CN111999901A

CN111999901A - 一种产生多波段消色差贝塞尔光束的超表面轴锥器件

Info

Publication number: CN111999901A
Application number: CN202010577159.5A
Authority: CN
Inventors: 匡登峰; 向梦
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2020-11-27

Abstract

本发明公开了一种产生多波段消色差贝塞尔光束的超表面轴锥器件。该器件由多个超表面单元径向延拓组成：超表面单元为全介质单元，分为衬底层和天线层，衬底层为正方晶格结构，天线层为矩形纳米柱结构。超表面单元将相位调控与振幅调控分开，由几何相位原理提供相位调控，由天线层的结构参数提供振幅调控和波长选择性。超表面轴锥器件由单一种类超表面单元构成时在透射空间一定范围内产生单波长贝塞尔光束，由多种超表面单元构成时在可在多波长下同时工作，产生波长不敏感的贝塞尔光束。本发明提供以平面器件产生贝塞尔光束的方法，解决了传统轴锥器件形貌复杂、加工难度大、难以集成的技术问题，具有集成度高、小型轻量等优势，有望应用在荧光显微成像当中。

Description

一种产生多波段消色差贝塞尔光束的超表面轴锥器件

技术领域

本发明涉及微纳光学和超表面电磁调控技术领域，特别涉及一种产生多波段消色差贝塞尔光束的超表面轴锥器件。

背景技术

自从贝塞尔的概念提出以来，就有许多学者开展研究，这种光束具有无衍射和自愈特性，甚至还能提供光力。这些特性能够让无衍射光束在显微成像、光学微操控、激光手术等领域发挥其特殊的作用。传统产生贝塞尔光束的方法有：轴锥镜、空间光调制器和亚波长圆环，受到天然材料固有属性和现有加工工艺的限制，这些传统方法具有不易加工、体积大、效率低等缺点。超表面是一种由亚波长结构构成的平面人工电磁材料，能够实现对入射光的波前包括振幅、相位和偏振的任意调控。近年来引起了广泛的关注，并且在光束变换、聚焦、全息成像、偏振转换、结构色产生等方面有广泛的应用。由于超表面本身是平面超薄的结构，相对于传统产生贝塞尔光束的方法，基于超表面的轴锥器件具有体积小、轻薄、易于与现有光学系统进行集成的优点。本发明结构简单、容差大，仅由两层结构设计就能实现设计目的，将基于几何相位原理调控器件的相位响应与基于矩形纳米柱的结构参数调控器件的振幅响应相结合，避免了以结构参数改变调控相位分布的方式带来的振幅差异，各个矩形纳米柱之间的相对振幅差异最小化。

发明内容

本发明目的在于提出一种在圆偏振光照射下能够产生可调控的贝塞尔光束的超表面轴锥器件及其设计方法，解决了传统轴锥器件形貌复杂、加工难度大以及难以集成的技术问题，可扩大超表面在成像、探测等领域的应用。

本发明提供了一种产生多波段消色差贝塞尔光束的超表面轴锥器件，其特征在于：由多个超表面单元在平面内径向延拓组成，所述超表面单元为方形且周期均为p；超表面单元为两层介质结构；上层为矩形纳米柱结构的天线层，下层为正方晶格的衬底层；该超表面轴锥器件由单一种类超表面单元构成时在透射空间一定范围内产生单波长贝塞尔光束，由多种超表面单元构成时在可在多波长下同时工作，产生波长不敏感的贝塞尔光束。

本发明中，所述的超表面轴锥器件，其特征在于：超表面单元中矩形纳米柱结构的长度为l、宽度为w、高度为h，正方晶格衬底的周期为p。该周期p必须小于主工作波长，以避免衍射效应，但也应该足够大，以避免两个相邻矩形纳米柱之间的近场强相互作用。

本发明中，所述的超表面轴锥器件的超表面单元，其特征在于：将相位调控与振幅调控分开，由几何相位原理提供相位调控，由天线层的结构参数提供振幅调控和波长选择性。

本发明中，所述的超表面轴锥器件的超表面单元，其特征在于在笛卡尔坐标系(x，y，z)下，当入射光为圆偏光

时，超表面单元的透射矩阵满足

在这里左旋圆偏振光(σ＝1)，右旋圆偏振光(σ＝-1)，T_xx表示线偏振光以x方向振动入射时在x方向上的偏振复透射系数，T_yy表示线偏振光以y方向振动入射时在y方向上的偏振复透射系数。若天线的长短轴之间提供的相移差为π，各向透射振幅均相同T_xx＝-T_yy，则圆偏振光交叉偏振分量达到最大。

本发明中，所述的超表面轴锥器件的超表面单元，其特征在于：超表面单元的结构参数与波长选择相联系，结构参数的变化会带来其响应波长的变化以及振幅调控的变化。

本发明中，所述的超表面轴锥器件的超表面单元，天线层的材料为高折射率低损耗的介质材料，基底层的材料为低折射率、低损耗的介质材料。

本发明的特点还在于：本发明结构简单，容差大，仅由两层结构设计就能实现设计目的，将基于几何相位原理调控器件的相位响应和基于矩形纳米柱的结构参数调控器件的振幅响应相结合，避免了以结构参数改变调控相位分布的方式带来的振幅差异，各个矩形纳米柱之间的相对振幅差异最小化。

附图说明

图1是超表面轴锥器件超表面单元的结构示意图以及其偏振转换效率。其中：(a)是超表面单元的结构示意图；(b)和(c)分别是当入射波长为λ₁＝405nm和λ₂＝513nm时，超表面单元的偏振转换效率与矩形纳米柱的长度(l)和宽度(w)的关系。

图2是利用超表面轴锥器件产生贝塞尔光束示意图。

图3是8个数值孔径(NA)不同、半径相同的超表面轴锥器件产生贝塞尔光束。其中(a)是超表面轴锥器件的结构图。(b-i)为不同数值孔径的超表面轴锥器件在y＝0的xz截面上透射光场的归一化电场强度分布。

图4是贝塞尔光束的焦距(f)、半高全宽(FWHM)随超表面轴锥器件数值孔径的变化曲线。

图5是由单一种类超表面单元构成的超表面轴锥器件在不同波长的光入射时产生贝塞尔光束。其中(a)和(b)分别是当入射波长为λ₁＝405nm和λ₂＝513nm时，超表面轴锥器件在y＝0的xz截面上透射光场的归一化电场强度分布。

图6是由两种超表面单元构成的多波长超表面轴锥器件在不同波长的光入射时产生贝塞尔光束。其中(a)是多波长超表面轴锥器件的结构图；(b)和(c)分别是当入射波长为λ₁＝ 405nm和λ₂＝513nm时，多波长超表面轴锥器件在y＝0的xz截面上透射光场的归一化电场强度分布。

图7是多波长超表面轴锥器件产生贝塞尔光束的半高全宽随传播距离的变化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细阐述。

选择超表面轴锥器件的工作波长为：λ₁＝405nm，λ₂＝513nm，选择超表面单元的衬底材料为二氧化硅(SiO₂)，天线层矩形纳米柱的材料为二氧化钛(TiO₂)，如图1(a)所示。超表面单元的周期p必须小于主工作波长，以避免衍射效应，但也应该足够大，以避免两个相邻矩形纳米柱之间的近场强相互作用，确定在两个工作波长下的周期分别为：p₁＝200 nm，p₂＝300nm，矩形纳米柱高度h固定为600nm。

在左旋圆偏光入射情况下，以超表面单元的偏振转换效率为依据，针对工作波长优化超表面单元的结构尺寸，这里将偏振转换效率定义为带有附加几何相位的交叉偏振透射光与全部入射光的能量之比。当入射波长为λ₁＝405nm和λ₂＝513nm时，偏振转换效率可以表示为矩形纳米柱的长度l和宽度w的函数，分别如图1(b)和图1(c)所示。从图中可以看出，在多种尺寸选择中都出现了令人满意的偏振转换效率(大于80％)，这意味着矩形纳米柱在尺寸选择上提供了很大的灵活性，从而能够降低了加工制造的分辨率要求，增大容错率。选择合适长度和宽度的矩形纳米柱作为构建超表面轴锥器件的超表面单元，对于 λ₁＝405nm，P₁(l＝150nm，w＝40nm)，对于λ₂＝513nm，P₂(l＝250nm，w＝95nm)。

如图2所示，本发明提供实施例提供的超表面轴锥器件，其特征在于，由多个超表面单元在平面内径向延拓组成，不同位置处的矩形纳米柱以超表面轴锥器件的光轴为中心对称地把入射光偏转角度θ，来产生贝塞尔光束，各个矩形纳米柱相对于其几何中心具有不同的旋转度来获得相位突变。为了产生贝塞尔光束，在垂直入射时，每个超表面单元对入射光偏折相同的角度，根据广义斯涅耳定律，偏折角度与其径向位置产生的相位梯度的关系可以表示为：

λ表示入射波长，其中sinθ就是数值孔径。对于整个超表面轴锥器件，其表面上的任意一点提供的相移可以表示为：

其中，

对于左旋圆偏光入射，每个超表面单元的旋转角度即为该位置产生相位的一半。

首先，设计了8个数值孔径不同、半径均为4μm的超表面轴锥器件来产生贝塞尔光束，入射波长λ＝405nm，超表面轴锥器件的结构图如图3(a)所示。经过理论推导可知，同一半径上的超表面单元以相同的偏振角度θ向超表面中心折射入射光，sinθ就是数值孔径NA。偏振角度θ的取值在0°到90°之间，入射光经过空气照射到器件表面，因此数值孔径的取值在0到1之间。在左旋圆偏光的入射下，y＝0的xz截面上透射光场的归一化电场强度分布如图3(b-i)所示，从左至右超表面轴锥器件的数值孔径以0.1为间隔从0.8到 0.1不断减小。在这里定义产生的贝塞尔光束的强度最大点为焦点，焦点至超表面中心的距离为焦距，把光束中强度为中心亮点最大强度值一半处的两点之间的距离定义为贝塞尔光束的半高全宽。从图中可以明显看出，产生贝塞尔光束的焦点位置随数值孔径的减小不断远离超表面，焦距逐渐增大，同时光束的半高全宽逐渐增加。超表面轴锥器件产生的贝塞尔光束的焦距、半高全宽随数值孔径的变化曲线如图4所示。

虽然几何相位原理具有波长独立性，可以在宽谱范围内调控入射光的相位，但由于构成材料固有的色散特性，设计出超表面轴锥器件同样受到色散的而影响。一个由单一种类超表面单元构成的超表面轴锥器件，半径为6μm，数值孔径NA＝0.3，分别入射λ₁＝405nm 和λ₂＝513nm的左旋圆偏光时，y＝0的xz截面上透射光场的归一化电场强度分布如图5(a) 和图5(b)所示。随着波长的增加，贝塞尔光束的焦距逐渐减小，并且光束能量围绕其焦点更加集中，均匀性变差。

当需要多个波长的光同时成像时，就要求贝塞尔光束在多波长下尽量分布均匀。虽然不同波长下贝塞尔光束都会有一段工作距离相互重合，但光束质量有差距，不利于多波长同时成像。采用了两种超表面单元构建多波长的超表面轴锥器件，通过径向交替排布的方式实现。两种超表面单元尺寸分别为：P₁(l＝150nm，w＝40nm)，P₂(l＝250nm，w＝95nm)。多波长的超表面轴锥器件半径为6μm，数值孔径NA＝0.3，结构图如图6(a)所示。入射λ₁＝405nm和λ₂＝513nm的左旋圆偏光时，y＝0的xz截面上透射光场的归一化电场强度分布分别如图6(b)和图6(c)所示。与图5相比，不同波长入射下产生的贝塞尔光束焦距基本一致。随着传播距离的增大，贝塞尔光束半高全宽的变化如图7所示，光束工作距离增大，均匀性变好。

Claims

1.一种产生多波段消色差贝塞尔光束的超表面轴锥器件，其特征在于：由多个超表面单元在平面内径向延拓组成，所述超表面单元为方形且周期均为p；超表面单元为两层介质结构；上层为矩形纳米柱结构的天线层，下层为正方晶格的衬底层；超表面轴锥器件由单一种类超表面单元构成时在透射空间一定范围内产生单波长贝塞尔光束，由多种超表面单元构成时在可在多波长下同时工作，产生波长不敏感的贝塞尔光束。

2.根据权利要求1所述的超表面轴锥器件，其特征在于：超表面单元中矩形纳米柱结构的长度为l、宽度为w、高度为h，正方晶格衬底的周期为p，该周期p必须小于主工作波长，以避免衍射效应，但也应该足够大，以避免两个相邻矩形纳米柱之间的近场强相互作用。

3.根据权利要求2所述的超表面轴锥器件的超表面单元，其特征在于：将相位调控与振幅调控分开，由几何相位原理提供相位调控，由天线层的结构参数提供振幅调控和波长选择性。

4.根据权利要求2所述的超表面轴锥器件的超表面单元，其特征在于在笛卡尔坐标系(x，y，z)下，当入射光为圆偏光

时，超表面单元的透射矩阵满足

在这里左旋圆偏振光(σ＝1)，右旋圆偏振光(σ＝-1)，T_xx表示线偏振光以x方向振动入射时在x方向上的偏振复透射系数，T_yy表示线偏振光以y方向振动入射时在y方向上的偏振复透射系数，若天线的长短轴之间提供的相移差为π，各向透射振幅均相同T_xx＝-T_yy，则圆偏振光交叉偏振分量达到最大。

5.根据权利要求2所述的超表面轴锥器件的超表面单元，其特征在于：超表面单元的结构参数与波长选择相联系，结构参数的变化会带来其响应波长的变化以及振幅调控的变化。

6.根据权利要求2所述的超表面轴锥器件的超表面单元，天线层的材料为高折射率低损耗的介质材料，基底层的材料为低折射率、低损耗的介质材料。