CN111061000A - 一种叉形光栅及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，公开了一种叉形光栅及其设计方法，叉形光栅包括基底、纳米砖阵列，基底划分为多个尺寸一致的单元结构，纳米砖阵列包括多个尺寸一致的纳米砖，每个单元结构的工作面上设有一个纳米砖；纳米砖阵列用于接收入射的线偏振光，并通过调节纳米砖的转向角来消除透射光的零级。本发明解决了现有技术中叉形光栅的信噪比较低的问题，本发明提供的叉形光栅可以消除透射光的零级，并在±1级衍射产生具有轨道角动量的光场，可根据拓扑荷数任意设计，设计灵活，加工容易。

Description

一种叉形光栅及其设计方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种叉形光栅及其设计方法。

背景技术

自具有螺旋相位波前的拉盖尔高斯光束1992年被发现以来，研究者们已经证明光子的轨道角动量能为光波操控提供一个额外的自由度。因此，轨道角动量在经典及量子的光通信和光存储领域受到了极大的关注。另外，螺旋相位波前的中心存在着相位奇点，该点处振幅为0，致使光斑存在一个暗中心，这个特性使轨道角动量能被用于形成光镊以捕获微小颗粒。轨道角动量能通过螺旋相位板、空间光调制器等方式产生，然而，这些方式存在分辨率低、装置体积大等缺点，不利于光学集成。

由平面波和涡旋光束干涉产生的叉形光栅是另一种产生轨道角动量的方法，其原理简单，可以非常容易地调节拓扑荷数。然而，传统的叉形光栅是将记录干涉条纹的底片进行线性曝光后获得，其透射振幅不能为负，因而会产生不必要的零级，且零级强度比有用的±1级轨道角动量更强，导致信噪比难以提高，极大地限制了其应用场景。

发明内容

本申请实施例通过提供一种叉形光栅及其设计方法，解决了现有技术中叉形光栅的信噪比较低的问题。

本申请实施例提供一种叉形光栅，包括：基底、纳米砖阵列，所述基底划分为多个尺寸一致的单元结构，所述纳米砖阵列包括多个尺寸一致的纳米砖，每个所述单元结构的工作面上设有一个所述纳米砖；

所述纳米砖阵列用于接收入射的线偏振光，并通过调节所述纳米砖的转向角来消除透射光的零级。

优选的，所述单元结构的工作面为正方形，所述纳米砖为长方体形，所述基底和所述纳米砖的尺寸均为亚波长级；以所述单元结构的两直角边为x轴和y轴，以所述纳米砖的长边为长轴，以所述纳米砖的短边为短轴，所述纳米砖的长轴与x轴的夹角为所述纳米砖的转向角θ。

优选的，偏振方向沿所述纳米砖的长轴的线偏振光入射至所述纳米砖时发生反射，偏振方向沿所述纳米砖的短轴的线偏振光入射至所述纳米砖时发生透射。

优选的，入射的线偏振光的偏振方向沿x轴时，所述纳米砖对线偏振光的调节为：

调节前光波振幅为1，偏振方向沿x轴；调节后光波振幅为sinθ，偏振方向与y轴的夹角为θ。

优选的，采用检偏方向沿y轴的检偏器对透射光进行检偏时，透射光的振幅变化为：

检偏前光波振幅为sinθ，偏振方向与y轴的夹角为θ；检偏后光波振幅为1/2sin2θ，偏振方向沿y轴。

优选的，所述基底采用熔融石英玻璃材料制成，所述纳米砖采用金属材料制成。

另一方面，本申请实施例提供上述叉形光栅的设计方法，包括以下步骤：

以所述单元结构的两边为x轴和y轴，建立xoy坐标系，以所述纳米砖的长边为长轴、所述纳米砖的短边为短轴，以所述纳米砖的长轴与x轴的夹角为纳米砖的转向角；

选取入射光的工作波长、所述纳米砖的材料；

基于所述入射光的工作波长、所述纳米砖的材料，采用电磁仿真软件建模仿真，当所述纳米砖的转向角为0时，以偏振方向分别沿x轴和y轴的两束线偏光同时垂直于所述单元结构的工作面入射，在工作波长下扫描所述单元结构、所述纳米砖的尺寸参数，以x线偏光反射率高、y线偏光透射率高为优化对象，获得所述单元结构的尺寸参数、所述纳米砖的尺寸参数；

选取拓扑荷数；

根据所述拓扑荷数得到叉形光栅的振幅；

根据所述叉形光栅的振幅调节所述纳米砖的转向角，以消除透射光的零级，并在±1级衍射产生具有轨道角动量的光场。

优选的，所述叉形光栅的振幅为：

式中，x为叉形光栅上纳米砖所处位置的横坐标，d为叉形光栅的周期，l为拓扑荷数，

为叉形光栅上纳米砖所处位置的方位角。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，由刻蚀在基底上的纳米砖阵列构成，每个纳米砖可等效为一个起偏器，从而对入射光的振幅及偏振态进行调控。根据叉形光栅振幅要求，合理设计纳米砖阵列的转角分布，可以消除透射光的零级，并在±1级衍射产生具有轨道角动量的光场。此外，本发明提供的叉形光栅可根据拓扑荷数任意设计，且只需一次光刻，即具有设计灵活，加工容易的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种叉形光栅中纳米单元结构的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种叉形光栅的振幅分布图；

图3为本发明实施例提供的一种叉形光栅中局部的纳米砖的转向角分布图；

图4为本发明实施例仿真得到的叉形光栅的衍射光场整体分布图；

图5为本发明实施例仿真得到的叉形光栅的衍射光场+1级分布图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供一种叉形光栅，包括：基底、纳米砖阵列，所述基底划分为多个尺寸一致的单元结构，所述纳米砖阵列包括多个尺寸一致的纳米砖，每个所述单元结构的工作面上设有一个所述纳米砖；所述纳米砖阵列用于接收入射的线偏振光，并通过调节所述纳米砖的转向角来消除透射光的零级。

即本实施例提供的一种叉形光栅由基底和沉积在所述基底上的纳米砖阵列构成，当线偏振光入射至叉形光栅，再经过一检偏器时，其振幅会发生变化，从而发生衍射，衍射光场无零级，且±1级具有轨道角动量。

其中，入射的线偏振光的偏振方向沿x轴时，所述纳米砖对线偏振光的调节为：

由式可见，调节前光波的振幅为1，偏振方向沿x轴；调节后光波的振幅为sinθ，偏振方向与y轴的夹角为θ。

采用检偏方向沿y轴的检偏器对透射光进行检偏时，透射光的振幅变化为：

由式可见，检偏前光波的振幅为sinθ，偏振方向与y轴的夹角为θ；检偏后光波的振幅为1/2sin2θ，偏振方向沿y轴。

具体的，所述单元结构的工作面为边长为C的正方形，所述纳米砖为长方体形(长L、宽W和高H)，所述基底和所述纳米砖的尺寸均为亚波长级；以所述单元结构的两直角边为x轴和y轴，以所述纳米砖的长边为长轴，以所述纳米砖的短边为短轴，所述纳米砖的长轴与x轴的夹角为所述纳米砖的转向角θ，一个所述单元结构和一个所述纳米砖构成一个纳米单元结构，单个所述纳米单元结构如图1所示。本实施例提供的一种叉形光栅可看成由多个所述纳米单元结构构成的纳米单元阵列，且所述纳米单元阵列中各相邻的所述纳米砖的尺寸和中心间隔均相同。

所述基底和所述纳米砖的尺寸参数是根据选定的入射光的波长，通过电磁仿真优化得到。以所述单元结构的两直角边为x轴和y轴建立xoy坐标系，以所述纳米砖的长边为长轴、短边为短轴，所述纳米砖的长轴与x轴夹角为纳米砖的转向角θ。

具体的，所述基底为透明基底，所述基底可采用熔融石英玻璃材料制成，所述纳米砖采用金属材料制成，如金、银、铝等。例如，本实施例中所述纳米砖的材料为银，所述纳米砖沉积在熔融石英(二氧化硅材料)制成的所述基底的表面上。

通过优化设计，在某一工作波长下通过所述纳米砖时，可等效为通过一个起偏器。即偏振方向沿所述纳米砖的长轴的线偏振光发生反射，偏振方向沿所述纳米砖的短轴的线偏振光发生透射。

以工作波长λ＝633nm为例，采用电磁仿真软件建模仿真，当所述纳米砖的转向角为0时，以偏振方向分别沿x轴和y轴的两束线偏光(x线偏光和y线偏光)同时垂直于工作面入射，在工作波长下扫描纳米单元结构的尺寸参数，包括L、W、H、C，以x线偏光反射率高、y线偏光透射率高为优化对象。优化得到的纳米单元结构的尺寸参数为：L＝160nm，W＝80nm，H＝70nm，C＝300nm。此时，x线偏光的反射率和y线偏光透射率均高于90％。因此，在优化好的纳米单元结构的参数下，可以使纳米单元结构等效为起偏器。

当入射线偏振光偏振方向沿x轴时，所述纳米单元阵列中每个纳米单元结构对线偏振光实现的偏振调节功能可由下式说明：

即以偏振方向沿x轴的线偏振光入射时，透射光能量及偏振方向均发生了改变。当采用检偏方向沿y轴的检偏器对透射光进行检偏时，透射光振幅变化为：

即透射光变为沿y轴方向偏振，振幅大小为

即可以通过改变所述纳米砖的转向角θ的大小实现振幅调制，当调制量满足叉形光栅要求时，可以消除透射光的零级，并在±1级衍射产生具有轨道角动量的光场。

在本实施例中，叉形光栅的振幅为

其中，x为光栅上纳米砖所处位置的横坐标，光栅周期d＝10um，拓扑荷数l＝1，

为光栅上纳米砖所处位置的方位角。设计时，先确定拓扑荷数，然后根据公式得到最终的叉形光栅的振幅。计算得到该叉形光栅的振幅分布及局部放大如图2所示。

根据上述振幅分布，改变纳米砖的转向角，得到不同位置处的纳米砖的转向角分布，如图3所示。设计完成后，仿真得到的叉形光栅的衍射光场整体分布如图4所示，衍射光场+1级分布如图5所示。

综上，本发明提供的一种叉形光栅通过合理设计纳米砖的转角分布，可以在±1级衍射产生涡旋光，并消除透射光的零级。

此外，本发明还提供上述叉形光栅的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、以所述单元结构的两边为x轴和y轴，建立xoy坐标系，以所述纳米砖的长边为长轴、所述纳米砖的短边为短轴，以所述纳米砖的长轴与x轴的夹角为纳米砖的转向角。

步骤2、选取入射光的工作波长、所述纳米砖的材料。

步骤3、基于所述入射光的工作波长、所述纳米砖的材料，采用电磁仿真软件建模仿真，当所述纳米砖的转向角为0时，以偏振方向分别沿x轴和y轴的两束线偏光同时垂直于所述单元结构的工作面入射，在工作波长下扫描所述单元结构、所述纳米砖的尺寸参数，以x线偏光反射率高、y线偏光透射率高为优化对象，获得所述单元结构的尺寸参数、所述纳米砖的尺寸参数。

步骤4、选取拓扑荷数。

步骤5、根据所述拓扑荷数得到叉形光栅的振幅。

所述叉形光栅的振幅为：

式中，x为叉形光栅上纳米砖所处位置的横坐标，d为叉形光栅的周期，l为拓扑荷数，

为叉形光栅上纳米砖所处位置的方位角。

步骤6、根据所述叉形光栅的振幅调节所述纳米砖的转向角，以消除透射光的零级，并在±1级衍射产生具有轨道角动量的光场。

本发明实施例提供的一种叉形光栅及其设计方法至少包括如下技术效果：

(1)本发明提供的叉形光栅基于纳米单元结构，能有效消除叉形光栅的零级，大大提高具有轨道角动量光束的信噪比。

(2)本发明提供的叉形光栅设计灵活，能实现具有任意拓扑荷数的轨道角动量。

(3)由于纳米单元结构的尺寸均为亚波长级，因此本发明提供的叉形光栅体积小、重量轻、可高度集成，适应于未来小型化、微型化的发展。

(4)由于本发明提供的叉形光栅为二台阶平面结构，因此在加工制造、批量生产等方面较为简单、节约成本。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种叉形光栅，其特征在于，包括：基底、纳米砖阵列，所述基底划分为多个尺寸一致的单元结构，所述纳米砖阵列包括多个尺寸一致的纳米砖，每个所述单元结构的工作面上设有一个所述纳米砖；

所述纳米砖阵列用于接收入射的线偏振光，并通过调节所述纳米砖的转向角来消除透射光的零级。

2.根据权利要求1所述的叉形光栅，其特征在于，所述单元结构的工作面为正方形，所述纳米砖为长方体形，所述基底和所述纳米砖的尺寸均为亚波长级；以所述单元结构的两直角边为x轴和y轴，以所述纳米砖的长边为长轴，以所述纳米砖的短边为短轴，所述纳米砖的长轴与x轴的夹角为所述纳米砖的转向角θ。

3.根据权利要求2所述的叉形光栅，其特征在于，偏振方向沿所述纳米砖的长轴的线偏振光入射至所述纳米砖时发生反射，偏振方向沿所述纳米砖的短轴的线偏振光入射至所述纳米砖时发生透射。

4.根据权利要求2所述的叉形光栅，其特征在于，入射的线偏振光的偏振方向沿x轴时，所述纳米砖对线偏振光的调节为：

调节前光波振幅为1，偏振方向沿x轴；调节后光波振幅为sinθ，偏振方向与y轴的夹角为θ。

5.根据权利要求4所述的叉形光栅，其特征在于，采用检偏方向沿y轴的检偏器对透射光进行检偏时，透射光的振幅变化为：

检偏前光波振幅为sinθ，偏振方向与y轴的夹角为θ；检偏后光波振幅为1/2sin2θ，偏振方向沿y轴。

6.根据权利要求1所述的叉形光栅，其特征在于，所述基底采用熔融石英玻璃材料制成，所述纳米砖采用金属材料制成。

7.一种如权利要求1-6中任一所述的叉形光栅的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

以所述单元结构的两边为x轴和y轴，建立xoy坐标系，以所述纳米砖的长边为长轴、所述纳米砖的短边为短轴，以所述纳米砖的长轴与x轴的夹角为纳米砖的转向角；

选取入射光的工作波长、所述纳米砖的材料；

基于所述入射光的工作波长、所述纳米砖的材料，采用电磁仿真软件建模仿真，当所述纳米砖的转向角为0时，以偏振方向分别沿x轴和y轴的两束线偏光同时垂直于所述单元结构的工作面入射，在工作波长下扫描所述单元结构、所述纳米砖的尺寸参数，以x线偏光反射率高、y线偏光透射率高为优化对象，获得所述单元结构的尺寸参数、所述纳米砖的尺寸参数；

选取拓扑荷数；

根据所述拓扑荷数得到叉形光栅的振幅；

根据所述叉形光栅的振幅调节所述纳米砖的转向角，以消除透射光的零级，并在±1级衍射产生具有轨道角动量的光场。

8.根据权利要求7所述的叉形光栅的设计方法，其特征在于，所述叉形光栅的振幅为：

式中，x为叉形光栅上纳米砖所处位置的横坐标，d为叉形光栅的周期，l为拓扑荷数，

为叉形光栅上纳米砖所处位置的方位角。

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