CN113258428A - 一种利用超透镜对面发射激光器进行多维度光场调控的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用超透镜对面发射激光器进行多维度光场调控的方法，包括执行以下步骤：偏振调控步骤：圆偏振光入射超透镜表面形成透射光场，通过参数扫描，得到合适的纳米柱尺寸使得透射光场中只有交叉偏振光而没有同向偏振光；光场拓扑性质的调控步骤：通过对超透镜上单个纳米柱的旋转实现逐点的相位控制，利用该原理将所需要的相位通过纳米柱的旋转加载到超透镜上以实现对光场拓扑性质的调控；面发射激光器与超透镜相结合步骤：将受激实现横向回音壁模式发射光的面发射激光器与超透镜相结合。本发明的有益效果是：1.本发明的方法相比于利用传统光学元件对光场进行调制，超透镜具有超薄、超轻、低能耗的特点，能够对光波前灵活调控。

Description

一种利用超透镜对面发射激光器进行多维度光场调控的方法

技术领域

本发明涉及集成光电器件领域，尤其涉及一种利用超透镜对面发射激光器进行多维度光场调控的方法。

背景技术

微型激光和纳米激光是微型光源，作为有源器件在集成光电子领域有着重要应用，而对激光出射光场的调控对于激光在不同场合中的应用具有极其重要的作用。当前对于纳米线光场的技术研究主要集中于增强纳米线出射激光光强的问题，例如：

1、基于纳米线波导的点衍射光源。通过纳米线波导获得强限制的光场进而在端面衍射产生近理想平面波，利用纳米线波导的极小衍射截面来获得更大数值孔径的衍射波前，实现纳米线波导作为点衍射光源，解决针孔衍射波前能量较低的问题。

2、石墨烯覆盖纳米线表面，通过石墨烯表面等离子体对光场的有效限域，减少光学损失提高阈值，进而提高品质因数，增强出射激光强度。

当前对于激光器出射光场的主要调控方式为通过将空间光调制器与全息方法以及其他传统光学元件相结合实现对光场的调控。主要工作方式为：通过在空间光调制器的的液晶显示屏上加载用于光场调控的相位全息片，实现对扩束后的光场进行调控，再通过传统光学元件获取所需要的光场。对光场偏振和拓扑荷数的控制都可以通过此方法实现，例如，通过相应相位和形状信息，生成具有特殊形状的矢量光场，经过聚焦后在焦点处获得偏振态分布的可控焦场，则通过改变入射矢量光场的形状可实现对焦场的偏振态控制。同样，通过在空间光调制器上加载相应的光场分布，得到高斯光场分布，与传统光学元件螺旋相位板、聚焦凸透镜等相结合实现涡旋光束的出射。

此外，也有利用在谐振腔外部刻蚀光栅或缺陷实现选择不同拓扑荷数的光出射，但对于出射光场偏振态方面的问题并没有涉及。

超透镜具有超薄、超轻、低能耗，可对光波前相位灵活调控的优势，易用于光场调控的小型化与集成化。当前主要通过设计超表面上单个单元的大小与形状，并与外部光束叠加结合实现光场调控。主要调制内容包括：对出射偏振态、相干性的调制，或是与传统透镜结合实现光场调控。

例如，将纳米狭缝作为超表面的基本单元，通过调节水平偏振光与竖直偏振光的激发角度与附加传播相位实现光场的调控。通过单个微柱单元的旋转实现所需的相位排布并进行区域排布，利用涡旋光束选取相应的入射区域即可实现部分相干光束的。

超表面主要利用金属作为单个纳米单元实现涡旋光束的激发，如利用基板与反Z型金属层构成相位突变单元，通过单个单元的旋转设计相位梯度为常数，圆极化波入射得到垂直于透镜反射的交叉极化波即为涡旋光束，或是利用ABA三层层叠结构通过旋转特定的角度实现相应位置处光场的调制。

纳米线由于将谐振腔和增益介质融为一体，大大减小了激光器的尺寸，使其成为一种更简易的微型激光器。当前对于纳米线激光器的技术研究，主要集中于纳米线的法布里-珀罗模式激光及其功率的提升，但是由于损耗很大，很难获得高的品质因数。

利用纳米线波导的极小衍射截面来获得更大数值孔径的衍射波前，实现纳米线波导作为点衍射光源在纳米线的制备提取上具有较大困难。通过在纳米线表面覆盖石墨烯，实现对光场的有效限制以提高阈值的方式在纳米线的激发上具有较大困难。且上述纳米线光场的激发均获得线偏振光，并不涉及光场调控方面的工作，这极大的限制了纳米线光源的应用场景。

通过空间光调制器与计算全息方法以及其他传统光学元件相结合实现对光场的控制，实际上是在入射电脑端实现对各个点的设计，整个系统较大且复杂，且均是对于较大光斑面积的调控，对于微型光源来讲，这样的装置过大造成器件的浪费，且对于单个微型光源的调制效率并不精确，难以提高装置的集成度。而对于微型光源出射光场的精确调控方法尚未被涉及。

超透镜用于光场调制主要集中于对出射光场偏振、相位的调控，也可以利用超透镜生成涡旋光。通过在两束相互垂直的入射光束上加入附加传播相位并调整入射光的角度，使光场在出射方向上叠加实现位相与偏振的控制方式，对两束相互垂直的入射偏振光的角度调节要求较高，且对系统的集成化并没有较大提升。

基于反射型超表面产生涡旋波束的方法与基于超表面透射几何相位的高效微波涡旋光激发装置均利用金属结构构成单个相位单元，反射型超表面得到常数的相位梯度，利用垂直于透镜反射的交叉极化反射波生成涡旋光，透射型超表面通过旋转单个相位单元实现圆偏振涡旋光的出射。两种超透镜对于出射涡旋光束的限制都较大，出射涡旋光束的效率难以提高，且对入射光束具有一定要求，在入射至所设计的超表面之前需要做相应的处理，系统依然具有一定的复杂度。

发明内容

本发明提供了一种利用超透镜对面发射激光器进行多维度光场调控的方法，包括执行以下步骤：

偏振调控步骤：圆偏振光入射超透镜表面形成透射光场，通过参数扫描，得到合适的纳米柱尺寸使得透射光场中只有交叉偏振光而没有同向偏振光。

光场拓扑性质的调控步骤：通过对超透镜上单个纳米柱的旋转实现逐点的相位控制，利用该原理将所需要的相位通过纳米柱的旋转加载到超透镜上以实现对光场拓扑性质的调控。

面发射激光器与超透镜相结合步骤：将受激实现横向回音壁模式发射光的面发射激光器与超透镜相结合。

作为本发明的进一步改进，在所述光场拓扑性质的调控步骤中，具体包括：

涡旋分布步骤：设超表面上每个纳米柱的坐标为(x,y)，通过加载涡旋相位

即能实现超透镜表面的涡旋分布；其中，l为目标涡旋光场的拓扑荷数。

聚焦相位步骤：

加入聚焦相位

将产生的涡旋光聚焦在焦距处，从而实现对光场拓扑性质的调控；其中，f为焦距，λ为超透镜的工作波长。

作为本发明的进一步改进，在所述面发射激光器与超透镜相结合中，具体包括：

步骤1：将面发射激光器位于ITO平板上，通过引出飞秒光泵浦纳米线，形成微型面发射激光器。

步骤2：将面发射激光器置于超透镜的焦点处，在几何相位作用下，其中一个旋向的偏振光会被超透镜准直成高度定向的光束，而第二个旋向的偏振光则会被相同的超透镜发散，在传播到设定距离之后，被超透镜发散的光越来越弱，只剩下准直光束即为调控得到的光场。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤1中，为了更好的接受来自面发射激光器发射的光，设计超透镜的NA大到能够接收到面发射激光器发出的光,取为0.8，发散角小于收集角使得面发射激光器发出的激光能够被超透镜有效收集。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤2中，将面发射激光器置于超透镜的焦点处，面发射激光器发出的线偏振光包括左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

作为本发明的进一步改进，在所述偏振调控步骤中，超透镜的单个单元利用SiO₂作为基底，TiO₂作为纳米柱。

作为本发明的进一步改进，在所述偏振调控步骤中，超透镜的透射光场包括和入射光旋向相同的同向偏振光以及和入射偏振光旋向相反的交叉偏振光。

作为本发明的进一步改进，在所述偏振调控步骤中，选用矩形纳米柱；所述纳米柱的透过率达到95％以上。

作为本发明的进一步改进，在所述偏振调控步骤中，通过参数扫描得到透射率最高的纳米柱的尺寸为宽度w＝80nm，长度l＝240nm，高度h＝800nm，周期为270nm。

作为本发明的进一步改进，所述面发射激光器为CsPbBr₃的钙钛矿单晶纳米线。

本发明的有益效果是：1.本发明的方法相比于利用传统光学元件对光场进行调制，超透镜具有超薄、超轻、低能耗的特点，能够对光波前灵活调控且易于加工和集成，更加适用于对钙钛矿纳米线光场的精准调控；2.本发明的方法通过对超透镜表面单元柱的逐点设计，实现了对光场的多维度调控，能够实现对光场偏振状态与拓扑特性的改变；3.本发明方法中的TiO₂由于其表面粗糙度低，在可见光波段的损耗近乎于零，且具有较高的折射率，相比于金属材料用作超透镜表面的结构单元，利用TiO₂作为超透镜结构的纳米单元确保超透镜聚焦和收集微型激光的效率；4.本发明的方法将超透镜与纳米线面发射激光器相结合能够更加灵活的对钙钛矿纳米线的光场进行调控，得到高方向性以及不同出射状态的激光，这极大的增加了纳米线激光器的应用场景，如纳米激光、合成化学中的手性拆分、癌组织成像、信息存储和处理等。。

附图说明

图1是本发明钙钛矿纳米线示意图；

图2是本发明不同泵浦密度下的发射光谱图；

图3是本发明单个纳米柱单元图；

图4(a)为右旋圆偏振光入射得到汇聚效果图；

图4(b)为左旋圆偏振光入射则被发散效果图；

图5是本发明平行入射的线偏振光经过超透镜YZ方向效果图；

图6是本发明平行入射的线偏振光经过超透镜XY方向效果图；

图7是本发明线偏振点光源反向入射经过超透镜后XY方向的效果图；

图8是本发明线偏振点光源反向入射经过超透镜后生成l＝1的涡旋光束X方向的相位图；

图9是本发明钙钛矿单晶纳米线与超透镜结合系统示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种利用超透镜对面发射激光器进行多维度光场调控的方法，通过对超透镜纳米单元的控制可以实现对面发射激光器的特性包括偏振、拓扑特性等方面的调控进而可以用于具有特定偏振的光源实现、光束拓扑荷数的转变等方面的作用。

本发明公开了一种利用超透镜对面发射激光器进行多维度光场调控的方法，该方法采用CsPbBr₃的钙钛矿单晶纳米线作为展示实例，同样适用于各种半导体面发射激光器。钙钛矿单晶因为其优秀的光学特性已经成为研究的热门方向。选择具有特定尺寸的钙钛矿单晶纳米线，由于钙钛矿单晶纳米线1发光的特征中心波长为540nm，选用倍频后的400nm的飞秒光进行泵浦，当泵浦局部区域，使得轴向法布里-珀罗模式被抑制，可以得到截面内的回音。图1为钙钛矿纳单晶米线1示意图(图例为5um)，图2为不同泵浦密度下的发射光谱。

超透镜2的设计：

超透镜2的单个单元利用SiO₂作为基底，TiO₂作为纳米柱，选用矩形纳米柱，在圆偏振光入射超表面时，透射光场可以分为两部分：第一部分是和入射光旋向相同的同向偏振光，第二部分是和入射偏振光旋向相反的交叉偏振光。通过参数扫描，可以得到合适的纳米柱尺寸使得透射光场中只有交叉偏振光而没有同向偏振光达到偏振调控的作用，同时纳米柱的透过率达到95％以上。

通过对超透镜2上单个纳米柱的旋转可实现逐点的相位控制，利用该原理即可将所需要的相位通过纳米柱的旋转加载到超透镜2上以实现所需要的效果。设超表面上每个纳米柱的坐标为(x,y)，通过加载涡旋相位

(l为目标涡旋光场的拓扑荷数)即可实现超透镜2表面的涡旋分布。涡旋在超表面上指的是其涡旋相位分布，通过超表面上的涡旋相位分布来实现光场的调控使得出射涡旋光。

同时加入聚焦相位

(f为焦距，λ为超透镜2的工作波长)，可以将产生的涡旋光聚焦在焦距处，可以实现对光场拓扑性质的调控。

将受激实现横向回音壁模式发射光的钙钛矿单晶纳米线1与全介质超透镜相结合。选择钙钛矿单晶纳米线1位于ITO平板上，通过引出飞秒光泵浦纳米线，形成微型面发射激光器1，实现钙钛矿单晶纳米线面发射激光，为了更好的接受来自钙钛矿单晶纳米线1发射的光，设计超透镜2的NA应足够大使能够接收到钙钛矿单晶纳米线1发出的光,取为0.8(注：NA是一个无量纲的常数，用以描述超透镜收光锥角的大小)，发散角小于收集角使得钙钛矿单晶纳米线1发出的激光能够被TiO₂超透镜2有效收集。将钙钛矿单晶纳米线1置于超透镜2的焦点处，钙钛矿单晶纳米线1发出的线偏振光由左旋圆偏振光和右旋圆偏振光组成，由于超透镜2选用矩形单元纳米柱，在几何相位作用下，其中一个旋向的偏振光会被超透镜2准直成高度定向的光束，而第二个旋向的偏振光则会被相同的超透镜2发散，在传播一定距离之后，发散的光越来越弱，只剩下准直光束即为调控得到的光场。

通过参数扫描得到透射率最高的纳米柱的尺寸为宽度w＝80nm，长度l＝240nm，高度h＝800nm，周期为270nm，其对应的透射率为95％。图3为单个纳米柱单元的示意图，图4为不同偏振的光束入射超透镜2表面的效果，以图中为例，图4(a)为右旋圆偏振光入射得到汇聚，图4(b)为左旋圆偏振光入射则被发散，说明了超透镜2的偏振依赖特性，激光发射遵循图4两个示意图的时间反转过程，并且在远场只能将一个圆偏振准直为高度定向的激光束。图5、6分别为线偏振光经过具有聚焦与涡旋产生效果的超透镜2得到的YZ方向、XY方向效果示意图,图中插图为其放大示意图。图7、8分别为线偏振点光源反向入射经过超透镜后XY方向的效果图与生成l＝1的涡旋光束X方向的相位图。图9为将钙钛矿纳单晶米线1与超透镜2结合实现光场调控的系统示意图。

本发明的有益效果：1.本发明的方法相比于利用传统光学元件对光场进行调制，超透镜2具有超薄、超轻、低能耗的特点，能够对光波前灵活调控且易于加工和集成，更加适用于对钙钛矿单晶纳米线1光场的精准调控；2.本发明的方法通过对超透镜2表面单元柱的逐点设计，实现了对光场的多维度调控，能够实现对光场偏振状态与拓扑特性的改变；3.本发明方法中的TiO₂由于其表面粗糙度低，在可见光波段的损耗近乎于零，且具有较高的折射率，相比于金属材料用作超透镜2表面的结构单元，利用TiO₂作为超透镜2结构的纳米单元确保超透镜2聚焦和收集微型激光的效率；4.本发明的方法将超透镜2与钙钛矿单晶纳米线1面发射激光器相结合能够更加灵活的对钙钛矿单晶纳米线1的光场进行调控，得到高方向性以及不同出射状态的激光，这极大的增加了钙钛矿单晶纳米线激光器的应用场景，如纳米激光、合成化学中的手性拆分、癌组织成像、信息存储和处理等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用超透镜对面发射激光器进行多维度光场调控的方法，其特征在于，包括执行以下步骤：

偏振调控步骤：圆偏振光入射超透镜表面形成透射光场，通过参数扫描，得到合适的纳米柱尺寸使得透射光场中只有交叉偏振光而没有同向偏振光；

光场拓扑性质的调控步骤：通过对超透镜上单个纳米柱的旋转实现逐点的相位控制，利用该原理将所需要的相位通过纳米柱的旋转加载到超透镜上以实现对光场拓扑性质的调控；

面发射激光器与超透镜相结合步骤：将受激实现横向回音壁模式发射光的面发射激光器与超透镜相结合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述光场拓扑性质的调控步骤中，具体包括：

涡旋分布步骤：设超表面上每个纳米柱的坐标为(x,y)，通过加载涡旋相位

即能实现超透镜表面的涡旋分布；

其中，l为目标涡旋光场的拓扑荷数；

聚焦相位步骤：加入聚焦相位

将产生的涡旋光聚焦在焦距处，从而实现对光场拓扑性质的调控；

其中，f为焦距，λ为超透镜的工作波长。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述面发射激光器与超透镜相结合中，具体包括：

步骤1：将面发射激光器位于ITO平板上，通过引出飞秒光泵浦纳米线，形成微型面发射激光器；

步骤2：将面发射激光器置于超透镜的焦点处，在几何相位作用下，其中一个旋向的偏振光会被超透镜准直成高度定向的光束，而第二个旋向的偏振光则会被相同的超透镜发散，在传播到设定距离之后，被超透镜发散的光越来越弱，只剩下准直光束即为调控得到的光场。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，为了更好的接受来自面发射激光器发射的光，设计超透镜的NA大到能够接收到面发射激光器发出的光,取为0.8，发散角小于收集角使得面发射激光器发出的激光能够被超透镜有效收集。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，将面发射激光器置于超透镜的焦点处，面发射激光器发出的线偏振光包括左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述偏振调控步骤中，超透镜的单个单元利用SiO₂作为基底，TiO₂作为纳米柱。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述偏振调控步骤中，超透镜的透射光场包括和入射光旋向相同的同向偏振光以及和入射偏振光旋向相反的交叉偏振光。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述偏振调控步骤中，选用矩形纳米柱；所述纳米柱的透过率达到95％以上。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述偏振调控步骤中，通过参数扫描得到透射率最高的纳米柱的尺寸为宽度w＝80nm，长度l＝240nm，高度h＝800nm，周期为270nm。

10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述面发射激光器为CsPbBr₃的钙钛矿单晶纳米线。

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