CN111679456A - 一种相位可控的超薄亚太赫兹涡旋矢量光束生成器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位可控的超薄亚太赫兹涡旋矢量光束生成器的设计方法，该器件由顶层金属微结构、介质层、底层金属栅构成，器件的设计方法包括：在横向上分为八个扇区；适当选取每个扇区内顶层金属微结构的单元形状尺寸和底层金属栅的栅取向，可提供随扇区变化的相位和偏振分布，其中底层金属栅主要控制偏振方向，顶层金属微结构主要控制透射相位，二者之间构成法伯腔，可提高偏振转化的效率和透射相位的变化范围，实现任意拓扑电荷数的涡旋矢量光束的产生。本发明提供的设计方法直观简单，器件结构紧凑，可直接将线偏振太赫兹源转化成高质量特殊结构光辐射，在太赫兹成像系统中有重要应用前景。

Description

一种相位可控的超薄亚太赫兹涡旋矢量光束生成器的设计 方法

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料和太赫兹科学技术领域，具体涉及一种高效率、超薄、透射式、可产生任意拓扑电荷数的涡旋矢量光束生成器的设计方法。

背景技术

位于0.1-0.3THz(1THz＝10¹²Hz)范围内的亚太赫兹(THz)波，由于其光子能量小、不会破坏生物组织以及对纺织品、塑料等的强穿透能力，在生物医学成像以及安检成像领域具有极高的科研价值和广泛的应用前景。研究紧凑型的涡旋矢量光束产生器可为亚太赫兹成像系统提供优质光源，有望突破衍射极限，提高成像分辨率。常见的矢量光束有径向偏振和角向偏振两类，而涡旋矢量光束是具有涡旋相位分布的矢量光束，后者的产生需要对光束的偏振和相位同时进行控制。

在产生这类特殊结构光束的方法中，有些设计只能产生矢量光束，不能对相位进行控制，例如正交偏振光束的干涉以及空间取向变化的π相移超表面阵列可获得高偏振纯度的矢量光[Optics letters，2002，27(5)，285-287]、[Optics Express，2017，25(26)，33480-33486]；有些设计则只能产生特定拓扑电荷数的涡旋矢量光束，例如同心环金属线栅可将圆偏振光转化为拓扑电荷数为l的涡旋矢量光[Adv.Opt.Mater，20197(9)，1801414]，一种反射式超表面通过将圆偏振光部分转化为手性相反的圆偏振光，并与未转化的部分叠加形成拓扑电荷数为l的涡旋矢量光[ACS Photonics，2016，3(9)，1558-1563]。为了获得其他拓扑电荷数的涡旋矢量光，需要附加螺旋相位元件、空间光调制器或级联结构进行额外的相位补偿，使系统复杂、笨重。

最新公开的一种涡旋矢量光生成器可从圆偏振入射光中滤出任意方向的线偏振光[Optics letters，2015 40(14)，3229-3232]，并对该线偏振光的相位进行2π范围的自由控制，这种对偏振和相位的共同操控是通过同时改变双层金属矩形槽的方向和尺寸来实现的，该结构实现了不同拓扑电荷数的涡旋矢量光束的产生，但工作于近红外波段，且要求入射光为圆偏振光。考虑到太赫兹源多为线偏振源，因此发展针对线偏振光入射的可自由调控拓扑电荷数的太赫兹涡旋矢量光生成器具有非常重要的应用价值。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种相位可控的超薄亚太赫兹涡旋矢量光束生成器的设计方法，解决现有方案中无法产生任意拓扑电荷数的涡旋矢量光束的问题，且该设计使用更为常见的线偏振光源，厚度仅为波长的1/14，为亚太赫兹波段结构光束的产生提供结构紧凑、功能灵活的设计方案。

技术方案：为实现上述目的，涡旋矢量光束生成器包括三层结构，顶层金属微结构(1)、介质层(2)以及底层金属栅(3)；在横向上分成八个扇区S1-S8，每个扇区由一种类型的双层亚波长单元组成，在扇区内形成阵列排布；顶层金属微结构(1)的单元形状尺寸和底层金属栅(3)的栅取向随扇区不同而发生改变，可提供随扇区变化的相位和偏振分布；顶层金属微结构(1)和底层金属栅(3)之间构成法伯腔，使入射的x方向线偏振光(4)扭转一定角度，同时控制其出射相位，实现任意拓扑电荷数的涡旋矢量光束(5)；每个扇区的结构设计步骤如下：

a)将x-y面以原点为中心分为8个扇区S1-S8，每个扇区的张角为45°，每个扇区的中心角度一次为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。

b)确定每个扇区的底层金属栅(3)的结构，针对涡旋矢量光束生成器的工作波长λ，设定光栅常数A，使A小于λ/10，选择合适的栅宽W，使底层金属栅(3)对垂直于栅方向的偏振光具有99％以上的透过率，对平行于栅的偏振光具有小于1％的透过率；

c)每个扇区底层金属栅(3)的透振方向由栅的取向来控制，将底层金属栅(3)中垂直于栅的方向定义为透振方向，如需产生径向偏振分布，每个扇区内底层金属栅(3)的透振方向与该扇区的中心角度重合，如需产生角向偏振分布，每个扇区内底层金属栅(3)的透振方向与该扇区的中心角度垂直；

d)底层金属栅(3)的长度在每个扇区的边界被截断，每个扇区内沿透振方向的光栅常数和光栅宽度保持不变；

e)选取介质层材料，确定介质层在工作波长处的折射率，并将介质层的厚度设定为一个远小于波长的定值，如λ/14；

f)每个扇区的透振相位由顶层金属微结构(1)的单元尺寸与形状来控制，选取顶层金属微结构(1)的单元周期为5倍光栅常数，即5A×5A，使一个双层的结构单元中包含一个顶层金属单元及5条底层金属栅；

g)选取顶层金属单元的形状，如矩形、U形、开口圆环、嵌套开口圆环等，使该结构单元具有各项异性，单元的对称轴与入射光偏振态形成一定夹角，将x方向偏振的入射光转化为椭圆偏振态，其中沿底层金属栅(3)透振方向的偏振光将直接透射，垂直于底层金属栅(3)透振方向的偏振光被反射回顶层金属微结构(1)单元，再次通过各项异性相互作用改变反射光的偏振态，并部分透过底层金属栅(3)出射，此过程中顶层金属微结构(1)和底层金属栅(3)构成了法伯腔，大大提高了将x方向线偏振光旋转为任意偏振方向的透射率；

h)通过扫描顶层金属单元的多个结构参数，计算双层结构单元在实现特定偏振方向光束时的相位分布，建立特定偏振方向下相位分布与结构参数一一对应的数据库；

i)当某一个扇区需要保持入射偏振态时，将对应的底层金属栅(3)替换为某种金属微结构，此时双层结构单元的上下层为相同或不同的金属微结构，且金属微结构的对称轴与入射偏振态重合，以确保不发生偏振变换；

j)通过扫描上下层金属微结构的结构参数，建立该偏振方向下相位分布与结构参数一一对应的数据库；

k)计算特定拓扑电荷数的涡旋矢量光束所需的偏振和相位分布，其中涡旋径向偏振光束的琼斯矢量可表示为

涡旋角向偏振光束的琼斯矢量可表示为

其中l为拓扑电荷数，当l＝0时，光束不携带轨道角动量，涡旋矢量光束退化为单纯矢量光束；

l)根据每个扇区所需的偏振和相位分布，从步骤h和步骤j建立的数据库中选取合适的双层结构单元，周期性填充该扇区，当有多个双层结构单元满足相位和偏振要求时，选取透过率最大的结构单元；

m)选定的双层结构单元在S1，S3，S5，S7扇区内沿正方晶格周期排列，在S2，S4，S6，S8扇区内沿直角菱形晶格周期排列，构成特定拓扑电荷数的涡旋矢量光束产生器。

本发明的有益效果和优点是：

1.采用底层金属栅(3)结合顶层金属微结构(1)的双层设计，可同时控制出射光的偏振和相位，底层金属栅(3)主要控制偏振方向，顶层金属微结构(1)主要控制透射相位，同时二者之间构成法伯腔，可提高偏振转化的效率和透射相位的变化范围；

2.可设计生成任意拓扑电荷数的涡旋矢量光束；

3.采用八个扇区的分区结构，有效简化了设计过程；

4.双层结构的总厚度远小于工作波长，器件结构紧凑。

附图说明

图1是相位可控的涡旋矢量光束产生器的三维结构示意图。

图2是器件的分区示意图及底层金属栅的透振方向示意图。

图3是S3和S7扇区的双层单元结构示意图。

图4是S2、S4、S6、S8扇区的双层单元结构示意图。

图5是S1和S5扇区的双层单元结构示意图。

图6是8个扇区结构单元在两个特定的时刻，拓扑电荷数l＝-2的矢量涡旋光束在各扇区的电场分布。

图7是距离该器件32cm处计算的光场强度分布。

图8是距离该器件32cm处计算的电场x分量的相位分布。

图9是距离该器件32cm处计算的电场y分量的相位分布。

图中：1、顶层金属微结构；2、介质层；3、底层金属栅；4、入射x偏振亚太赫兹波；5、涡旋矢量光束。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例为拓扑电荷数l＝-2的涡旋径向偏振光束生成器的设计方法，这种光束的偏振方向沿径向，在中心对称的两个扇区相位相反，在相邻扇区相位差π/2。

器件的结构示意图如图1所示，图1中(1)为顶层金属微结构，(2)为介质层，(3)为底层金属栅，(4)为入射线偏振光，(5)为出射径向偏振光。

器件位于x-y平面内，被分为图2所示的8个扇区，分别命名为S1-S8，其中由于S1和S5不需要改变偏振方向，因此该扇区的底层金属栅(3)被替换成了金属微结构单元。

在该具体实施例中，工作频率为0.14THz，介质层(2)为厚度155μm的SiO₂材料，其在该波段的折射率为1.96。

底层金属栅(3)的周期为161μm，栅宽80μm，对0.14THz频率处沿光栅透振方向偏振的太赫兹波透过率为99％，与透振方向垂直偏振的太赫兹波几乎不透。

根据径向涡旋矢量光对每个扇区偏振方向的需求，在S2、S3、S4、S6、S7、S8扇区中将底层金属栅的透振方向依次沿45°、90°、135°、225°、270°、315°取向，排成图2所示的形状，每个扇区内金属栅沿着透振方向的周期和占空比均不变。

如图3所示，顶层金属微结构单元的周期P为804μm，一个顶层单元对应底层的5条金属栅。

优选的，扇区S3和S7的顶层金属微结构单元采用如图3所示的C形开口圆环金属结构，C形结构单元的不对称性导致部分入射光转变为y偏振光输出，在顶层金属微结构(1)与底层金属栅(3)之间形成y偏振光的法珀腔，使最终出射的y偏振分量透过率提高。

优选的，S3区的C形开口圆环的内径r、外径R、开口半角α、和开口方向角θ分别为54μm、321μm、65°、25°，当x偏振太赫兹波入射到这一周期性单元时，0.14THz处的y偏振透射场琼斯矢量为[00.78e^-1.98i]^T。

将S3区的结构单元关于y轴做镜像对称，即可获得S7扇区所需的结构单元，该单元相比S3扇区的结构单元，y偏振透射幅度不变，透射相位差π，y偏振透射场琼斯矢量为[00.78e^1.16i]^T。

S2、S4、S6以及S8扇区的顶层金属微结构单元采用双C形开口圆环单元，如图4所示，其中S2和S6扇区需要将x偏振旋转为45°偏振，且两个扇区的相位差π。

优选的，S2扇区的双C形开口圆环单元的外环外径为375μm，外环内径为321μm，外环开口半角为30°，外环开口方向角为22.5°，内环外径为241μm，内环内径为107μm，内环开口半角为30°，内环开口方向角为112.5°，透射场琼斯矢量为[0.49e^-0.33i0.47e^-0.37i]^T，且相位与S3扇区相比差π/2。

S6扇区的双C形开口圆环单元的外环外径为348μm，外环内径为268μm，外环开口半角为10°，外环开口方向角为-75°，内环外径为214μm，内环内径为161μm，内环开口半角为10°，内环开口方向角为135°，透射场琼斯矢量为[0.46e^2.35i0.47e^2.38i]^T，与S2扇区相位差π。

S4扇区单元与S2扇区单元关于y轴径向对称，S6扇区单元与S8扇区单元关于y轴径向对称，对应的透射场琼斯矢量分别为[0.47e^-0.4i0.48e^2.75i]^T和[0.45e^2.34i0.48e^-0.73i]^T。

S1和S5扇区由于不需要改变偏振方向，因此将底层金属栅(3)换成与顶层金属微结构(1)单元相同或不同的微结构单元，S1扇区顶层结构是关于x和y轴对称的矩形块，长和宽分别为161μm和54μm，底层结构空缺，S1扇区在0.14THz处的透射场为[0.87e^1.16i0]^T；S5扇区的顶层是关于x和y对称的双T型谐振结构，底层是矩形环，如图5所示，参数M1-M6是161μm、161μm、107μm、321μm、643μm、321μm，S5扇区在0.14THz处的透射场为[0.79e^-2.34i0]^T。

S1和S5扇区的单元成直角菱形晶格阵列排布，其余扇区的单元成正方晶格阵列排布。

理论上8个扇区拓扑电荷l＝-2的涡旋径向偏振光在不同时刻的电场分布如图6所示，相邻扇区的相位差为π/2，相对扇区的相位差为π，以上选择基本满足该条件。

将8个扇区填充对应的单元，形成直径约为12厘米的器件，数值仿真得到距离该器件32cm处的光斑强度分布为图7所示的中空圆环，电场x分量及y分量的相位分布如图8-9所示，验证了拓扑电荷数为l＝-2的涡旋矢量光束的产生。

Claims (5)

1.一种相位可控的超薄亚太赫兹涡旋矢量光束生成器的设计方法，其特征在于，涡旋矢量光束生成器包括三层结构，顶层金属微结构(1)、介质层(2)以及底层金属栅(3)；在横向上分成八个扇区S1-S8，每个扇区由一种类型的双层亚波长金属单元组成，在扇区内形成阵列排布；顶层金属微结构(1)的单元形状尺寸和底层金属栅(3)的栅取向随扇区不同而发生改变，可提供随扇区变化的相位和偏振分布；为将入射的x方向线偏振光(4)转换为任意拓扑电荷数的涡旋矢量光束(5)，每个扇区的结构设计步骤如下：

a)将x-y面以原点为中心分为8个扇区S1-S8，每个扇区的张角为45°，每个扇区的中心角度一次为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°；

b)确定每个扇区的底层金属栅(3)的结构，针对涡旋矢量光束生成器的工作波长λ，设定光栅常数A，使A小于λ/10，选择合适的栅宽W，使底层金属栅(3)对垂直于栅方向的偏振光具有99％以上的透过率，对平行于栅的偏振光具有小于1％的透过率；

c)每个扇区底层金属栅(3)的透振方向由栅的取向来控制，将底层金属栅(3)中垂直于栅的方向定义为透振方向，如需产生径向偏振分布，每个扇区内底层金属栅(3)的透振方向与该扇区的中心角度重合，如需产生角向偏振分布，每个扇区内底层金属栅(3)的透振方向与该扇区的中心角度垂直；

d)底层金属栅(3)的长度在每个扇区的边界被截断，每个扇区内沿透振方向的光栅常数和光栅宽度保持不变；

e)选取介质层材料，确定介质层在工作波长处的折射率，并将介质层的厚度设定为一个远小于波长的定值，如λ/14；

f)每个扇区的透振相位由顶层金属微结构(1)的单元尺寸与形状来控制，选取顶层金属微结构(1)的单元周期为5倍光栅常数，即5A×5A，使一个双层的结构单元中包含一个顶层金属单元及5条底层金属栅；

g)选取顶层金属单元的形状，如矩形、U形、开口圆环、嵌套开口圆环等，使该结构单元具有各项异性，单元的对称轴与入射光偏振态形成一定夹角，将入射的x方向线偏振光(4)转化为椭圆偏振态，其中沿底层金属栅(3)透振方向的偏振光将直接透射，垂直于底层金属栅(3)透振方向的偏振光被反射回顶层金属微结构(1)单元，再次通过各项异性相互作用改变反射光的偏振态，并部分透过底层金属栅(3)出射，此过程中顶层金属微结构(1)和底层金属栅(3)构成了法伯腔，大大提高了将x方向线偏振光旋转为任意偏振方向的透射率；

h)通过扫描顶层金属单元的多个结构参数，计算双层结构单元在实现特定偏振方向光束时的相位分布，建立特定偏振方向下相位分布与结构参数一一对应的数据库；

i)当某一个扇区需要保持入射偏振态时，将对应的底层金属栅(3)替换为某种金属微结构，此时双层结构单元的上下层为相同或不同的金属微结构，且金属微结构的对称轴与入射偏振态重合，以确保不发生偏振变换；

j)通过扫描上下层金属微结构的结构参数，建立该偏振方向下相位分布与结构参数一一对应的数据库；

k)计算特定拓扑电荷数的涡旋矢量光束所需的偏振和相位分布，其中涡旋径向偏振光束的琼斯矢量可表示为

涡旋角向偏振光束的琼斯矢量可表示为

其中l为拓扑电荷数，当l＝0时，光束不携带轨道角动量，涡旋矢量光束退化为单纯矢量光束；

l)根据每个扇区对偏振和相位的需求，从步骤h和步骤j建立的数据库中选取合适的双层结构单元，周期性填充该扇区，当有多个双层结构单元满足相位和偏振要求时，选取透过率最大的结构单元。

2.根据权利要求1所述的相位可控的涡旋矢量光束生成器，其特征是，选定的双层结构单元在S1，S3，S5，S7扇区内沿正方晶格周期排列，在S2，S4，S6，S8扇区内沿直角菱形晶格周期排列，构成特定拓扑电荷数的涡旋矢量光束生成器。

3.根据权利要求1所述的相位可控的涡旋矢量光束生成器，其特征是，底层金属栅(3)主要控制偏振方向，顶层金属微结构(1)主要控制透射相位，同时二者之间构成法伯腔，可提高偏振转化的效率和透射相位的变化范围。

4.根据权利要求1所述的相位可控的涡旋矢量光束生成器，其特征是：所述介质层(2)材料为SiO₂，在亚太赫兹频段折射率为1.96，上下层金属材料为金。

5.根据权利要求1所述的相位可控的涡旋矢量光束生成器，其特征是：可以实现拓扑电荷数为l＝0、±1、±2......的径向或角向偏振光束。

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