CN111948805A - 一种可实现坐标变换的超表面组及其超表面的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微纳光学技术领域，更具体的是涉及一种可实现坐标变换的超表面组及其超表面的制备方法，包括顺次分布排列在同一光路上的透镜、第一超表面，第二超表面，第一超表面包括第一基底和第一纳米结构层，第二超表面包括第二基底和第二纳米结构层，第一纳米结构层沉积在第一基底上，第二纳米结构层沉积在第二基底上，第一基底靠近透镜，第一纳米结构层靠近第二基底。本发明通过设置两块超表面，一块超表面作为转换器，另一块超表面作为补偿器，对入射光进行坐标变换；当入射光束数量增加时，不需要增加额外的超表面，即可完成对所有入射光进行坐标变换的工作，且不会降低光束的能量效率。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学技术领域，更具体地是涉及一种可实现坐标变换的超表面组及其超表面的制备方法。
背景技术
轨道角动量(OAM)光束近年来被广泛地应用于通信领域中，其特征在于拥有螺旋相位，并可以根据不同的螺旋波前进行分离，使每路轨道角动量光束都有一个独立的数据通道。这些特征使得轨道角动量光束既可携带高容量的数据又有较强的信号传输能力，因此轨道角动量光束的复用与解复用也就成了当前研究的热点。其中坐标变换就是轨道角动量光束的一种复用/解复用方法。
坐标变换执行的功能即进行笛卡尔坐标与对数极坐标的坐标之间的变换。上述坐标变换均只需两个可以调制相位的定制器件即可完成，通常透射型的自由曲面透镜常用于坐标变换中起到相位调制的作用。
然而传统光学玻璃在加工制造方面的限制，无论是采用打磨抛光式的冷加工，还是熔融压印式的热加工，在成本、一致性和产量上都难以满足通信领域迅速发展的要求。且传统光学玻璃的加工方法制造出的自由曲面灵活度低，质量和体积较大，不利于光路系统的集成化和微型化。
为解决上述问题，中国专利CN201911239938.8一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置及方法，其第二透镜包括基底、超表面透镜阵列，超表面透镜阵列位于基底的一侧面上，超表面透镜阵列包括第一数量的超表面透镜，超表面透镜的焦平面与单芯光纤阵列的一端面重合，然而其采用的是超表面透镜阵列沉积在所述熔融石英基底表面，这样的设计需要根据不同光束匹配不同的超表面数量，不够灵活，且会降低光束的能量效率。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中超表面透镜设计不够灵活、随着光束增加其能量效率会降低不足，提供了一种设计灵活度高、可实现低损耗坐标变换的超表面组及其超表面的制备方法。
在本技术方案中，提供了一种可实现坐标变换的超表面组，包括顺次分布排列在同一光路上的透镜、第一超表面，第二超表面，第一超表面包括第一基底和第一纳米结构层，第二超表面包括第二基底和第二纳米结构层，第一纳米结构层沉积在第一基底上，第二纳米结构层沉积在第二基底上，第一基底靠近透镜，第一纳米结构层靠近第二基底。
本发明中通过设置两块超表面，一块超表面作为转换器，另一块超表面作为补偿器，对入射光进行坐标变换；当入射光束数量增加时，不需要增加额外的超表面，即可完成对所有入射光进行坐标变换的工作，且不会降低光束的能量效率。
优选地，上述的第一纳米结构层和第二纳米结构层均为亚波长纳米柱阵列，第一基底和第二基底均为二氧化硅，亚波长纳米柱阵列与入射光相互作用，产生相位、振幅、偏振态的变化，实现调控入射光波前的功能，其中第一纳米结构层和第二纳米结构层可采用非晶硅、氮化硅、氧化钛、石英玻璃等具有高折射率低损耗特点的材料，进一步降低超表面组对光束的能量损耗。
优选地，上述的第一纳米结构层和第二纳米结构层的周期P均为0.45λ～0.52λ，单个纳米柱直径为0.21P～0.76P，高度为850～950nm，第一基底和第二基底厚度均小于等于500um；其中λ为入射光波长。这样设置是为了覆盖0～2π的相位调控需要，且保证超表面组对1550nm附近的光波段透过率达90％以上。
优选地，上述的第一超表面与第二超表面配合完成第一坐标变换和第二坐标变换；第一坐标变换为第一超表面对经过柱透镜后的入射光进行相位变换，第二超表面对调制后的光束进行相位补偿；第二坐标变换为第二超表面对入射光进行相位变换，第一超表面对相位变换后的光束进行相位补偿，将入射光场转换为所需的光场，如将相位为exp(ilx/a)的条形光斑转换成相位为exp(ilφ)的圆环形轨道角动量光束或将相位为exp(ilφ)的圆环形轨道角动量光束转换成相位为exp(ilx/a)的条形光斑，其中l为轨道角动量光束对应的拓扑荷,φ表示方位角，x表示横向水平坐标，a为坐标变换的相关参数。
优选地，上述的第一坐标变换为对数极坐标转换成笛卡尔坐标，其变换相位和补偿相位需满足：
其中，Ф1为变换相位，Ф2为补偿相位，(x1,y1)为对数极坐标，(x2,y2)为笛卡尔坐标，λ为入射光波长，r为纳米柱中心距离第一基底中心的距离，f为透镜的焦距，参数a与条形光斑的大小和相位有关，参数b与圆形光斑的大小有关。
优选地，上述的第二坐标变换为笛卡尔坐标转换成对数极坐标，其变换相位和补偿相位需满足：
其中，Ф3为变换相位，Ф4为补偿相位，(x3,y3)为笛卡尔坐标，(x4,y4)为对数极坐标，λ为入射光波长，r为纳米柱中心距离第二基底中心的距离，f为透镜的焦距，参数a与条形光斑的大小和相位有关，参数b与圆形光斑的大小有关。
在本技术方案中，还提供了一种超表面制备方法，包括以下步骤：
步骤1：利用化学气相沉积(CVD)技术，在二氧化硅表面沉积一层超表面材料，得到样品；
步骤2：对样品进行曝光前的处理，对样品进行清洗，依次在丙酮、异丙醇和去离子水中超声30min，吹干后放至130摄氏度的热板上烘5min，晾至常温后晾至常温后对样品表面进行旋转甩胶，甩胶时间为1min，转速为4000rpm，使其均匀地涂敷上一层电子胶，再次放至180摄氏度的热板上后烘5min；
步骤3：利用电子束曝光(EBL)技术将纳米柱结构图案转移至电子胶层，曝光后依次放入显影液中显影80s，定影液中定影30s，在电子胶层上得到第一纳米柱阵列；
步骤4：利用深硅刻蚀技术将第一纳米柱阵列转移至超表面材料层，将电子胶作为掩模进行刻蚀，被电子胶保护的超表面材料得以保留，得到第二纳米柱阵列，即所需的纳米结构层，其余被刻蚀；
步骤5：最后在80摄氏度的去胶液中水浴20min，接着在去离子水中处理5min，去除残留电子胶，完成超表面的制备。
优选地，上述的步骤2中最后得到的样品由下向上分别为：二氧化硅层(SiO2)、超表面材料层和电子胶层。
优选地，上述的步骤4中，深硅刻蚀的深度数值与超表面材料层的高度数值相等。
优选地，上述的二氧化硅的高度为450～550um，电子胶厚度为350～450nm，超表面材料层高度为850～950nm。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明中，通过设置两块超表面，一块超表面作为转换器，另一块超表面作为补偿器，对入射光进行坐标变换；当入射光束数量增加时，不需要增加额外的超表面，即可完成对所有入射光进行坐标变换的工作，且不会降低光束的能量效率。整个光路系统中只有超表面本身对光束吸收和放射产生的能量损耗，且特定尺寸的纳米单元结构使超表面在1550nm附近的光波段透过率达90％以上，大大降低了光损耗。
附图说明
图1为本发明实施例可实现坐标变换的超表面组的整体结构示意图；
图2为本发明实施例可实现坐标变换的超表面组的第一超表面结构示意图；
图3为本发明实施例可实现坐标变换的超表面组的第二超表面结构示意图；
图4为本发明实施例可实现坐标变换的超表面组的超表面相位变化示意图；
图5为本发明实施例可实现坐标变换的超表面组的超表面透过率变化示意图；
图6为本发明实施例超表面的制备方法流程示意图；
图7为本发明实施例利用超表面组实现低损耗坐标变换的光路示意图；
图8为本发明实施例可实现坐标变换的超表面组的第一超表面相位分布图；
图9为本发明实施例可实现坐标变换的超表面组的第二超表面相位分布图。
图10为本发明实施例利用超表面组实现低损耗坐标变换前后的光斑示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例
如图1-图10为一种可实现坐标变换的超表面组及其超表面的制备方法的实施例。
具体地如图1-图5所示，一种可实现坐标变换的超表面组，包括顺次分布排列在同一光路上的透镜1、第一超表面2，第二超表面3，所述第一超表面2包括第一基底4和第一纳米结构层5，所述第二超表面3包括第二基底6和第二纳米结构层7，所述第一纳米结构层5沉积在所述第一基底4上，所述第二纳米结构层7沉积在所述第二基底6上，所述第一基底4靠近所述透镜1，所述第一纳米结构层5靠近所述第二基底6。
本实施例中第一纳米结构层5和第二纳米结构层7均为亚波长纳米柱阵列，第一基底4和第二基底6均为二氧化硅(SiO2)，亚波长纳米柱阵列与入射光相互作用，产生相位、振幅、偏振态的变化，实现调控入射光波前的功能，其中第一纳米结构层5和第二纳米结构层7可采用非晶硅(a-Si)材料，其化学性质活泼，硬度较低，可自由裁剪，易于加工，且折射率较高，适用于通信波段，进一步降低超表面组对光束的能量损耗，当然还可以采用氮化硅、氧化钛、石英玻璃等具有高折射率低损耗特点的材料。
本实施例中的第一纳米结构层5和第二纳米结构层7的周期P均为0.45λ～0.52λ，单个纳米柱直径为0.21P～0.76P，高度为850～950nm，第一基底4和第二基底6厚度均小于等于500um；其中λ为入射光波长。这样设置是为了覆盖0-2π的相位调控需要，且保证超表面组对1550nm附近的光波段透过率达90％以上。
如图4、图5所示，纳米柱在150nm～610nm的直径范围内，对于1550nm附近的光波长，相位变化大于2π，且光的透过率较高。
本实施例中的第一超表面2与第二超表面3配合完成第一坐标变换和第二坐标变换；第一坐标变换为第一超表面2对经过透镜1后的入射光进行相位变换，第二超表面3对调制后的光束进行相位补偿；第二坐标变换为第二超表面3对入射光进行相位变换，第一超表面2对相位变换后的光束进行相位补偿，将入射光场转换为所需的光场，如将相位为exp(ilx/a)的条形光斑转换成相位为exp(ilφ)的圆环形轨道角动量光束或将相位为exp(ilφ)的圆环形轨道角动量光束转换成相位为exp(ilx/a)的条形光斑，其中l为轨道角动量光束对应的拓扑荷,φ表示方位角，x表示横向水平坐标，a为坐标变换的相关参数。
本实施例中的第一坐标变换为对数极坐标转换成笛卡尔坐标，其变换相位和补偿相位需满足：
其中，Ф1为变换相位，Ф2为补偿相位，(x1,y1)表示对数极坐标，(x2,y2)为笛卡尔坐标，λ为入射光波长，r为纳米柱中心距离第一基底4中心的距离，f为透镜1的焦距，参数a与条形光斑的大小和相位有关，参数b与圆形光斑的大小有关。
本实施例中的第二坐标变换为笛卡尔坐标转换成对数极坐标，其变换相位和补偿相位需满足：
其中，Ф3为变换相位,Ф4为补偿相位，(x3,y3)表示笛卡尔坐标，(x4,y4)为对数极坐标，λ为入射光波长，r为纳米柱中心距离第二基底6中心的距离，f为透镜1的焦距，参数a与条形光斑的大小和相位有关，参数b与圆形光斑的大小有关。
如图6所示，一种超表面的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：利用化学气相沉积(CVD)技术，在二氧化硅表面沉积一层非晶硅，得到样品；
步骤2：对样品进行曝光前的处理，对样品进行清洗，依次在丙酮、异丙醇和去离子水中超声30min，吹干后放至130摄氏度的热板上烘5min，晾至常温后对样品表面进行旋转甩胶，甩胶时间为1min，转速为4000rpm，使其均匀地涂敷上一层电子胶，再次放至180摄氏度的热板上后烘5min；
步骤3：利用电子束曝光(EBL)技术将纳米柱结构图案转移至电子胶层，曝光后依次放入显影液中显影80s，定影液中定影30s，在电子胶层上得到第一纳米柱阵列；
步骤4：利用深硅刻蚀技术将第一纳米柱阵列转移至非晶硅层，将电子胶作为掩模进行刻蚀，被电子胶保护的非晶硅得以保留，得到第二纳米柱阵列，即所需的纳米结构层，其余被刻蚀；
步骤5：最后在80摄氏度的去胶液中水浴20min，接着在去离子水中处理5min，去除残留电子胶，完成超表面的制备。
其中，本实施例中的电子胶为ARP，显影液为二甲苯，定影液为异丙醇，需要说明的是，这仅作为实施例参考，不能理解为对本方案的限制，当然也可以采用其他的电子胶及其对应显影液、定影液。
本实施例中的步骤2中最后得到的样品由下向上分别为：二氧化硅层(SiO2)、非晶硅层(a-Si)和电子胶层(ARP)。
本实施例中的步骤4中，深硅刻蚀的深度数值与非晶硅层的高度数值相等。
本实施例中的二氧化硅的高度为450～550um，电子胶厚度为350～450nm，非晶硅层高度为850～950nm。
以轨道角动量光束复用为例，具体说明超表面组实现坐标变换的过程：
如图1和图7所示，第一超表面2作为转换器，第二超表面3作为补偿器，第一超表面2和第二超表面3的面积均为2ⅹ2mm2,其之间间距80mm，透镜1焦距为15mm，条形光斑光束从左至右，先经过透镜1的聚焦，后入射到第一超表面2，第一超表面2对光束进行相位变换，相位变换后的光束经过第二超表面3，进行相位补偿，实现对数极坐标转换成笛卡尔坐标的功能，条形光斑变成圆环状的轨道角动量光。其中，设(x1,y1)为对数极坐标，(x2,y2)表示笛卡尔坐标，则两者之间的关系可表示为：
其中，a与条形光斑大小和相位有关，b由输出光斑的大小决定。
另外，变换相位和补偿相位分别满足：
其中，Ф1为变换相位，Ф2为补偿相位，(x1,y1)为对数极坐标，(x2,y2)为笛卡尔坐标，λ为入射光波长，r为纳米结构层距离第一基底4中心的距离，f为透镜1的焦距，参数a与条形光斑的大小和相位有关，参数b与圆形光斑的大小有关。
如图8、图9所示，计算出各个坐标所需的纳米柱半径，使其在给定的空间位置产生特定的相位值，得到第一超表面2和第二超表面3的相位分布。
如图10所示，条形光斑弯曲成了圆环状的轨道角动量光束，完成轨道角动量光束的复用。
当然根据光学的可逆性，也能实现轨道角动量光束的解复用。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可实现坐标变换的超表面组，其特征在于，包括顺次分布排列在同一光路上的透镜(1)、第一超表面(2)，第二超表面(3)，所述第一超表面(2)包括第一基底(4)和第一纳米结构层(5)，所述第二超表面(3)包括第二基底(6)和第二纳米结构层(7)，所述第一纳米结构层(5)沉积在所述第一基底(4)上，所述第二纳米结构层(7)沉积在所述第二基底(6)上，所述第一基底(4)靠近所述透镜(1)，所述第一纳米结构层(5)靠近所述第二基底(6)。
2.根据权利要求1所述的一种可实现坐标变换的超表面组，其特征在于，所述第一纳米结构层(5)和第二纳米结构层(7)均为亚波长纳米柱阵列，所述第一基底(4)和第二基底(6)均为二氧化硅。
3.根据权利要求2所述的一种可实现坐标变换的超表面组，其特征在于，所述第一纳米结构层(5)和第二纳米结构层(7)的周期P均为0.45λ～0.52λ，单个纳米柱直径为0.21P～0.76P，高度为850～950nm，所述第一基底(4)和第二基底(6)厚度均小于等于500um；其中λ为入射光波长。
4.根据权利要求1所述的一种可实现坐标变换的超表面组，其特征在于，所述第一超表面(2)与第二超表面(3)配合完成第一坐标变换和第二坐标变换；所述第一坐标变换为所述第一超表面(2)对经过柱透镜(1)后的入射光进行相位变换，第二超表面(3)对调制后的光束进行相位补偿；所述第二坐标变换为所述第二超表面(3)对入射光进行相位变换，第一超表面(2)对相位变换后的光束进行相位补偿。
5.根据权利要求4所述的一种可实现坐标变换的超表面组，其特征在于，所述第一坐标变换为对数极坐标转换成笛卡尔坐标，其变换相位和补偿相位需满足：
其中，Ф1为变换相位，Ф2为补偿相位，(x1,y1)表示对数极坐标，(x2,y2)为笛卡尔坐标，λ为入射光波长，r为纳米柱中心距离第一基底(4)中心的距离，f为透镜(1)的焦距，参数a与条形光斑的大小和相位有关，参数b与圆形光斑的大小有关。
6.根据权利要求4所述的一种可实现坐标变换的超表面组，其特征在于，所述第二坐标变换为笛卡尔坐标转换成对数极坐标，其变换相位和补偿相位需满足：
其中，Ф3为变换相位,Ф4为补偿相位，(x3,y3)表示笛卡尔坐标，(x4,y4)为对数极坐标，λ为入射光波长，r为纳米柱中心距离第二基底(6)中心的距离，f为透镜(1)的焦距，参数a与条形光斑的大小和相位有关，参数b与圆形光斑的大小有关。
7.一种超表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用化学气相沉积技术，在二氧化硅表面沉积一层超表面材料，得到样品；
步骤2：对样品进行曝光前的处理，对样品进行清洗，依次在丙酮、异丙醇和去离子水中超声30min，吹干后放至130摄氏度的热板上烘5min，晾至常温后对样品表面进行旋转甩胶，甩胶时间为1min，转速为4000rpm，使其均匀地涂敷上一层电子胶，再次放至180摄氏度的热板上后烘5min；
步骤3：利用电子束曝光技术将纳米柱结构图案转移至电子胶层，曝光后依次放入显影液中显影80s，定影液中定影30s，在电子胶层上得到第一纳米柱阵列；
步骤4：利用深硅刻蚀技术将第一纳米柱阵列转移至超表面材料层，将电子胶作为掩模进行刻蚀，被电子胶保护的超表面材料得以保留，得到第二纳米柱阵列，即所需的纳米结构层，其余被刻蚀；
步骤5：最后在80摄氏度的去胶液中水浴20min，接着在去离子水中处理5min，去除残留电子胶，完成超表面的制备。
8.根据权利要求7所述的一种超表面的制备方法，其特征在于，所述步骤2中最后得到的样品由下向上分别为：二氧化硅层、超表面材料层和电子胶层。
9.根据权利要求7所述的一种超表面的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，深硅刻蚀的深度数值与超表面材料层的高度数值相等。
10.根据权要求8所述的一种超表面的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅的高度为450～550um，电子胶厚度为350～450nm，超表面材料层高度为850～950nm。
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