CN113376869A - 一种环形孔径式几何相位型超表面光学针发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形孔径式几何相位型超表面光学针发生器，所述光学针发生器包括圆形玻璃基底和置于该基底上表面的环形微纳电介质结构层以及圆形遮挡层，微纳电介质结构层用于实现入射光偏振与相位的调节，圆形遮挡层用于形成环形孔径，设置于圆形玻璃基底上表面的中心。本发明使用微纳电介质长方体阵列超表面，可用于产生突破衍射极限的光学针，且可以尽可能缩小集成系统的体积与重量，提升光学针发生器系统的可集成性。

Description

一种环形孔径式几何相位型超表面光学针发生器

技术领域

本发明属于光学针发生器领域，特别涉及一种环形孔径式几何相位型超表面光学针发生器。

背景技术

光学针因为其独特的强度分布而受到了广泛关注。光学针在局部具有高强度、高分辨率和长焦深，可以使光学系统性能的性能得到引人注目的提升。目前，光学针已经被广泛用于诸如光刻、显微成像及粒子加速与操控等先进应用中。为了满足先进应用的需求，如何获取具有更优异特性(例如窄横向半高宽、长且均匀焦深、小旁瓣等)的光学针成了人们关注的焦点。

在过去十几年中，人们提出了许多产生光学针的方法，例如使用全息锥透镜、滤波器、相位全息图、衍射光学元件等。总的来说，光学针可以通过调制入射光源的偏振、振幅、相位产生。对于偏振调制，为了实现窄横向半高宽的特性，可以考虑使用矢量光束替代空间偏振分布均匀的光束作为光源入射以获得突破衍射极限的横向半高宽，比较常见的可以采用的光源有径向偏振光和角向偏振涡旋光束，它们经过调制后焦点都可以具有远小于偏振均匀分布光束的横向半高宽。其中角向偏振涡旋光已被证实可被聚焦到比同等条件下径向偏振光更小的焦点尺寸。而振幅调制可以用于获取长焦深，例如使用振幅环形掩模调制径向偏振光产生长焦深；用振幅滤波器将径向偏振光聚焦场在光轴上分为几部分从而获得长焦深等。而相位调制则通过改变聚焦光学元件的相位，例如使用用改造的抛物面镜、锥镜、离焦相位片等使不同位置的光束聚焦在沿着光轴的不同位置处获得长焦深；或使用二元相位元件施加附加相位实现优化调制。但是上述产生光学针的方法都采用了较为复杂的光学系统，常常需要光束通过螺旋相位片、环形振幅掩膜、滤波片、相位全息图、衍射相位元件调制后再经过大数值孔径物镜或锥镜聚焦方能产生所需光学针，这并不符合现代光学集成化与小型化的趋势。

在过去十几年中，超表面由于它可以在局部独立地操控光的振幅、偏振、相位的能力受到了越来越多的关注。由于其超薄、平面、紧凑的特性，它非常适合于集成化应用。超表面可以通过相位叠加原理将复杂的光学系统简化为单个薄片，同时很好地实现调制光学传递函数的能力。目前，已有使用超表面产生无衍射光束及扩展焦深的报道，但是其横向半高宽或其沿传播方向的均匀度还不足以满足光学针的需求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种环形孔径式几何相位型超表面光学针发生器，该光学针发生器具有效率高、体积小、重量轻和易集成的特点。

实现本发明目的的技术方案为：一种环形孔径式几何相位型超表面光学针发生器，所述光学针发生器包括圆形玻璃基底和置于该基底上表面的环形微纳电介质结构层以及圆形遮挡层，环形微纳电介质结构层用于实现入射光偏振与相位的调节，圆形遮挡层用于形成环形孔径，设置于圆形玻璃基底上表面的中心。

进一步的，所述环形微纳电介质结构层采用的电介质材料在工作波长下，其折射率在圆形玻璃基底折射率1.5倍以上。

进一步的，所述微纳电介质结构层采用的电介质材料为TiO₂。

进一步的，所述微纳电介质结构层为纳米鳍状结构单元组成的阵列。

进一步的，所述纳米鳍状结构单元以半波片形式工作，通过旋转角度可以调节入射光偏振态，通过改变长宽可以调节入射光相位，且采用的不同长宽的纳米鳍库可覆盖0～2π的相位变化。

进一步的，所述纳米鳍状结构单元的高度h大于λ/(n_M1-1)，n_M1为微纳电介质结构层的折射率，λ为工作波长。

进一步的，所述纳米鳍状结构单元的晶格常数p小于入射光在基底中等效的工作波长λ/n_L1，且大于衍射条件λ/2n_L1，n_L1为圆形玻璃基底的折射率。

进一步的，所述纳米鳍状结构单元的高度h为600nm，晶格常数p为370nm。

进一步的，所述圆形遮挡层具有不透光特性，所述入射光为线偏振光。

进一步的，所述圆形遮挡层与圆形玻璃基底的半径比为0.9。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)使用的光学针发生器在平面基底上排列微纳电介质长方体阵列以实现传统光学针发生器的功能，能够最大程度削减它的厚度到波长量级，使其易于集成到复杂的系统或芯片化的微小系统中；2)光学针发生器复杂的光束调制可由相位叠加原理实现，这种处理可以将原本由多个光学元件组成的光学系统简化到一片超表面薄片，进一步削减了光学系统的体积；3)使用的光学针发生器可以同时调控入射光的偏振与相位，可以将易于得到的线偏振光转化为矢量光束同时进行相位调控，不但可以实现很好的光学针产生效果，对光源的要求也大大降低；4)本光学针发生器可以产生突破衍射极限的横向半高宽和十个波长以上的焦深；5)所产生的光学针横截面电场分量全部为横向分量，这对于一些仅对横向偏振敏感的光学材料有独特的应用。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明中环形孔径式几何相位型超表面光学针发生器结构示意图。

图2为本发明中纳米鳍状结构示意图。

图3(a)为本发明中对纳米鳍状结构单元进行仿真扫描时，在x偏振入射下超表面单元结构长宽与相位改变量的关系图，图3(b)为本发明中在y偏振入射下超表面单元结构长宽与相位改变量的关系图。

图4(a)为本发明中光学针发生器产生并调制矢量涡旋光束形成光学针在传播方向x-z平面的强度分布结果图，图4(b)为本发明中光学针发生器所产生光学针在z＝8μm处x-y平面的强度分布结果图。

图5为本发明中光学针发生器所产生光学针在z＝8μm处横截面的强度分布图。

图6为本发明中光学针发生器产生光学针的电场分量归一化强度图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

结合图1，在本实施例中，提供了一种环形孔径式几何相位型超表面光学针发生器，所述光学针发生器包括圆形玻璃基底L1、设置于该基底上表面的用于调节相位的微纳电介质结构层M1和采用不透光材料制成的圆形遮挡层M2。

这里，微纳电介质结构层M1用于实现偏振与相位调控功能，圆形遮挡层M2用于形成环形孔径，置于圆形玻璃基底L1上表面的中心。

所述微纳电介质结构层采用的电介质材料在工作波长内，折射率实部在圆形玻璃基底折射率1.5倍以上，虚部越小越好。本实施例中所述微纳电介质结构层采用的电介质材料为TiO₂，，其原因是在可见光波段，TiO₂的折射率有较大的实部和可被忽略的虚部，因而它有高折射率和几乎可忽略不计的吸收损失。所述纳米鳍状结构单元的晶格常数p小于入射光在基底中等效的工作波长λ/n_L1，且大于衍射条件λ/2n_L1，n_L1为圆形玻璃基底的折射率，这里优选TiO₂长方体高度h为600nm，晶格常数p为370nm。

如图2所示，所述微纳电介质结构层为纳米鳍状结构单元(长方体单元)组成的阵列(即长方体阵列)，TiO₂长方体单元的相位、透射效率与TiO₂长方体长(l)宽(w)的关系，可通过对TiO₂长方体单元进行FDTD仿真扫描获得。由于相邻纳米鳍之间的耦合极其微弱，它们可被认为独立地进行相位调控，因此相位的变化可以通过扫描纳米鳍的长宽获得。仿真中在x和y方向使用周期型边界条件，在z方向使用PML边界条件。在基底上表面3μm处设置一个点监视器获取相位的变化，测得在x与y偏振平面波入射下，相位与纳米鳍长宽的变化关系分别如图3(a)和图3(b)所示。在图中选取合适的长宽使得沿x方向的相位变化与沿y方向的相位变化相差π以满足半波片的关系，并且沿x方向的相位变化可以实现0～2π的相位覆盖，根据图3(a)和图3(b)这里优选长宽分别为(310，130)，(260，100)，(250，95)，(230，85)，(130，310)，(100，260)，(95，250)，(85，230)八种长宽的纳米鳍分别实现π/4，π/2，3π/4，π，5π/4，3π/2，7π/4，2π的离散相位调控。

进一步地，可以根据公式对超表面进行排布，纳米鳍光轴旋转角度为出射光偏振角的一半，因此对偏振的操纵可以通过相应地摆放纳米鳍光轴旋向实现。而公式(1)表示了涡旋光束与聚焦透镜的叠加相位公式，可以通过在局部独立地改变纳米鳍的长宽来实现。中心不透光圆盘与超表面圆心相同，半径设置为超表面半径的η倍。

公式中，λ(532nm)代表工作波长，x和y为每个TiO₂纳米鳍的坐标位置，f为焦距。可以根据以上关系，我们完成超表面地设计。

本发明使用的光学针发生器是在基底上制作微纳电介质纳米鳍的二维阵列超表面，能够在亚波长空间分辨率下调控光学波前，具有完善的偏振和相位调控功能因而可以用于产生光学针。其半波片的工作原理使得它可以将线偏振的入射光转化为矢量光束从而获得独特的聚焦特性，而改变纳米鳍的长宽又可以实现完善的相位调控功能。相位叠加的使用是的一块超表面薄片可以实现复杂的光学系统的功能。所产生的光学针横向半高宽突破衍射极限，且具有长焦深，在超分辨成像、光刻、光学存储等领域有潜在应用。所产生光学针为横向偏振，且中心处为圆偏振，这使得其在仅对横向偏振敏感的光学材料中有独特应用。这种环形孔径式几何相位型超表面光学针发生器可以很容易地将其组合成芯片以形成具有扩展功能的复合设备。

入射光源为线偏振光，可包含平面波、环形强度分布等多种模式。入射光经超表面被转换为角向偏振光，同时由超表面提供螺旋相位、聚焦相位、环形孔径以实现光学针的产生。本光学针发生器工作时，线偏振光源从基底底部正入射，穿过纳米长方体阵列结构层，产生光学针。

实施例

在本实施例中，对本发明环形孔径式几何相位型超表面光学针发生器进行如下FDTD仿真验证：

设置超表面结构参数。设置参数为：二氧化硅玻璃层，规格为半径为20μm的圆盘，厚度0.5μm；数值孔径为0.9；不透明内半径与超表面半径之比为η为0.9；模拟波长532nm。

对建立好的模型进行仿真。x偏振平面光正入射到超表面，在传播方向设置监视器观测强度分布，如图4(a)和图4(b)所示。可以看出，所得到的光学针在传播平面强度分布中明显具有窄横向半高宽与长焦深的特性，并且在x-y平面具有对称性良好的实心亮斑，测得所产生光学针的焦深为10.5μm。图5为在z＝8μm处横截面的强度分布图，根据图5可以读出横向半高宽为235nm，其横向半高宽小于衍射极限的半高宽(0.514λ/NA＝304nm)。

对其横截面电场的强度分布进行分析，其电场分量的归一化强度图如图6所示，观察到横截面处电场仅由角向分量与径向分量组成，没有纵向分量，因此所产生的光学针是横向偏振的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种环形孔径式几何相位型超表面光学针发生器，其特征在于，所述光学针发生器包括圆形玻璃基底和置于该基底上表面的环形微纳电介质结构层以及圆形遮挡层，环形微纳电介质结构层用于实现入射光偏振与相位的调节，圆形遮挡层用于形成环形孔径，设置于圆形玻璃基底上表面的中心。

2.根据权利要求1所述的光学针发生器，其特征在于，所述环形微纳电介质结构层采用的电介质材料在工作波长下，其折射率在圆形玻璃基底折射率1.5倍以上。

3.根据权利要求2所述的光学针发生器，其特征在于，所述环形微纳电介质结构层采用的电介质材料为TiO₂。

4.根据权利要求1～3任一所述的光学针发生器，其特征在于，所述环形微纳电介质结构层为纳米鳍状结构单元组成的阵列。

5.根据权利要求4所述的光学针发生器，其特征在于，所述纳米鳍状结构单元以半波片形式工作，通过旋转角度可以调节入射光偏振态，通过改变长宽可以调节入射光相位，且采用的不同长宽的纳米鳍库可覆盖0～2π的相位变化。

6.根据权利要求4所述的光学针发生器，其特征在于，所述纳米鳍状结构单元的高度h大于λ/(n_M1-1)，n_M1为环形微纳电介质结构层的折射率，λ为工作波长。

7.根据权利要求6所述的光学针发生器，其特征在于，所述纳米鳍状结构单元的晶格常数p小于入射光在基底中等效的工作波长λ/n_L1，且大于衍射条件λ/2n_L1，n_L1为圆形玻璃基底的折射率。

8.根据权利要求7所述的光学针发生器，其特征在于，所述纳米鳍状结构单元的高度h为600nm，晶格常数p为370nm。

9.根据权利要求1所述的光学针发生器，其特征在于，所述圆形遮挡层具有不透光特性，所述入射光为线偏振光。

10.根据权利要求1所述的光学针发生器，其特征在于，所述圆形遮挡层与圆形玻璃基底的半径比为0.9。

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