CN111766647A - 一种基于超表面的艾里光束发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面的艾里光束发生器，涉及光学技术领域，包括一束入射光和用于将入射光转换为艾里光束的超表面器件；其中对于基于几何相位设计的艾里光束发生器，所述入射光为圆偏振光；对于基于传播相位设计的艾里光束发生器，所述入射光可为任意偏振光；在所述的超表面器件上加载立方相位和菲涅尔透镜相位可产生单个艾里光束，通过额外加载达曼光栅相位可以产生艾里光束阵列。和以往紧贴着超表面产生艾里光束的器件比起来，本发明可设计出在超表面后方任意距离处产生艾里光束的器件；和传统的基于空间光调制器方法产生的艾里光束相比，本发明所设计的器件具有更高的相位精度从而能够产生具有更长无衍射距离的艾里光束。

Description

一种基于超表面的艾里光束发生器

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于超表面的艾里光束发生器。

背景技术

超表面由周期性排布的微结构组成，其中每个微结构的厚度和周期都小于工作波长。因此，超表面一般被称为二维超材料。它的制造工艺与现有的纳米加工技术相兼 容，这使得超表面具有低成本批量制造的潜力。相对于传统的光学系统，超表面可以 在亚波长尺寸内控制电磁波波前，这对于未来的集成光学领域具有很大的应用前景。

通过空间光调制器和物镜来产生艾里光束需要庞大的傅里叶变换系统，使用超表面来直接产生艾里光束大大的简化了光路。除此之外，我们设计的艾里光束发生器可 以获得更大的无衍射距离。目前基于超表面产生的艾里光束可以获得较小的光斑尺寸， 然而这些光束都大部分都从超表面处开始产生。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于超表面的艾里光束发生器，使得设计的艾里光束不仅具有紧凑的聚焦光斑尺寸和距离可控的焦长，还具有更长无衍射距 离。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种基于电介质超表面的艾里光束发生器。该器件大大简化了传统产生艾里光束所需要的庞大的傅里叶变换系统，并且所 产生的艾里光束在具有紧凑的聚焦光斑尺寸和距离可控的焦长，同时还具有更长的无 衍射距离。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于电介质超表面的艾里光束发生器，包括一束入射光和用于将入射光转换为艾里光束的超表面器件；其中对于基于几何相位设 计的艾里光束发生器，所述入射光为圆偏振光，且可以宽波段工作；对于基于传播相 位设计的艾里光束发生器，所述入射光为任意偏振光。

进一步地，所述超表面器件包括二氧化硅基底和电介质纳米微结构阵列。

进一步地，所述电介质纳米微结构包括长方体状或圆柱状，相邻的所述电介质纳米微结构单元的距离为亚波长，所述加载相位的电介质纳米微结构需要满足奈奎斯特 采样定理。

进一步地，所述长方体状电介质纳米微结构通过改变长方体的旋转角度来调控相位。

进一步地，所述圆柱体状电介质纳米微结构通过改变圆柱体的直径来调控相位。

进一步地，对于产生单个艾里光束，各所述电介质纳米微结构的中心处对应的相位需要满足公式(1)：

其中，

项为立方相位，

项为菲涅尔透镜相位，(x,y)为 各所述电介质纳米微结构中心所对应的空间位置，f为菲涅尔透镜的焦距，

x₀为艾里光束主瓣宽度的一半，λ为波长。

进一步地，对于产生艾里光束阵列，各所述电介质纳米微结构的中心处对应的相位需要满足公式(2)：

其中

为达曼光栅相位。

进一步地，所述公式中的参数b₁和f需要满足公式(3)：

其中(X,Y)∈[(x_min,0),(x_max,0),(0,y_min),(0,y_max)],且A∈(0.33，1)。

进一步地，所述超表面器件能够获得比传统空间光调制器更高的相位梯度，这可以使得基于超表面器件所设计出的立方相位在相同甚至较小的面积下所覆盖的相位范 围更大或所设计出的菲涅尔透镜的焦距更小，因而该器件可以产生具有更长无衍射距 离的艾里光或具有较小光斑尺寸艾里光束。其中无衍射距离的近似值z₀近似值见下式：

其中

为立方相位的总相位值。

进一步地，所述艾里光束在菲涅尔透镜的焦平面处产生，可以通过改变菲涅尔透镜焦距的参数，来控制所产生的艾里光束的焦平面的位置。

本发明提供的基于超表面的艾里光束发生器，每个单元结构具有亚波长的像素尺寸，这使得我们提供的艾里光束发生器可以获得更长的无衍射距离。另外，艾里光束 在菲涅尔透镜的焦平面处产生，可以通过改变菲涅尔透镜焦距的参数，用于控制所产 生的艾里光束的焦平面的位置。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的基于超表面产生的单个艾里光束示意图；

图2a-图2b是本发明的一个较佳实施例的超表面结构单元硅纳米柱及其偏振转换效率图；

图3a-图3c是本发明的一个较佳实施例的产生单个艾里光束的相位示意图；

图4a-图4g是本发明的一个较佳实施例在波长630纳米处实验测得的艾里光束的光场强度分布图；

图5是本发明的另一个较佳实施例的基于超表面产生的艾里光束阵列示意图；

图6a-图6c是本发明的另一个较佳实施例的产生艾里光束阵列的相位示意图；

图7a-图7b是本发明的另一个较佳实施例的在波长630纳米处的艾里光束阵列的光场强度分布图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非 仅限于文中提到的实施例。

实施例一

如图1所示，本实施例给出了基于几何相位的超表面单个艾里光束发生器，包括入射光左旋圆偏振光1和二氧化硅基底2上的硅微结构阵列3，其中4为聚焦平面。

图2a为本实施例的超表面微结构的组成单元的长方体硅纳米柱，每个硅纳米柱的高度为H＝300nm，长度为L＝130nm，宽度为W＝80nm，相邻纳米柱的间距为P＝ 250nm。

图2b给出了通过有限时域差分算法(Finite Difference Time Domain,FDTD)仿真 的单个硅纳米柱在波长从550nm到710nm之间的偏振转换效率，其中完美匹配的层边 界条件用于垂直于入射左旋圆偏振光的传播方向所在的边界，并且周期性条件用于剩 余的边界。图2b中横坐标为波长(nm)，纵坐标为偏振转换效率(％)。

对于产生单个艾里光束，各所述电介质纳米微结构的中心处对应的相位需要满足公式(1)：

其中，(x,y)为各所述电介质纳米微结构中心所对应的空间位置，f为菲涅尔透镜的焦距，

x₀为艾里光束主瓣宽度的一半，λ为波长；

项为立 方相位，

项为菲涅尔透镜相位，其中f为菲涅尔透镜的焦距。公式中的参 数b₁和f需要满足关系式(3)：

其中(X,Y)∈[(x_min,0),(x_max,0),(0,y_min),(0,y_max)],且A∈(0.33，1)。

图3a-图3c给出了产生单个艾里光束的相位示意图。图3a所示的立方相位和图 3b所示的菲涅尔透镜相位相乘得到了用于产生单个艾里光束的总相位1(图3c)。

优选地，单个艾里光束发生器的直径为128μm，设计参数b₁＝-0.0138μm^-1，设 计波长λ＝630nm，菲涅尔透镜的焦距f＝144μm。由此可以计算出所产生的单个艾里光 束的半高全宽(Full width at half maximum，FWHM)＝-2b₁λf＝2.50μm。

图4a-图4g给出了生成的光束在波长为630nm处的实验检测结果。图4a给出了 艾里光束的纵向光场强度分布。我们定义菲涅尔透镜焦平面的位置z＝0。此时艾里光 束的理论传播轨迹见公式(5):

在图4a中的理论轨迹(灰色虚线)和主瓣基本重合,其中横坐标为偏移量(μm)。 图4b，c和d分别显示了在z＝55μm，0μm和-30μm的横向光场强度分布，其中虚线 箭头方向为艾里光束的偏移方向。图4e，f和g分别显示了在图4b，c和d中白色虚 线处的归一化光场强度曲线，其纵坐标为归一化强度。在z＝0处测得艾里光束的半高 全宽为2.51μm，和理论值2.50μm基本吻合。所产生的艾里光束的无衍射距离z₀近似 值见公式(4)：

其中

为立方相位的总相位值。由此可知，在艾里光束半高全宽不变的情况下，受奈奎斯特采样定理的限制，亚波长像素尺寸的超表面可以比传统的可见光调制 器获得更大的总相位，所以本发明所提供的方法能够获得更大的无衍射距离。

在实施例一的基础上，我们进行了一个理论推算。假设艾里光束的半高全宽仍为2.5μm，即x₀＝1.25μm。若把超表面直径增加到2mm，此时艾里光束发生器的工作距 离f由公式(6)可得:

其中A为立方相位的总相位和菲涅尔透镜相位的总相位之间的比值，其中(X,Y)∈[(x_min,0),(x_max,0),(0,y_min),(0,y_max)],且A∈(0.33，1)。我们令A＝0.45，此时f＝536.5μm，从而可以得到b₁＝-0.0029μm^-1。根据奈奎斯特采样定理，由于相邻超表面单元之间 的间距为0.25μm，可以得到b₁＝-0.003μm^-1。此时b₁＝-0.0029μm^-1满足采样定理。 由公式(5)可知，该艾里光束的无衍射距离的近似值为442μm。由公式(4)可以得到该艾 里光束的传播轨迹为：

由本发明提出的设计方法，可以按照实际需求(艾里光束的半高全宽和无衍射距离、超表面器件的尺寸)来设计出相应的基于超表面的艾里光束发生器。

实施例二

图5所示为基于几何相位的超表面艾里光束阵列发生器，包括入射光左旋圆偏振光1和二氧化硅基底2上的硅微结构阵列5,其中4为聚焦平面。和实施例一一样，每 个硅纳米柱的高度为H＝300nm、长度为L＝130nm、宽度为W＝80nm，相邻纳米 柱的间距为P＝250nm。

对于产生艾里光束阵列，各微结构的中心处对应的相位需要满足公式(2)：

其中

为达曼光栅相位。

图6a-图6c给出了产生艾里光束阵列的相位示意图。图6a所示的产生单个艾里光束的总相位1和图6b所示的达曼光栅相位相乘得到了用于产生艾里光束阵列的总相位 2(图6c)。为了减少艾里光束旁瓣对主瓣的干扰，如图6b所示，本发明将达曼光栅 相位顺时针旋转了45°。

优选的，艾里光束阵列发生器的直径为48μm，设计参数b₁＝-0.0228μm^-1，设 计波长λ＝630nm，菲涅尔透镜f＝79μm。由此可以计算出所产生的单个艾里光束的半高 全宽为2.27μm。达曼光栅相位由计算机优化，用于产生4个均匀的光斑。

图7a-图7b显示了1×4艾里光束阵列光场强度分布的FDTD仿真结果。在菲涅耳 全息透镜的焦平面处设z＝0。图7a给出了1×4艾里光束阵列的纵向光场强度分布。图 7b展示了在图7a中z＝4μm处白色虚线标记的模拟横向光场强度分布。显然，如图 7a和7b中所示，1×4 2D艾里光束阵列的强度是比较均匀的。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术 人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得 到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于超表面的艾里光束发生器，其特征在于，包括一束入射光和用于将入射光转换为艾里光束的超表面器件；其中对于基于几何相位设计的艾里光束发生器，所述入射光为圆偏振光，可以宽波段工作；对于基于传播相位设计的艾里光束发生器，所述入射光可为任意偏振光，具有偏振不敏感的特性。

2.如权利要求1所述的基于超表面的艾里光束发生器，其特征在于，所述超表面器件包括二氧化硅基底和电介质纳米微结构阵列。

3.如权利要求2所述的基于超表面的艾里光束发生器，其特征在于，所述电介质纳米微结构包括长方体状或圆柱状，相邻的所述电介质纳米微结构单元的距离为亚波长尺寸，所述加载相位的电介质纳米微结构需要满足奈奎斯特采样定理。

4.如权利要求3所述的基于超表面的艾里光束发生器，其特征在于，所述长方体状电介质纳米微结构可通过改变长方体的旋转角度来调控相位。

5.如权利要求3所述的基于超表面的艾里光束发生器，其特征在于，所述圆柱体状电介质纳米微结构通过改变圆柱体的直径来调控相位。

6.如权利要求1所述的基于超表面的艾里光束发生器，其特征在于，对于产生单个艾里光束，各所述电介质纳米微结构的中心处对应的相位需要满足公式(1)：

其中

项为立方相位，

项为菲涅尔透镜相位，(x,y)为各所述电介质纳米微结构中心所对应的空间位置，f为菲涅尔透镜的焦距，

x₀为艾里光束主瓣宽度的一半，λ为波长。

7.如权利要求1所述的基于超表面的艾里光束发生器，其特征在于，对于产生艾里光束阵列，各所述电介质纳米微结构的中心处对应的相位需要满足公式(2)：

其中

为达曼光栅相位。

8.如权利要求6或7所述的基于超表面的艾里光束发生器，其特征在于，所述公式中的参数b₁和f需要满足公式(3)：

其中(X,Y)∈[(x_min,0),(x_max,0),(0,y_min),(0,y_max)],且A∈(0.33，1)。

9.如权利要求6-8所述的基于超表面的艾里光束发生器，其特征在于，所述超表面器件能够获得比传统空间光调制器更高的相位梯度，这可以使得基于超表面器件所设计出的立方相位在相同甚至较小的面积下所覆盖的相位范围更大或所设计出的菲涅尔透镜相位的焦距更小，因而该器件可以产生具有更长无衍射距离的艾里光或具有较小光斑尺寸艾里光束。其中无衍射距离的近似值z₀近似值见下式：

其中

为立方相位的总相位值。

10.如权利要求1-9所述的基于超表面的艾里光束发生器，其特征在于，所述艾里光束在菲涅尔透镜的焦平面处产生，可以通过改变菲涅尔透镜焦距的参数，来控制所产生的艾里光束的焦平面的位置。

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