置坐标利用方程(3)确定了纳米孔的位置后，将位置坐标代入方程(1)得到对应位置处纳米孔的转角参数θ，从而得到纳米孔阵列中每一个纳米孔的完整几何参数由此即确定了所述纳米孔阵列。

9.如权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述纳米孔阵列图案为内环半径R₁和外环半径R₂的圆环形，按照如下设计步骤得到纳米孔阵列：

1)设定入射圆偏振光的旋性σ，波长λ，初始相位Φ₁、Φ₂，远场涡旋光场焦距f，以及近场表面等离激元涡旋光场拓扑荷l₁和远场自由空间涡旋光场拓扑荷l₂；由关系式和得到方程(1)、(2)和(3)中的波矢k_spp和k；设定纳米孔阵列圆环形图案的内环半径R₁和外环半径R₂，设定纳米孔间距d；

2)将方程(3)中的参量M和取为一系列数值，其中M取为一系列间隔为1的整数，表示为M＝M1:1:M2，M1为起始值，M2为大于M1的整数；取值在0-2π，取为间隔为的等差数列 由需要得到的阵列密集程度决定，越密集则设定越小；

3)对于每一个M和值，利用方程(3)计算出对应的r，即得到符合该方程要求的纳米孔的位置坐标

4)将纳米孔的位置坐标和相关参数带入方程(1)中，计算出对应该纳米孔的转角θ，由此得到符合方程(1)和方程(3)的纳米孔几何参数

5)判断步骤4)中得到的纳米孔位置是否处于R₁和R₂之间以及纳米孔之间的间距是否大于等于d，即是否有：

R₁≤r≤R₂并且

其中下标i，j表示不同纳米孔的编号，当符合该条件时，则该纳米孔符合最终要求，保存该纳米孔的几何参数否则舍弃并继续计算下一M、对应的r、θ；

6)通过上述步骤3)至5)，计算步骤2)中每一个M、取值对应的并最后将符合要求的几何参数保存，即得到符合设计要求的纳米孔阵列。

10.如权利要求7所述的设计方法，其特征在于，针对不同的工作波长，利用微纳光学设计常用的时域有限差分法及相应的软件对矩形纳米孔的长宽尺寸进行优化设计，以达到在所选波长处纳米孔与入射光能有效耦合。

11.权利要求1～6任一所述平面光学器件的制备方法，包括以下步骤：

a.获得透明衬底，并对衬底表面进行清洗；

b.在透明衬底上镀上所需厚度的金属薄膜；

c.在金属薄膜上的洁净区域刻蚀出预先设计好的纳米孔阵列。

12.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤b使用电子束蒸发镀膜或者热蒸发镀膜的方法制备所述金属薄膜；步骤c使用编程语言生成刻蚀所需的纳米孔阵列图案，然后利用聚焦离子束刻蚀的方法刻蚀出满足设计要求的纳米孔阵列。