CN113325591A - 一种基于悬链线结构的波长选择型涡旋光发生器 - Google Patents

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CN113325591A CN202110617340.9A CN202110617340A CN113325591A CN 113325591 A CN113325591 A CN 113325591A CN 202110617340 A CN202110617340 A CN 202110617340A CN 113325591 A CN113325591 A CN 113325591A
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陈明
陈汉
王帅钊
张佑丹
成煜
苑立波
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Abstract

本发明提供的是一种基于悬链线结构的波长选择型涡旋光发生器，包括至下而上的介质衬底和金属悬链线结构。本发明设计巧妙，结构简单，通过对悬链线单元结构参数的调制以及所需相位进行排列，可对不同波长的圆偏振入射光实现不同的透过率，从而达到对波长的高效率调控。本发明可用于设计产生涡旋光、分束、偏折等超表面功能器件。

Description

一种基于悬链线结构的波长选择型涡旋光发生器
(一)技术领域
本发明涉及电磁波相位调控技术，具体涉及一种基于悬链线结构的波长选择型涡旋光发生器。
(二)背景技术
涡旋光束由于其独特的螺旋波前结构和中心奇点特性而在通信、传感以及粒子操控等领域获得了广泛应用。以往涡旋光束的产生依赖于自由空间光耦合，如圆柱—透镜模式转换器，空间光调制器，微观环形谐振器和螺旋相位板等，具有诸多缺点，例如体积庞大、效率低等。
近年来超表面的出现为涡旋光的产生提供了一种新的途径，通过设计单元结构的尺寸，几何形状，及空间排列方式，可以自由的操控电磁波的偏振、相位、振幅。而对波长的调控并没有过多涉及。此外，在传统的超表面中，每个结构单元是独立的，并对应于一个局域相位。通过将这些离散的单元结合起来便可以形成相位梯度超表面。但是，这种离散的相位调制会使得器件的效率降低，因此，可以对电磁波束进行连续相位调控的悬链线结构的超表面被提出来以解决这个问题
(三)发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种基于悬链线结构的波长选择型涡旋光发生器，通过设计悬链线结构参数，实现对不同波长具有不同的透过率，以电磁波波长的调控。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于悬链线结构的波长选择型涡旋光发生器，包括至下而上的介质衬底和金属悬链线结构。首先采用金属悬链线结构实现对相位的连续调控，其次对悬链线结构参数进行设计，得到响应与波长的不同透过率，实现对波长的精准调控，最后将单元结构按所需相位分布进行同心圆螺旋排列，以实现波长选择型涡旋光发生器。
其中，所述金属悬链线结构的厚度为h，其取值范围为为中心波长。
其中，所述悬链线结构的同心圆半径分别为r0＝2.1μm，r1＝5.3μm，r2＝9.6μm。
其中，所述的金属材料可以为在可见光波段具有高透射率的材料。
其中，通过在一层金属板上铣出同心圆方式螺旋排列的悬链线结构而成。
本发明的有益效果在于：
本发明将金属结构与悬链线所具有的线性连续相位结合寄来，在可见光波段实现了响应与不同波长的涡旋光产生。相比与传统的涡旋光产生方式，效率得到了明显的提升，并且实现了对电磁波波长的有效调控。
(四)附图说明
图1是本发明的悬链线单元结构示意图。
图2是本发明所设计的空间分布示意图。
图3是本发明的结构示意图。
图4是实施例1中单元结构1在可见光波段的透过率示意图。
图5是实施例1中单元结构2在可见光波段的透过率示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本发明。
如图1所示，等强度悬链线函数可以表示为：
Figure BDA0003098560480000021
其中，Λ表示悬链线在沿x轴方向上的长度，Δ表示悬链线狭缝之间的最大距离。在悬链线结构中，曲线切线与x轴之间的倾斜角度为ξ(x)范围从-π/2到π/2，与几何相位之间的线性关系为Φ(x)＝2σξ(x)，其中σ＝±1，代表左旋与右旋圆偏振光。
为了生成涡旋光，应设计单元结构，使相位分布满足
Figure BDA0003098560480000022
如图2中所示的几何关系，曲线在给定位置
Figure BDA0003098560480000023
相对于方位角的切线角为
Figure BDA0003098560480000024
Figure BDA0003098560480000025
因此，悬链线结构的空间分布可写为：
Figure BDA0003098560480000026
本发明所设计的结构如图3所示。
实施例1：
不失一般性，本实施例针对可见光波段进行设计，中心波长为575nm。金属悬链线单元结构1的高度h＝50nm，悬链线在x方向的长度A＝200nm，悬链线狭缝之间的最大宽度为Δ＝20nm。单元结构2的高度h＝75nm，悬链线在x方向上的长度Λ＝300nm，悬链线狭缝之间的最大宽度Δ＝30nm.图4为单元结构1在左旋圆偏振光入射的仿真结果，可以看见在550nm、590nm以及700nm处具有较高的透过率。图5为为单元结构2在左旋圆偏振光入射的仿真结果，可以看见该结构在590nm以及700nm处透过率几乎为0，而在500nm处的透过率较高。
因此，可以看出本发明在三个波长500nm，590nm以及700nm处可以实现对波长的精准选择。

Claims (5)

1.一种基于悬链线结构的波长选择型涡旋光发生器，其特征在于：包括至下而上的介质衬底和金属悬链线结构，其中上层悬链线单元结构按同心圆方式螺旋排列。
2.根据权利要求1所述的一种基于悬链线结构的波长选择型涡旋光发生器，其特征在于：所述金属悬链线结构的厚度为h，其取值范围为h<λ0/4,λ0为中心波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于悬链线结构的波长选择型涡旋光发生器，.其特征在于：所述悬链线结构的同心圆半径分别为r0＝2.1μm，r1＝5.3μm，r2＝9.6μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于悬链线结构的波长选择型涡旋光发生器，其特征在于：所述的金属材料可以为在可见光波段具有高透射率的材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于悬链线结构的波长选择型涡旋光发生器，其特征在于：通过在一层金属板上铣出同心圆方式螺旋排列的悬链线结构而成。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108594221A (zh) * 2018-04-27 2018-09-28 中国人民解放军国防科技大学 基于同心圆环阵列的涡旋电磁波产生与优化方法
CN108897147A (zh) * 2018-07-20 2018-11-27 中国科学院光电技术研究所 一种基于悬链线结构的高效率超表面器件
CN111007587A (zh) * 2019-11-23 2020-04-14 重庆大学 一种全介质、宽带偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件

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Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张雷军: "基于悬链线光学的位相调控纳米结构设计与研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》 *

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