CN111338090A - 基于全介质超表面材料的艾里光束产生器 - Google Patents

基于全介质超表面材料的艾里光束产生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，该艾里光束产生器由多个周期单元排列组成正方形的阵列相位板；所述的周期单元包括衬底层，衬底层上设有截面为正方形的纳米柱；当透射光经过阵列相位板所获相位差为0的周期单元为第一阵列块，当透射光经过阵列相位板所获相位差为π的周期单元为第二阵列块；所述阵列相位板中，沿着x轴方向，当艾里光束的初始波包φ＞0时，在同一列中的周期单元选择第一阵列块，当艾里光束的初始波包φ＜0时，在同一列中的周期单元选择第二阵列块；本发明无需复杂的光学系统既可简单方便的产生艾里光束，具有体积小，结构简单，成本低廉的优点。

Description

基于全介质超表面材料的艾里光束产生器
技术领域
本发明涉及一种基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，属于光学领域。
背景技术
艾里光束最早由Berry和Balazs在量子力学领域提出，具有无衍射，自愈的特性，此外沿弯曲轨迹自加速的特性使之在很多领域拥有独一无二的优势。2007年由Siviloglou等人结合薛定谔方程和近轴亥姆霍兹方程将其引入光学领域使之能够成功被制备出来。
通常，艾里光束是由一束高斯光进行傅里叶变换，通过空间光调制器和透镜组成的光学系统产生，复杂的光学系统不利于应用在高度紧凑、集成的现代应用设备中。随着超表面的兴起，越来越多的人将其应用在各自的领域，超表面拥有超薄、独立调控光学参数的作用，比如振幅、相位以及偏振状态等，具有体积小，结构简单，加工方便的优点。因此，如何在光学系统中利用超表面技术用于产生艾里光束，用以减少光学系统的复杂性是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于全介质超表面材料的艾里光束产生器。本发明无需复杂的光学系统既可简单方便的产生艾里光束，具有体积小，结构简单，成本低廉的优点。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，该艾里光束产生器由多个周期单元排列组成正方形的阵列相位板；所述的周期单元包括衬底层，衬底层上设有截面为正方形的纳米柱；当透射光经过阵列相位板所获相位差为0的周期单元为第一阵列块，当透射光经过阵列相位板所获相位差为π的周期单元为第二阵列块；所述阵列相位板中，沿着x轴方向，当艾里光束的初始波包φ＞0时，在同一列中的周期单元选择第一阵列块，当艾里光束的初始波包φ＜0时，在同一列中的周期单元选择第二阵列块。
上述的基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，所述衬底层为截面是正方形的柱体，衬底层的宽度为400nm；所述衬底层的材质为二氧化硅。
前述的基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，所述纳米柱的高度为550nm；所述第一阵列块中纳米柱的宽度为150nm；所述第二阵列块中纳米柱的宽度为206nm；所述纳米柱的材质为二氧化钛。
前述的基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，所述阵列相位板由53×53个周期单元组成。
前述的基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，所述艾里光束的初始波包具体为：
旁轴近似条件下平面光在传播中的波包为：
Figure BDA0002444327940000021
其中，ξ＝zb2/k，z是传播的距离，b是横向尺度，k为波矢，φ是是波函数
Figure BDA0002444327940000031
求偏导，
Figure BDA0002444327940000032
是波函数，i表示虚部，
对初始波函数φ(ξ＝0，x)＝Ai(bx)添加一个指数项exp(ax)，代入上式即得到有限能量的艾里光束波包：
Figure BDA0002444327940000033
其中Ai是艾里函数；a为截断艾里光束的参数，0＜a＜1；b是横向尺度，ξ＝zb2/k是归一化的传播距离，k为波矢；
在ξ＝0时，所述艾里光束的初始波包φ(ξ＝0，x)＝Ai(bx)exp(ax)，相位为
Figure BDA0002444327940000034
angle是取其相位。
与现有技术相比，本发明利用超表面技术与艾里光束产生原理相结合构成一种艾里光束产生器，该艾里光束产生器通过由多个周期单元排列组成阵列相位板，其中周期单元包括衬底和纳米柱，通过纳米柱的宽度的改变得到第一阵列块和第二阵列块，再依据艾里光束的初始波包对第一阵列块和第二阵列块进行规律性排布，从而获得产生艾里光束的相关相位；本发明可以对入射光束的波前相位进行调控，从而简单方便的得到艾里光束，具有体积小，结构简单，成本低廉的优点。此外，申请人还对周期单元和阵列相位板的各部分在形状、尺寸和数量上作了优选，优选后的结构进一步提高了艾里光束的产生效果。
附图说明
图1是周期单元的结构示意图；
图2是周期单元的主视结构示意图；
图3是阵列相位板的主视结构示意图；
图4是第一阵列块的结构示意图；
图5是第二阵列块的示意图；
图6是入射光入射阵列相位板的示意图；
图7是艾里曲线的采样点示意图；
图8是艾里曲线对应的相位图；
图9是第一阵列块和第二阵列块在x偏振光照射下的透射强度图；
图10是第一阵列块和第二阵列块在x偏振光照射下的相位图；
图11是实施例1中产生的艾里光束图；
图12是实施例2中产生的艾里光束图；
图13是理论上的弯曲曲线与实际曲线图；
图14是实施例1中产生的艾里光束被阻挡物阻挡后的自愈性示意图；
图15是艾里光束自会聚示意图。
附图标记：1-周期单元，2-阵列相位板，3-衬底层，4-纳米柱，5-第一阵列块，6-第二阵列块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，该艾里光束产生器由44×44个周期单元1排列组成正方形的阵列相位板2；所述的周期单元1包括衬底层3，所述衬底层3为截面是正方形的柱体，衬底层3的宽度为450nm，所述衬底层3的材质为二氧化硅，衬底层3上设有截面为正方形的纳米柱4，所述纳米柱4的材质为二氧化钛，所述纳米柱4的高度为500nm；当透射光经过阵列相位板2所获相位差为0的周期单元1为第一阵列块5，当透射光经过阵列相位板2所获相位差为π的周期单元1为第二阵列块6；所述第一阵列块2中纳米柱4的宽度为140nm；所述第二阵列块2中纳米柱4的宽度为196nm.所述阵列相位板2中，沿着x轴方向，当艾里光束的初始波包φ＞0时，在同一列中的周期单元1选择第一阵列块5，当艾里光束的初始波包φ＜0时，在同一列中的周期单元1选择第二阵列块6，其中所述艾里光束的初始波包具体为：
旁轴近似条件下平面光在传播中的波包为：
Figure BDA0002444327940000051
其中，ξ＝zb2/k，z是传播的距离，b是横向尺度，k为波矢，φ是是波函数
Figure BDA0002444327940000052
求偏导，
Figure BDA0002444327940000053
是波函数，i表示虚部，
对初始波函数φ(ξ＝0，x)＝Ai(bx)添加一个指数项exp(ax)，代入上式即得到有限能量的艾里光束波包：
Figure BDA0002444327940000054
其中Ai是艾里函数；a为截断艾里光束的参数，a＝0.1；b是横向尺度，
Figure BDA0002444327940000056
ξ＝zb2/k是归一化的传播距离，k为波矢；
在ξ＝0时，所述艾里光束的初始波包φ(ξ＝0，x)＝Ai(bx)exp(ax)，相位为
Figure BDA0002444327940000055
实施例2：基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，如图1-5所示，该艾里光束产生器由53×53个周期单元1排列组成正方形的阵列相位板2；所述的周期单元1包括衬底层3，所述衬底层3为截面是正方形的柱体，衬底层3的宽度为400nm，所述衬底层3的材质为二氧化硅，衬底层3上设有截面为正方形的纳米柱4，所述纳米柱4的材质为二氧化钛，所述纳米柱4的高度为550nm；如图2和图6所示，当透射光经过阵列相位板2所获相位差为0的周期单元1为第一阵列块5，当透射光经过阵列相位板2所获相位差为π的周期单元1为第二阵列块6；所述第一阵列块2中纳米柱4的宽度为150nm；所述第二阵列块2中纳米柱4的宽度为206nm；所述阵列相位板2中，旁轴近似条件下平面光在传播中的波包为：
Figure BDA0002444327940000061
其中，ξ＝zb2/k，z是传播的距离，b是横向尺度，k为波矢，φ是是波函数
Figure BDA0002444327940000062
求偏导，
Figure BDA0002444327940000063
是波函数，i表示虚部，
对初始波函数φ(ξ＝0，x)＝Ai(bx)添加一个指数项exp(ax)，代入上式即得到有限能量的艾里光束波包：
Figure BDA0002444327940000064
其中Ai是艾里函数；a为截断艾里光束的参数，a＝0.1；b是横向尺度，主瓣半宽度与横向尺度互为倒数，
Figure BDA0002444327940000065
ξ＝zb2/k是归一化的传播距离，k为波矢；
在ξ＝0时，所述艾里光束的初始波包φ(ξ＝0，x)＝Ai(bx)exp(ax)，相位为
Figure BDA0002444327940000066
angle是取其相位，即取幅角。
在x轴方向，如图7所示，当艾里光束的初始波包φ＞0时，在同一列中的周期单元1选择第一阵列块5，如图8所示，其提供相位为0；反之，当艾里光束的初始波包φ＜0时，在同一列中的周期单元1选择第二阵列块6，其提供相位为π。
申请人对实施例2中的艾里光产生器作了试验，在入射波长为600nm-700nm x偏振光的照射下，得到如图9和图10所示的第一阵列块和第二阵列块的x偏振光透射强度和相位，图9为第一阵列块和第二阵列块在x偏振光照射下的透射强度，图10为第一阵列块和第二阵列块在x偏振光照射下的相位，设计波长为635nm，从图9和图10中可以看出，第一阵列块和第二阵列块在该工作波长处的透射率都超过了90％，且在波长为635nm的入射波下，第一阵列块的相位为0，第二阵列块的相位为π，其相位非常符合本发明的初始相位要求。
在保证了高透射的同时，申请人对实施例1和实施例2中的阵列相位板进行入射光照射，得到如图11所示的入射光在透过实施例1中艾里光产生器后的传播情况和如图12所示的入射光在透过实施例2中艾里光产生器后的传播情况，从图11和图12中可以明显看到入射波入射后所产生的光束的主瓣发生了弯曲，而且光束强度也非常符合标准艾里光束强度分布；相比图11和图12可以发现，本发明实施例2中进一步提高了艾里光束的产生效果。这是因为本发明实施例2对周期单元和阵列相位板的各部分在形状、尺寸和数量上作了优选，优选后的结构使得艾里光束的产生效果。由上可知，本发明可以简单方便的产生艾里光束，具有结构简单，成本低廉的优点。
由于艾里光束具有自愈特性及会聚性，理论上，艾里光的横向偏转距离与传播距离符合：
Figure BDA0002444327940000081
λ0是自由空间中光的波长，x0＝b-1，图13中的虚线表示了以上方程得到理论上的主瓣弯曲轨迹曲线；理论上的主瓣弯曲轨迹曲线与图12上入射波入射后所产生的光束的主瓣弯曲曲线较为的吻合，而且如图14所示，申请人在实施例1中的艾里光传播路线上放置了一个阻挡物，可以看见艾里光束很快愈合并继续传播，由此可以说明，本发明的艾里光产生器产生的艾里光与理论相符合。由于艾里光束的能量是从副瓣流动到主瓣，最终会聚于一点这就是艾里光束的自会聚，如图15所示，申请人还将一维艾里光束的主瓣至于内侧，两个主瓣相距14.48μm，焦点位于z＝70μm处，基本与理论结果一致。
综上所述，本发明利用超表面技术与艾里光束产生原理相结合构成一种艾里光束产生器，该艾里光束产生器通过由多个周期单元排列组成阵列相位板，其中周期单元包括衬底和纳米柱，通过纳米柱的宽度的改变得到第一阵列块和第二阵列块，再依据艾里光束的初始波包对第一阵列块和第二阵列块进行规律性排布，从而获得产生艾里光束的相关相位；由于艾里光束的奇异特性使得它具有一些很特殊的应用价值，近年来，艾里光束在构建自会聚光束、等离子体、微粒操控、光子弹、艾里激光器和大气传输等方面被大量应用。艾里光束的特殊性质不仅可以存在于光频段，在其他频段同样可以，因此通过本发明产生的艾里光束拥有巨大的应用前景。

Claims (5)

1.基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，其特征在于：该艾里光束产生器由多个周期单元(1)排列组成正方形的阵列相位板(2)；所述的周期单元(1)包括衬底层(3)，衬底层(3)上设有截面为正方形的纳米柱(4)；当透射光经过阵列相位板(2)所获相位差为0的周期单元(1)为第一阵列块(5)，当透射光经过阵列相位板(2)所获相位差为π的周期单元(1)为第二阵列块(6)；所述阵列相位板(2)中，沿着x轴方向，当艾里光束的初始波包φ＞0时，在同一列中的周期单元(1)选择第一阵列块(5)，当艾里光束的初始波包φ＜0时，在同一列中的周期单元(1)选择第二阵列块(6)。
2.根据权利要求1所述的基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，其特征在于：所述衬底层(3)为截面是正方形的柱体，衬底层(3)的宽度为400nm；所述衬底层(3)的材质为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，其特征在于：所述纳米柱(4)的高度为550nm；所述第一阵列块(2)中纳米柱(4)的宽度为150nm；所述第二阵列块(2)中纳米柱(4)的宽度为206nm；所述纳米柱(4)的材质为二氧化钛。
4.根据权利要求1所述的基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，其特征在于：所述阵列相位板(2)由53×53个周期单元(1)组成。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于全介质超表面材料的艾里光束产生器，其特征在于：所述艾里光束的初始波包具体为：
旁轴近似条件下平面光在传播中的波包为：
Figure FDA0002444327930000021
其中，ξ＝zb2/k，z是传播的距离，b是横向尺度，k为波矢，φ是是波函数
Figure FDA0002444327930000022
求偏导，
Figure FDA0002444327930000023
是波函数，i表示虚部，
对初始波函数φ(ξ＝0，x)＝Ai(bx)添加一个指数项exp(ax)，代入上式即得到有限能量的艾里光束波包：
Figure FDA0002444327930000024
其中Ai是艾里函数；a为截断艾里光束的参数，0＜a＜1；b是横向尺度，ξ＝zb2/k是归一化的传播距离，k为波矢；
在ξ＝0时，所述艾里光束的初始波包φ(ξ＝0，x)＝Ai(bx)exp(ax)，相位为
Figure FDA0002444327930000025
angle是取其相位。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111766647A (zh) * 2020-06-30 2020-10-13 上海理工大学 一种基于超表面的艾里光束发生器
CN112882133A (zh) * 2021-02-25 2021-06-01 南京理工大学 一种产生艾里光束的几何相位型超透镜
CN113193349A (zh) * 2021-04-26 2021-07-30 北京理工大学 基于超颖表面产生实空间与k空间艾里光束阵列的方法
CN114200551A (zh) * 2021-12-15 2022-03-18 浙江科技学院 一种基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8101929B1 (en) * 2008-04-24 2012-01-24 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Diffraction free, self-bending airy wave arrangement
CN106680910A (zh) * 2016-12-20 2017-05-17 哈尔滨工程大学 一种阵列光栅激发的石墨烯表面消色散Airy光束发生器
CN108539427A (zh) * 2018-06-16 2018-09-14 中国人民解放军空军工程大学 基于幅度和相位同时调控的超表面艾利波束产生器及设计方法
CN209148978U (zh) * 2018-10-10 2019-07-23 中国科学院上海技术物理研究所 全电介质材料的多通道聚焦涡旋光束产生器
CN110133773A (zh) * 2019-06-27 2019-08-16 华南师范大学 一种对光场振幅与相位均可调的超表面结构

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8101929B1 (en) * 2008-04-24 2012-01-24 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Diffraction free, self-bending airy wave arrangement
CN106680910A (zh) * 2016-12-20 2017-05-17 哈尔滨工程大学 一种阵列光栅激发的石墨烯表面消色散Airy光束发生器
CN108539427A (zh) * 2018-06-16 2018-09-14 中国人民解放军空军工程大学 基于幅度和相位同时调控的超表面艾利波束产生器及设计方法
CN209148978U (zh) * 2018-10-10 2019-07-23 中国科学院上海技术物理研究所 全电介质材料的多通道聚焦涡旋光束产生器
CN110133773A (zh) * 2019-06-27 2019-08-16 华南师范大学 一种对光场振幅与相位均可调的超表面结构

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111766647A (zh) * 2020-06-30 2020-10-13 上海理工大学 一种基于超表面的艾里光束发生器
CN112882133A (zh) * 2021-02-25 2021-06-01 南京理工大学 一种产生艾里光束的几何相位型超透镜
CN113193349A (zh) * 2021-04-26 2021-07-30 北京理工大学 基于超颖表面产生实空间与k空间艾里光束阵列的方法
CN113193349B (zh) * 2021-04-26 2022-04-05 北京理工大学 基于超颖表面产生实空间与k空间艾里光束阵列的方法
CN114200551A (zh) * 2021-12-15 2022-03-18 浙江科技学院 一种基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器
CN114200551B (zh) * 2021-12-15 2023-02-28 浙江科技学院 一种基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器

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