CN112817140A - 一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法。其特征是：实现一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法的器件结构包括激光器1，空间光调制器2，计算机3，起偏器4‑1，1/4波片4‑2，物镜5，衬底6，纳米金属膜7，环形纳米槽8以及纳米探针9。激光器1出射的光束经空间光调制器2变换后转变成涡旋光，该涡旋光随后通过起偏器4‑1，1/4波片4‑2，物镜5垂直入射到衬底6，在纳米环形槽8处激发表面等离极化激元(SPPs)，SPPs在纳米金属膜7表面传递形成电场分布。利用纳米探针9可测量SPPs的强度分布和相位分布。通过计算机3调控空间光调制器2反射光束射入衬底6的横向位置，可在纳米金属膜7表面获得相位奇点并能实现对相位奇点的连续、高精度调控。

Description

一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法
(一)技术领域
本发明属于微纳光场调控技术领域，具体涉及的是一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法，可用于纳米粒子的操纵，量子通信和显微成像。
(二)背景技术
奇异光学是现代光学的一个重要分支，研究对象主要包括相位奇异、偏振奇异。奇点光束具有很多有趣的光学特性，在光场的时空演化中起着重要的作用【Principles ofOptics(1980):370-458.】，因此光学奇点的检测和调控等受到了研究人员的广泛关注与研究。
涡旋光是当前应用最广泛的具有相位奇异性的光束，其具有一个螺旋型的相位波前，携带拓扑荷为l的轨道角动量(OAM)。OAM可以转换为机械扭矩，用来捕获和处理纳米粒子【Nature 424.6950(2003):810-816.；Advanced materials 25.8(2013):1114-1117.】。不同拓扑荷取值下的OAM具有空间正交性，可以构建高维的希尔伯特空间，因此涡旋光可以作为光通信中模分复用的载体，是下一代高容量光通信系统的重要候选技术。与此同时，涡旋光束因其环形的强度分布还被广泛应用到光开关【Optics letters 39.17(2014):5098-5101.】等技术上，所以设计器件实现对涡旋光束的调控是当前研究的热点内容。目前已有许多调控涡旋光场的方法【Optics express 22.22(2014):26763-26776.；Optics express22.7(2014):7598-7606.；Optics letters 44.6(2019):1379-1382.；Optics letters44.8(2019):2028-2031.】。然而，这些方法的实现大部分依赖空间光学元件，体积较大，不利于器件集成化，所以人们开始寻找新的方法以实现对涡旋光束的调控。
近些年来，SPPs作为一种新型技术，利用光束与金属表面的电荷集体振荡耦合形成沿金属-介质表面传播的近场电磁波，为人们在微纳尺度上约束和调控光场提供了强大的手段。基于SPPs的微纳结构器件设计极大地缩小了光学器件的体积，易于集成，因此研究人员已提出不少利用SPPs调控涡旋光的有效方法【Nature communications 3.1(2012):1-5.；Advanced Materials 28.13(2016):2533-2539.；Nanoscale 8.4(2016):2227-2233.；Physical review letters 105.15(2010):153601.】。然而，这些方法难以实现对涡旋光场中相位奇点的连续调控。寻找简单，可实现对相位奇点连续、高精度调控的方法是近年来的研究热点和难点，受到人们的广泛研究。例如2018年Optica上有文章【Optica 5.3(2018):283-288.】报道阿基米德螺旋槽结构来实现片上相位奇点的控制。
在以上背景之下，本发明提供一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法。本发明通过精确控制涡旋光与纳米环形槽表面等离子体器件的非对准耦合来破坏SPPs涡旋场的圆对称性，进而实现片上相位奇点的精确控制。本发明提供的片上相位奇点调控方法实现简单，可在纳米尺度连续调控片上相位奇点的相对位置，有望在纳米粒子操纵、量子通信和显微成像领域有重要的潜在应用价值。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，可在纳米尺度连续调控的片上相位奇点调控方法。
本发明的目的是这样实现的：
实现一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法的器件结构包括激光器1，空间光调制器2，计算机3，起偏器4-1，1/4波片4-2，物镜5，衬底6，纳米金属膜7，环形纳米槽8以及纳米探针9。具体方法为：激光器1出射的光束经空间光调制器2变换后转变成涡旋光，所述涡旋光随后通过起偏器4-1，1/4波片4-2，物镜5垂直入射到衬底6，在纳米环形槽8处激发SPPs，SPPs在纳米金属膜7表面传递形成电场分布并产生相位奇点，利用纳米探针9可测量所述SPPs的强度分布和相位分布，定位相位奇点的位置。当经空间光调制器2产生的涡旋光不对准纳米环形槽8的中心点入射，即光束中心轴相对于纳米环形槽中心点存在横向位移时，会破坏SPPs涡旋场的圆对称性，引起纳米环形槽8中心处的相位奇点分裂。通过计算机3调控空间光调制器2的衍射图样可精确控制相位奇点的分裂情况并精确控制分裂后的相位奇点分布。
本发明的工作原理如下：如图2所示本说明书采用的坐标示意图，图中纳米环形槽8中心用O1表示，半径为r1，经空间光调制器产生的涡旋光的中心轴用O2表示，其环形场分布则通过虚线表示。此外，涡旋光的中心轴与纳米环形槽8中心点间距为S，涡旋光的中心轴偏离纳米环形槽8中心点的方位角为β。由于纳米环形槽8具有圆对称性，激发的SPPs场会随着偏移方向角β的变化而旋转，但不影响相位奇点的间距。因此，为了简化分析，下面仅讨论β＝0的情况。
光源发出的光首先进入到空间光调制器2调制空间相位，出射后的涡旋光经过起偏器4-1和1/4波片4-2调制圆偏振态，经过物镜5聚焦，垂直入射衬底6，入射衬底6的输入光满足：
Figure BDA0002894985740000031
其中
Figure BDA0002894985740000032
是输入光在坐标系
Figure BDA0002894985740000033
下的振幅分布，l，σ，
Figure BDA0002894985740000034
分别是拓扑荷，自旋量子数，径向单位矢量和角向单位矢量。那么在纳米环形槽8的坐标系(r1,θ)下，环形纳米槽8的上的微元dθ范围内激励的SPPs在观察点(R,γ)处的电场为：
Figure BDA0002894985740000035
其中E0是与耦合效率有关的常数，kz，kr＝2π/λspp分别是z方向和金属平面传播的SPPs波矢量，λspp是等离子体波的波长，因此观测点处的总电场为：
Figure BDA0002894985740000036
其中r2，
Figure BDA0002894985740000037
可表示为：
Figure BDA0002894985740000038
基于上述推导便可以计算非对准情况下纳米环中心附近的SPPs场强度和相位分布。上述公式具有普适性，不受入射光波长，介质材料以及厚度的影响。
通过上述公式可以看出，S的改变会影响纳米金属膜7表面的电场分布，从而引起纳米环形槽8中心的电场强度和相位变化。因此，通过计算机3人为连续调整空间光调制器2出射光束偏移环形纳米槽8的距离S和偏移方向角β的大小，可以调控相位奇点的分裂距离和方向，从而实现对相位奇点的连续、高精度调控。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明提供的片上相位奇点调控方法具有结构简单，易于实现的优点。
2、本发明提供的片上相位奇点调控方法具有高精度，连续可调的优点，可通过计算机3实现相位奇点的纳米尺度精度调控，在纳米粒子操作和超分辨率显微成像上具有重要应用价值。
(四)附图说明
图1是一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法的结构示意图。
图2是一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法中非对准入射时纳米金属膜7表面上SPPs激发的坐标系示意图。
图3是一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法中连续调控相位奇点间距的仿真结果示意图。(a)、(b)、(c)分别代表β＝0时，s＝200nm，600nm，1000nm下的纳米金属膜7表面上的SPPs归一化电场分布，(d)、(e)、(f)代表s＝200nm，600nm，1000nm下的纳米金属膜7表面上的SPPs相位分布。
图4是一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法中连续调控相位奇点角向位置调控的仿真结果示意图。(a)、(b)、(c)分别代表S＝1000nm时，β＝30°，60°，90°下的纳米金属膜7表面上的SPPs归一化电场分布，(d)、(e)、(f)代表β＝30°，60°，90°下的纳米金属膜7表面上的SPPs相位分布。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：相位奇点间距调控
如图1所示，本实施例中一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法包括从激光器1出射的激光束入射到空间光调制器2调制为一阶涡旋光束，调制后的涡旋光经过起偏器4-1和1/4波片4-2得到左旋圆偏振态的涡旋光，然后通过物镜5聚焦，垂直入射200nm厚度的二氧化硅衬底6。入射光经过衬底6在100nm厚的纳米金属膜7上的纳米环形槽8处激发SPPs，纳米环形槽的半径优选为5μm，槽宽优选为100nm，SPPs在纳米金属膜7上传递形成电场分布。所述的纳米探针9位于环形纳米槽8中心处，通过纳米探针9可测量SPPs强度分布和相位分布，定位相位奇点位置。使用计算机3调整空间光调制器2出射光束偏移环形纳米槽8的距离S和偏移方向角β。计算机3控制β＝0时，在s＝200nm，600nm，1000nm下相位奇点的间距D分别为39.1nm，151.7nm，303.0nm。在s取值0-1000nm范围内呈现一个线性上升的趋势。由于s的大小可以通过计算机3控制连续性改变，相位奇点间距的调控是连续的。满足对相位奇点间距的连续性调控。
实施例2：相位奇点角向位置调控
如图1所示，本实施例中一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法包括从激光器1出射的激光束入射到空间光调制器2调制为一阶涡旋光束，调制后的涡旋光经过起偏器4-1和1/4波片4-2得到左旋圆偏振态的涡旋光，然后通过物镜5聚焦，垂直入射200nm厚度的二氧化硅衬底6。入射光经过衬底6在100nm厚的纳米金属膜7上的纳米环形槽8处激发SPPs，纳米环形槽的半径优选为5μm，槽宽优选为100nm，SPPs在纳米金属膜7上传递形成电场分布。所述的纳米探针9位于环形纳米槽8中心处，通过纳米探针9可测量SPPs强度分布和相位分布，定位相位奇点位置。使用计算机3调整空间光调制器2出射光束偏移环形纳米槽8的距离S和偏移方向角β。计算机3控制S＝1000nm时，在β＝30°，60°，90°下相位奇点旋转轴的角度分别为-60.4°，-31.2°，-2.3°。随着β的增大，SPPs场和相位都会逆时针的旋转，β和相位奇点的旋转轴的角度差始终约为90°，即入射光轴偏移的方向与相位奇点移动的方向是相互垂直的。并且由于β的大小可以可以通过计算机3控制连续性改变，相位奇点角向位置的调控也是连续的。满足对相位奇点角向位置的连续性调控。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.本发明提供的是一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法，其特征是：实现一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法的器件结构包括激光器1，空间光调制器2，计算机3，起偏器4-1，1/4波片4-2，物镜5，衬底6，纳米金属膜7，环形纳米槽8以及纳米探针9；具体实现方法为：激光器1出射的光束经空间光调制器2变换后转变成涡旋光，所述涡旋光随后通过起偏器4-1，1/4波片4-2，物镜5垂直入射到衬底6，在纳米环形槽8处激发表面等离极化激元(SPPs)，SPPs在纳米金属膜7表面传递形成电场分布并产生相位奇点，利用纳米探针9可测量所述SPPs的强度分布和相位分布，定位相位奇点的位置；通过计算机3调控空间光调制器2的衍射图样来精确控制经空间光调制器2产生的涡旋光入射到衬底6时光束中心轴与环形纳米槽8中心点的横向偏移量来实现纳米金属膜7表面上的相位奇点的连续、高精度调控。
2.根据权利要求1所述的一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法，其特征为：计算机3控制空间光调制器2调整经空间光调制器2产生的涡旋光入射到衬底6时光束中心轴与环形纳米槽8中心点的距离S来调控纳米金属膜7表面上多个相位奇点的间距。
3.根据权利要求1所述的一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法，其特征为：计算机3控制空间光调制器2调整经空间光调制器2产生的涡旋光入射到衬底6时光束中心轴偏离环形纳米槽8中心点的方向角β来调控相位奇点的角向位置。
4.根据权利要求1所述的一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法，其特征是：所述的衬底6上的纳米金属膜7可以为金或者银。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109188673A (zh) * 2018-09-14 2019-01-11 上海电力学院 一种可调的光镊装置
CN109752789A (zh) * 2017-11-03 2019-05-14 桂林电子科技大学 基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件
CN109916511A (zh) * 2019-03-18 2019-06-21 江南大学 基于双环型纳米狭缝阵列的角动量探测装置和方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109752789A (zh) * 2017-11-03 2019-05-14 桂林电子科技大学 基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件
CN109188673A (zh) * 2018-09-14 2019-01-11 上海电力学院 一种可调的光镊装置
CN109916511A (zh) * 2019-03-18 2019-06-21 江南大学 基于双环型纳米狭缝阵列的角动量探测装置和方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HOUQUAN LIU: "《Vortex Beam Encoded All-Optical Logic Gates Based on Nano-Ring Plasmonic Antennas》", 《NANOMATERIALS》 *
许江华: "《具有离轴相位奇点的线偏振高斯光束特性研究》", 《上海理工大学学报》 *

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