CN113063506A - 对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法 - Google Patents
对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113063506A CN113063506A CN202110292469.7A CN202110292469A CN113063506A CN 113063506 A CN113063506 A CN 113063506A CN 202110292469 A CN202110292469 A CN 202110292469A CN 113063506 A CN113063506 A CN 113063506A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- vortex
- topological charge
- optical
- incident
- circular
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 55
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims abstract description 19
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 14
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 9
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 7
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 7
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
- G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Polarising Elements (AREA)
Abstract
本发明基于SPP的特点提出了一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法，其仅需要在金膜上刻蚀几个按照圆环分布的圆形小孔，容易加工、刻蚀简单。由于表面等离激元的特点，实现了近场轨道角动量检测，因此检测器的大小得到很大的压缩，总的尺寸为十微米量级。在检测原理方面其把不同拓扑荷的入射光和规则且彼此具有明显不同的干涉图案相联系，不需要通过测量角度或者距离等参数就可以直观地获得入射光的拓扑荷值，在高集成度和高微型化的光学系统中具有应用前景。
Description
技术领域
本发明应用于光通信领域，更具体地涉及对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法。
背景技术
涡旋不仅存在于光学之中，在自然界中的许多自然现象也和涡旋有关。光学涡旋在极坐标系下一般存在相位因子exp(ilθ)，其中θ是方位角，l是拓扑荷，每个光子承载的轨道角动量为
。正是因为该相位因子的存在，光学涡旋呈现出螺旋形的波前。同时，中心相位信息的不确定性导致光学涡旋中心存在相位奇点，光强的相干相消使得光学涡旋呈现暗中空的特性。涡旋光还被广泛应用于光学捕获，非线性光学，超分辨成像等相关领域的研究。光学涡旋的拓扑荷理论上可以取任意大的整数，而且不同的轨道角动量态相互正交，因此光学涡旋的轨道角动量作为信息载体可以增加一个自由度，理论上单光子可以携带无穷多比特的信息，因此光学涡旋在光通信中具有很大的发展前景，在这个领域中一般都需要识别光学涡旋的拓扑荷。
本文基于SPP的特点提出了一种用于检测入射涡旋光拓扑荷的结构，其仅需要在金膜上刻蚀几个按照圆环分布的圆形小孔，容易加工、刻蚀简单。由于表面等离激元的特点，实现了近场轨道角动量检测，因此检测器的大小得到很大的压缩，总的尺寸为十微米量级。在检测原理方面其把不同拓扑荷的入射光和规则且彼此具有明显不同的干涉图案相联系，不需要通过测量角度或者距离等参数就可以直观地获得入射光的拓扑荷值，在高集成度和高微型化的光学系统中具有应用前景。
发明内容
本发明提出了一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构，其特征在于：包括二氧化硅基底上覆盖的一层金膜，在金膜的圆环上均匀地蚀刻有6个圆孔。
优选的，金膜厚度为200nm，6个圆孔的圆心所在的圆环半径为4.5um，每个圆孔的半径为300nm。
一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测方法，当携带一定轨道角动量的涡旋光从二氧化硅入射到金膜上的小孔时会在每个小孔激发出表面等离激元，并向中心传播，从而在金膜表面中心形成特定而规则的干涉图案，刻蚀的小孔激发出的表面等离激元会携带入射涡旋光的相位信息，因此不同的入射涡旋光会形成不同的干涉图案，根据干涉图案和入射涡旋光的对应关系可以得到入射涡旋光的拓扑荷值。
优选的，入射涡旋光均为右旋圆偏振但是携带不同的拓扑荷，模拟波长设置为980nm。
优选的，入射涡旋光为右旋圆偏振光，同时拓扑荷为-1时的涡旋光，在干涉图案的最中心是一个圆形光斑，同时在该圆形光斑的外侧还存在六个相似的圆形光斑，它们组成了一个规则的六边形。
优选的，入射涡旋光为右旋圆偏振光，不携带轨道角动量，其干涉图案的中心形成的是一个暗中空的六边形光斑。
一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场仿真方法，将每个小孔等效为一个点光源，每个点光源由于入射涡旋光相位因子exp(ilθ)的存在，在拓扑荷l变化时会携带不同的相位信息；仅考虑检测器的中间区域，其拓扑荷为l时电场El表示为，
其中，N是刻蚀的小孔的数量，En代表第n个小孔处的电场，E0是每个小孔处的电场振幅，i是虚数单位，s是观测点到等效的点光源的光程，k是产生的SPP的波矢，la是总的拓扑荷数，包括入射涡旋光携带的拓扑荷数l和自旋轨道角动量耦合的拓扑荷lc，lc的取值通常为+1或-1，分别对应右旋圆偏振和左旋圆偏振；根据式(1.1)，在仿真软件中进行数值仿真，并取不同的l值，当l为-1时形成的干涉图案，其中心是一个圆形光斑，在圆形光斑的中心分布着六个相似的圆形光斑，构成一个规则的六边形结构；数值仿真的入射光是右旋圆偏振光不携带轨道角动量时，可以看到在干涉图案中心清晰地形成了一个存在圆形暗中空的六边形光斑。
附图说明
图1检测器结构示意图；
图2采用FDTD算法的模拟结果图；
图3根据式1的公式仅计算检测器中心区域的数值仿真结果图。
其中，1、圆孔；2、金膜；3、二氧化硅基底。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明的特征作更进一步描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限制本发明的范围，凡在本发明精神范围内所做的任何等同修改和变换，都在本发明保护范围之内。
如图1所示，本发明中，二氧化硅基底3上覆盖的一层金膜2，金膜2厚度为200nm，在金膜2上半径r0为4.5um的圆环上均匀地蚀刻了6个圆孔1，每个圆孔1的半径r1为300nm。
当携带一定轨道角动量的涡旋光从二氧化硅入射到金膜上的小孔时会在每个小孔激发出表面等离激元，并向中心传播，从而在金膜表面中心形成特定而规则的干涉图案。而且因为刻蚀的小孔激发出的表面等离激元会携带入射涡旋光的相位信息，因此不同的入射涡旋光会形成不同的干涉图案，根据干涉图案和入射涡旋光的对应关系可以得到入射涡旋光的拓扑荷值。
为了验证上面的推论，我们采用三维有限时域差分法算法进行模拟。入射光均为右旋圆偏振但是携带不同的拓扑荷，模拟波长设置为980nm，图2为得到的金膜表面的干涉图案。
图2(a)是入射光为右旋圆偏振，同时拓扑荷为-1时的涡旋光，在干涉图案的最中心是一个圆形光斑，同时在该圆形光斑的外侧还存在六个相似的圆形光斑，它们组成了一个规则的六边形。图2(b)是右旋圆偏振光不携带轨道角动量，其干涉图案的中心形成的是一个暗中空的六边形光斑。图2(c)的干涉图案中心是一个形似6朵花瓣的光斑，同时在其外侧还有6个规则的圆形光斑。图2(d)中形成了六个水滴形组成的规则光斑的干涉图案。由图2可以看出，入射光携带不同的拓扑荷时，在该结构中心表面都形成了规则的干涉图案。而且不同拓扑荷入射光形成的干涉图案具有明显的不同，因此根据干涉图案的不同就可以确定入射涡旋光的拓扑荷数。
为了进一步探究检测原理，可以对提出的涡旋光轨道角动量探测器进行抽象。将每个小孔等效为一个点光源，每个点光源由于入射涡旋光相位因子exp(ilθ)的存在，在拓扑荷l变化时会携带不同的相位信息。仅考虑检测器的中间区域，其拓扑荷为l时电场El可以表示为，
其中，N是刻蚀的小孔的数量，En代表第n个小孔处的电场，E0是每个小孔处的电场振幅，i是虚数单位，s是观测点到等效的点光源的光程，k是产生的SPP的波矢，la是总的拓扑荷数，包括入射涡旋光携带的拓扑荷数l和自旋轨道角动量耦合的拓扑荷lc，lc的取值通常为+1或-1，分别对应右旋圆偏振和左旋圆偏振。
根据式1.1，在仿真软件中进行数值仿真，并取不同的l值，其结果图案如图3所示。
图3(a)是当l为-1时形成的干涉图案，其中心是一个圆形光斑，在圆形光斑的中心分布着六个相似的圆形光斑，构成一个规则的六边形结构，这与图2(a)中的三维有限时域差分法模拟结果一致。在图3(b)中，数值仿真的是入射光右旋圆偏振光不携带轨道角动量的情形，可以看到在干涉图案中心清晰地形成了一个存在圆形暗中空的六边形光斑，这与图2(b)中的三维有限时域差分法模拟结果吻合。图3(c)和图3(d)中形成的花瓣形和水滴形干涉图案也分别与图2(c)和图2(d)中的三维有限时域差分法模拟的干涉图案具有相同的特征。从而进一步验证了该结构用于检测涡旋光拓扑荷的有效性。
提出了一种光学涡旋轨道角动量探测器。通过数值仿真和三维有限时域差分法的模拟验证了其在检测入射涡旋光轨道角动量的有效性。检测器形成了规则的干涉图案，不同拓扑荷的入射涡旋光形成的干涉图案的特征具有明显的不同，因而可以直观地得到入射光的拓扑荷数。除此之外，该检测器结构简单，加工难度低，同时具有十微米量级的尺寸，而且借助表面等离激元实现了光学涡旋拓扑荷的近场检测，有潜力应用于光通信以及及集成光学系统中。
本申请虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本申请技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构，其特征在于：包括二氧化硅基底上覆盖的一层金膜，在金膜的圆环上均匀地蚀刻有6个圆孔。
2.根据权利要求1所述的对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构，其特征在于：金膜厚度为200nm，6个圆孔的圆心所在的圆环半径为4.5um，每个圆孔的半径为300nm。
3.一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测方法，其特征在于：根据权利要求1所述的对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构，当携带一定轨道角动量的涡旋光从二氧化硅入射到金膜上的小孔时会在每个小孔激发出表面等离激元，并向中心传播，从而在金膜表面中心形成特定而规则的干涉图案，刻蚀的小孔激发出的表面等离激元会携带入射涡旋光的相位信息，因此不同的入射涡旋光会形成不同的干涉图案，根据干涉图案和入射涡旋光的对应关系可以得到入射涡旋光的拓扑荷值。
4.根据权利要求3所述的对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测方法，其特征在于：所述入射涡旋光均为右旋圆偏振但是携带不同的拓扑荷，模拟波长设置为980nm。
5.根据权利要求3-4任一项所述的对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测方法，其特征在于：所述入射涡旋光为右旋圆偏振光，同时拓扑荷为-1时的涡旋光，在干涉图案的最中心是一个圆形光斑，同时在该圆形光斑的外侧还存在六个相似的圆形光斑，它们组成了一个规则的六边形。
6.根据权利要求3-5任一项所述的对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测方法，其特征在于：所述入射涡旋光为右旋圆偏振光，不携带轨道角动量，其干涉图案的中心形成的是一个暗中空的六边形光斑。
7.一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场仿真方法，其特征在于：根据权利要求1所述的对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构，将每个小孔等效为一个点光源，每个点光源由于入射涡旋光相位因子exp(jlθ)的存在，在拓扑荷l变化时会携带不同的相位信息；仅考虑检测器的中间区域，其拓扑荷为l时电场El表示为，
其中，N是刻蚀的小孔的数量，En代表第n个小孔处的电场，E0是每个小孔处的电场振幅，i是虚数单位，s是观测点到等效的点光源的光程，k是产生的SPP的波矢，la是总的拓扑荷数，包括入射涡旋光携带的拓扑荷数l和自旋轨道角动量耦合的拓扑荷lc；根据式(1.1)，在仿真软件中进行数值仿真，并取不同的l值，当l为-1时形成的干涉图案，其中心是一个圆形光斑，在圆形光斑的中心分布着六个相似的圆形光斑，构成一个规则的六边形结构；数值仿真的入射光是右旋圆偏振光不携带轨道角动量时，可以看到在干涉图案中心清晰地形成了一个存在圆形暗中空的六边形光斑。
8.根据权利要求7所述的对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场仿真方法，其特征在于：拓扑荷lc的取值为+1或-1，分别对应右旋圆偏振和左旋圆偏振。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110292469.7A CN113063506B (zh) | 2021-03-18 | 2021-03-18 | 对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110292469.7A CN113063506B (zh) | 2021-03-18 | 2021-03-18 | 对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113063506A true CN113063506A (zh) | 2021-07-02 |
| CN113063506B CN113063506B (zh) | 2022-08-02 |
Family
ID=76562073
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110292469.7A Expired - Fee Related CN113063506B (zh) | 2021-03-18 | 2021-03-18 | 对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113063506B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113804293A (zh) * | 2021-09-15 | 2021-12-17 | 安徽师范大学 | 基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130027774A1 (en) * | 2011-07-27 | 2013-01-31 | Selex Sistemi Integrati S.P.A. | Height Adjustable Phase Plate for Generating Optical Vortices |
| CN104792412A (zh) * | 2015-04-22 | 2015-07-22 | 东南大学 | 一种检测光场轨道角动量的装置及方法 |
| CN107894288A (zh) * | 2017-06-21 | 2018-04-10 | 苏州大学 | 部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法及系统 |
| CN109029744A (zh) * | 2018-08-08 | 2018-12-18 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种涡旋光束拓扑荷数的检测方法 |
| CN109443556A (zh) * | 2018-12-11 | 2019-03-08 | 电子科技大学 | 一种测量涡旋光束拓扑荷数的装置及方法 |
| CN109612592A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-04-12 | 北京理工大学 | 一种利用偏振调制离焦强度检测拓扑荷的方法 |
-
2021
- 2021-03-18 CN CN202110292469.7A patent/CN113063506B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130027774A1 (en) * | 2011-07-27 | 2013-01-31 | Selex Sistemi Integrati S.P.A. | Height Adjustable Phase Plate for Generating Optical Vortices |
| CN104792412A (zh) * | 2015-04-22 | 2015-07-22 | 东南大学 | 一种检测光场轨道角动量的装置及方法 |
| CN107894288A (zh) * | 2017-06-21 | 2018-04-10 | 苏州大学 | 部分相干光条件下的涡旋光束拓扑荷的测量方法及系统 |
| CN109029744A (zh) * | 2018-08-08 | 2018-12-18 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种涡旋光束拓扑荷数的检测方法 |
| CN109443556A (zh) * | 2018-12-11 | 2019-03-08 | 电子科技大学 | 一种测量涡旋光束拓扑荷数的装置及方法 |
| CN109612592A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-04-12 | 北京理工大学 | 一种利用偏振调制离焦强度检测拓扑荷的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| TING LIU ，SHOUYU WANG: "Orbital Angular Momentum-Controlled Tunable Directional Plasmonic Coupler", 《IEEE PHOTONTCS TECHNOLOGY LETTERS》 * |
| 柯熙政: "涡旋光束轨道角动量干涉及检测的研究", 《中国激光》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113804293A (zh) * | 2021-09-15 | 2021-12-17 | 安徽师范大学 | 基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构及方法 |
| CN113804293B (zh) * | 2021-09-15 | 2023-05-05 | 安徽师范大学 | 基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113063506B (zh) | 2022-08-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Byelobrov et al. | Periodicity matters: grating or lattice resonances in the scattering by sparse arrays of subwavelength strips and wires | |
| Taghian et al. | Enhanced thin solar cells using optical nano-antenna induced hybrid plasmonic travelling-wave | |
| CN113063506B (zh) | 对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法 | |
| Sanchez Almeida et al. | Instrumental polarization in the focal plane of telescopes | |
| Hussein et al. | Optimal design of vertical silicon nanowires solar cell using hybrid optimization algorithm | |
| CN107748410B (zh) | 一种近远场集成平面光学调控器件及其设计和制备方法 | |
| Ha et al. | Nanoscale imaging of photocurrent enhancement by resonator array photovoltaic coatings | |
| Zhai et al. | Large-scale, broadband absorber based on three-dimensional aluminum nanospike arrays substrate for surface plasmon induced hot electrons photodetection | |
| WO2020212925A1 (en) | A method for the design and manufacture of an optical device including an aperiodic matrix of nanostructures for near-field optical modulation and optical devices based on an aperiodic matrix of nanostructures obtainable by means of said method | |
| Liu et al. | Anisotropic optical properties of semitransparent coatings of gold nanocaps | |
| ES2396805A2 (es) | Metodo de fabricacion de superficies metalicas estructuradas para usar en espectroscopia raman aumentada por la superficie y otras espectroscopias relacionadas | |
| Sai et al. | Spectrally selective thermal radiators and absorbers with periodic microstructured surface for high-temperature applications | |
| CN100570756C (zh) | 一种金属膜及其制造方法 | |
| Zhou et al. | Optical singularity built on tiny holes | |
| Raeis-Zadeh et al. | Analysis of electromagnetic wave scattering by graphene flakes using the generalized multipole technique | |
| Bhattarai et al. | Angle-dependent spoof surface plasmons in metallic hole arrays at terahertz frequencies | |
| CN101887475A (zh) | 基于地表菲涅耳反射的多因素大气偏振建模方法 | |
| Warren et al. | Design of 2D plasmonic diffraction gratings for sensing and super-resolution imaging applications | |
| Jing-Zhi et al. | Light beams with orbital angular momentum for free space optics | |
| Curto | Optical antennas control light emission | |
| Kuo et al. | Excitation of high density surface plasmon polariton vortex array | |
| CN115267971B (zh) | 一种光子惯导芯片及其制备方法 | |
| Song et al. | Generation of Oribital Angular Momentum Beams Using All-Dielectric Metasurfaces | |
| Ghanei et al. | Conversion of Linear Polarized Light-to-Orbital Angular Momentum with Variable Topological Charges, Using the Surface Plasmons of Elliptical Holes Etched in a Gold Layer | |
| Hu et al. | Chiral metasurface sensors based on bound states in the continuum |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20220802 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |