CN113687459A - 基于金属纳米筛超表面的近场多通道等离子体涡旋生成器 - Google Patents

基于金属纳米筛超表面的近场多通道等离子体涡旋生成器 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于金属纳米筛超表面结构的近场多通道等离子体涡旋生成器，其包括衬底及形成于衬底上的金属纳米筛超表面；超表面具有m组设计单元，设计单元由连线为阿基米德螺旋线的n个圆形纳米筛孔在0～P度范围内沿方位角域等分排布组成，P≥360/m；各设计单元所含纳米筛孔连线形成的阿基米德螺旋线在0～360度范围内沿方位角域等分排布；工作波长的入射圆极化光垂直入射所述超表面，在纳米筛孔边缘激发表面等离子激元，所述表面等离子激元向超表面中心传播发生干涉，并结合自旋到轨道角动量的转换形成多个不同拓扑荷数的等离子体涡旋。通过本发明，可在近场环境下实现多通道等离子体涡旋生成器。

Description

基于金属纳米筛超表面的近场多通道等离子体涡旋生成器
技术领域
本发明属于微纳光学器件技术领域，具体涉及一种利用金属纳米筛超表面结构实现近场环境下的多通道等离子体涡旋生成器。
背景技术
涡旋光束作为一种具有螺旋形相位波前以及中心相位奇点的特殊光束在量子光通信、超分辨成像、微纳颗粒的操控、以及多通道信息存储等先进应用领域都发挥着重要的作用。在现有方案中，人们常常通过螺旋相位板、空间光调制器、叉型光栅等传统光学器件来产生携带特定拓扑荷数的涡旋光束。然而，利用这些方法产生涡旋光束对系统的进一步缩小以及集成化都带来了限制。
近年来，超表面以其对光束波前相位和振幅的灵活操控以及超薄的厚度和超紧凑的体积为涡旋光束的产生带来了新的机遇与发展。通常，现有方案在利用超表面产生特定拓扑荷数的涡旋光束时，通过设计能够对入射光产生0～2π的梯度相位响应的微纳单元结构并对这些微纳单元结构进行特定排布来实现。
为了实现光学器件的多功能性以及进一步推动光学器件的集成化，当需要通过一个超表面微纳光学器件产生多个不同拓扑荷数的涡旋光束时，现有方案通常依靠将具有不同相位响应的微纳单元结构通过分区域排布或者交错排布的手段来实现。在此类方案下，每个微纳单元结构仍只服务于产生其中某个特定拓扑荷数的涡旋光束。与此同时，为了抑制不同微纳单元结构之间的交叉耦合效应，相邻微纳单元之间需要有足够的距离，而这又反过来降低了器件的紧凑性以及通道容量。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种基于金属纳米筛超表面的近场多通道等离子体涡旋产生器。通过设计金属纳米筛超表面上纳米筛孔的排布，可在近场环境下实现多通道等离子体涡旋生成器，以在近场环境下，可以结合自旋角动量到轨道角动量的转换并实现不同拓扑荷数等离子体涡旋的产生。与此同时，此种金属纳米筛超表面中的每个微纳单元结构(即单个纳米筛孔结构)都服务于该器件所产生的所有不同拓扑荷数的等离子体涡旋，真正实现了“一孔多用”，从而为超表面近场多通道等离子体涡旋的产生打开了新的途径。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于金属纳米筛超表面结构的近场多通道等离子体涡旋生成器，其包括衬底及形成于衬底上的金属纳米筛超表面；所述超表面具有m组设计单元，所述设计单元由连线为阿基米德螺旋线的n个圆形纳米筛孔在0～P度范围内沿方位角域等分排布组成，所述P≥360/m；各设计单元所含纳米筛孔连线形成的阿基米德螺旋线在0～360度范围内沿方位角域等分排布；工作波长的入射圆极化光垂直入射所述超表面，在纳米筛孔边缘激发表面等离子激元，所述表面等离子激元向超表面中心传播发生干涉，并结合自旋到轨道角动量的转换形成多个不同拓扑荷数的等离子体涡旋。
作为一种优选方案，所述纳米筛孔的直径为0.3～0.7个工作波长。
作为一种优选方案，所述工作波长在可见光波段或近红外波段时，超表面采用金、银或铜制作，厚度为50～150nm。
作为一种优选方案，所述工作波长在紫外波段时，超表面材料为铝，厚度为50～150nm。
作为一种优选方案，所述衬底选用玻璃、氧化铝、硅或透明树脂材料制作。
作为一种优选方案，所述阿基米德螺旋线的方位角从0°覆盖到22.5°。
其中，所述入射光为右旋圆极化光时，拓扑荷数为al+1；所述入射光为左旋圆极化光时，拓扑荷数为al-1；其中，l＝m，a为包括0在内的整数。
其中，所述阿基米德螺旋线的公式为：rl(θ)＝r0+l·θ/2π·λSPP，式中，l为预设拓扑荷数，l＝m，θ为螺旋线对应的方位角，θ∈[0,P]，r0为螺旋线的起始半径，rl(θ)为在预设拓扑荷数l的情况下方位角θ对应的螺旋线半径，λSPP为表面等离子体极化激元波长。
其中，所述m为40，n为4，λSPP为606nm(自由空间内工作波长633nm的入射圆极化光对应的表面等离子体极化激元波长)，预设拓扑荷数l为40，起始半径r0为10μm；在右旋圆极化光照射下，所述多通道等离子体涡旋生成器在近场产生三种不同拓扑荷数的等离子体表面等离子体涡旋，所述等离子体涡旋的拓扑荷数分别为+1，-39，-79；在左旋圆极化光照射下，所述多通道等离子体涡旋生成器在近场产生三种不同拓扑荷数的等离子体表面等离子体涡旋，所述等离子体涡旋的拓扑荷数分别为-1，-41，-81。
其中，所述入射圆极化光为紫外光、可见光或近红外光。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出的非周期性排布的金属纳米筛超表面结构，通过调整纳米筛孔的非周期性排布，可在近场环境下实现一个器件产生多束不同拓扑荷数的等离子体表面涡旋光束。
(2)相比于现有的多通道超表面等离子体涡旋发生器设计方案，本发明中的每个微纳单元结构都服务于该器件所产生的所有不同拓扑荷数的等离子体涡旋，真正实现了“一孔多用”，从而为超表面多通道等离子体涡旋的设计打开了新的道路，进一步促进了器件的紧凑性和多功能性的发展。
(3)本发明只需要在金属薄膜上打孔即可实现，相比于之前基于相位调控型的超表面等离子体涡旋发生器，本发明仅通过透光以及不透光的“0”、“1”二元状态即可实现，无需依赖产生精确相位响应的微纳元结构，因此具有更强的鲁棒性，且加工更简便。
(4)本发明所公开的金属纳米筛超表面结构可以结合自旋到轨道角动量的结合，将入射光所携带的自旋角动量转化成片上生成的轨道角动量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：实施例所公开的近场多通道等离子体涡旋产生器的结构示意图。
图2：实施例所公开的近场多通道等离子体涡旋产生器的俯视图。
图3：(a)为实施例所公开的近场多通道等离子体涡旋产生器在633nm圆偏光入射下的近场仿真强度分布图；(b)为实施例所公开的近场多通道等离子体涡旋产生器在633nm圆偏光入射下的近场仿真相位分布图。
图中标注：l为拓扑荷数。
具体实施例
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
通常，人们用不同形态的单条螺旋线形槽来实现特定拓扑荷数的等离子体涡旋的产生。然而，利用该类方案单个器件通常只能产生单个特定拓扑荷数的等离子体涡旋。为此，本发明提供一种基于金属纳米筛超表面的多通道等离子体涡旋生成器的设计方案，为使得单个器件产生多个拓扑荷数的等离子体涡旋，通过将螺旋线形槽沿方位角域等分排布，并将连续的螺旋线形槽轨迹简化为分散的纳米筛孔，从而在单一结构中利用结构简并性，衍生出多条螺旋线形轨迹，进而实现多个不同拓扑荷数的等离子体涡旋的产生。
本发明所公开的近场多通道等离子体涡旋生成器的金属纳米筛超表面主要分为两部分，即有孔部分(即纳米筛孔)和无孔部分。由此，整个超表面呈现的是一个透光以及不透光的0、1二元状态分布。其中，无孔部分光打上去都被吸收或反射了，不会对近场造成影响。光打到金属小孔边缘时，会激发SPP(表面等离子体极化激元，简称“表面等离激元”)，激发的SPP会向小孔四周传播。然而，仅有往超表面中心传播的SPP会发生干涉并生成等离子等离子体涡旋，向其他方向传播的SPP会逐渐衰减消失。
本发明所公开的近场多通道等离子体涡旋生成器的工作波长主要分布在紫外、近红外和可见光波段。对于超表面材料的选择，具体可选用在工作波长可激发等离子体激元的金属材料，例如，工作波长在可见光波段时，超表面材料可采用金、银、铜任意一种；工作波长在近红外波段：同样可采用金、银、铜任意一种；但工作波长在紫外波段则选用铝作超表面的材料。超表面的厚度可以是50～150nm。在超表面的厚度设计时，主要可考虑以下三点因素：1)在工作波段保证无纳米筛孔部分不透光；2)结合纳米筛孔直径避免产生波导效应；3)加工方便、工艺成熟。而纳米筛孔直径的选择需为了在尽可能优化器件效率的情况下同时确保来自同一纳米筛孔的光到超表面中心的最大相位差可以忽略不计。纳米筛孔的直径可设计为0.3～0.7个工作波长。而在衬底材料的选择上，主要是要求在工作波长呈透明状，即在工作波段损耗低、吸收低即可，例如，玻璃、硅、氧化铝等。
本发明中，我们以公式为
Figure BDA0003226323880000041
的阿基米德螺旋线形式为设计基础。这里，l为预设拓扑荷数，θ为该螺旋线对应的方位角，r0为该螺旋线的起始半径，rl(θ)为在拓扑荷数l的情况下方位角θ对应的螺旋线半径，λSPP为表面等离子体极化激元波长。
当圆极化光打到超表面上时，螺旋线窄缝边缘会激发等离子激元，激发的等离子体激元在向超表面中心传播时会相互干渉，形成拓扑荷数为l的近场涡旋光。为了在近场得到多个不同拓扑荷数的等离子体涡旋，本发明将此螺旋线结构沿方位角域等分重复排布l次，并将螺旋线狭缝结构分割成方位角等分的m个圆形纳米筛孔，也即连续的螺旋线狭缝结构由若干圆形纳米筛孔连线形成的螺旋线结构替代。当圆极化光打到该超表面上时，纳米筛孔的边缘同样会激发等离子激元，从而得到可以产生不同拓扑荷数等离子体涡旋的多通道等离子体涡旋生成器。
需要说明的是，这里选择形式为
Figure BDA0003226323880000042
的阿基米德螺旋线，方位角θ范围为[0,P]，其中，P≥360/l°，其中，l＝m。选择这样的螺旋线形是因为圆极化光透过l条沿方位角域等分的该种螺旋线时激发的等离子在向超表面中心(即螺旋线原点)传播时可以在近场积累al±1倍的2π相位差。±1的符号则由入射光为右旋圆极化光(+1)还是左旋圆极化光(-1)决定。多通道等离子体涡旋产生器结合光的自旋到轨道角动量的转化形成具有多个不同拓扑荷数的等离子体涡旋，其中的拓扑荷数为al±1，其中l＝m，a为包括0在内的整数，±1的符号同样取决于入射光为右旋圆极化光(+1)还是左旋圆极化光(-1)。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
结合图1至图3所示，实施例公开一种近场环境下工作的多通道等离子体涡旋产生器，该多通道等离子体涡旋产生器(以下也称“样品”)主要包括衬底1及形成于衬底1上的金属纳米筛超表面2，金属纳米筛超表面2上加工有非周期性排布的圆形纳米筛孔3。衬底1我们选用透明玻璃制备。由于金的加工便利性，我们选用金作为纳米筛超表面的制备材料，金膜的的厚度为120nm，圆形纳米筛孔3的直径为300nm。
这里金膜的厚度设计为120nm可以保证金属纳米筛超表面2在没有纳米筛孔3的地方都不透光，另外还可以避免波导效应以及保证加工样品的质量。圆形纳米筛孔3的直径设计为300nm可实现在尽可能优化器件效率的情况下同时确保来自同一纳米筛孔的光到超表面中心的最大相位差可以忽略不计。需要说明的是，纳米筛孔仅是在金膜上刻蚀，即深度和金膜厚度一样。
在此实施例中，我们将工作波长λ定为633nm，则对应的表面等离子体极化激元波长λSPP为606nm，预设拓扑荷数l定为40，起始半径r0选为10μm。可选地，在此实施例中，将阿基米德螺旋线的方位角从0°覆盖到22.5°，并将此螺旋线结构沿方位角方向等分重复40次。可选地，在此实施例中，将每条螺旋线结构沿方位角域等分分割成4个纳米筛孔。因此，此金属纳米筛近场多通道等离子体涡旋生成器共包含160个非周期性排布的纳米筛孔。
其中，关于等离子激元波长λSPP的计算方法如下：
Figure BDA0003226323880000051
其中
Figure BDA0003226323880000052
式中，
Figure BDA0003226323880000053
λ0为入圆极化射光的工作波长(真空中波长)，εAir＝1为空气的相对介电常数，εAu为金在相应波长处的相对介电常数，real(β)指β的实部。在本发明实施例中，预设的入射光波长λ0＝633nm，金在633nm波长的介电常数为-11.753+i1.2596，从而可以算出λSPP≈606nm。该计算方法可参考以下文献：
Johnson,P.B.and Christy,R.(1972)Optical Constants of the NobleMetals.Physical Review B,6,4370.https://doi.org/10.1103/PhysRevB.6.4370。
由于纳米筛超表面的结构简并性，我们可以在该金属纳米筛超表面结构中发现3种不同形状的螺旋线形结构，如图1所示，该金属纳米筛超表面可看作40条逆时针旋转的螺旋线的组合，或是80条逆时针旋转的螺旋线的组合。此外，结合该金属纳米筛超表面的自旋角动量到轨道角动量的转化能力，在右旋圆极化光照射下，该金属纳米筛超表面结构可在近场产生三种不同拓扑荷数的等离子体表面等离子体涡旋，这三种等离子体涡旋的拓扑荷数分别为+1，-39，-79，其强度以及相位分布图如图3所示。在左旋圆极化光照射下，该金属纳米筛超表面结构可在近场产生拓扑荷数分别为-1，-41，以及-81的三种等离子体表面等离子体涡旋，其强度以及相位分布图如图3所示。
如图3(a)所示，在右旋圆极化光照射下，该纳米筛超表面近场的强度分布图展示了3个不同半径的“甜甜圈”形状的结构，分别对应于拓扑荷数为+1，-39以及-79的等离子等离子体涡旋，图3(b)所展示的相位分布图展示了在右旋圆极化光照射下，对应等离子等离子体涡旋的相位分布，分别为+1·2π，-39·2π以及-79·2π。如图3(a)在左旋圆极化光照射下，该纳米筛超表面近场的强度分布图展示了3个不同半径的“甜甜圈”形状的结构，分别对应于拓扑荷数为-1，-41以及-81的等离子等离子体涡旋，图3(b)所展示的相位分布图展示了在左旋圆极化光照射下，对应等离子等离子体涡旋的相位分布，分别为-1·2π，-41·2π以及-81·2π。在线偏光的照射下，由于线偏光是右旋圆极化光和左旋圆极化光的线性组合，所以图3(a)和图3(b)分别展示了拓扑荷数为+1，-39以及-79的等离子等离子体涡旋以及拓扑荷数为-1，-41以及-81的等离子等离子体涡旋的强度干涉叠加图以及相位干涉叠加图。
这里给出一种上述样品的制备方法，主要包括：采用电子束蒸发(HHV，AUTO500)在清洁的玻璃基底上沉积金薄膜，沉积速率为
Figure BDA0003226323880000061
然后可采用聚焦离子束技术(FEI，HeliosNanoLab600i)在金薄膜上刻蚀相应结构，该技术可由NanoBuilder软件控制。离子束的电流为80pA，能量为30kV。当然制备样品所采用的工艺并不限于以上所述，但这并非本发明的重点，不再赘述。
最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于金属纳米筛超表面结构的近场多通道等离子体涡旋生成器，其特征在于，包括衬底及形成于衬底上的金属纳米筛超表面；所述超表面具有m组设计单元，所述设计单元由连线为阿基米德螺旋线的n个圆形纳米筛孔在0～P度范围内沿方位角域等分排布组成，所述P≥360/m；各设计单元所含纳米筛孔连线形成的阿基米德螺旋线在0～360度范围内沿方位角域等分排布；
工作波长的入射圆极化光垂直入射所述超表面，在纳米筛孔边缘激发表面等离子激元，所述表面等离子激元向超表面中心传播发生干涉，并结合自旋到轨道角动量的转换形成多个不同拓扑荷数的等离子体涡旋。
2.如权利要求1所述的近场多通道等离子体涡旋生成器，其特征在于，所述纳米筛孔的直径为0.3～0.7个工作波长。
3.如权利要求1所述的近场多通道等离子体涡旋生成器，其特征在于，所述工作波长在可见光波段或近红外波段时，超表面采用金、银或铜制作，厚度为50～150nm。
4.如权利要求1所述的近场多通道等离子体涡旋生成器，其特征在于，所述工作波长在紫外波段时，超表面材料为铝，厚度为50～150nm。
5.如权利要求1所述的近场多通道等离子体涡旋生成器，其特征在于，所述衬底选用玻璃、氧化铝、硅或透明树脂材料制作。
6.如权利要求1所述的近场多通道等离子体涡旋生成器，其特征在于，所述阿基米德螺旋线的方位角从0°覆盖到22.5°。
7.如权利要求1所述的近场多通道等离子体涡旋生成器，其特征在于，所述入射光为右旋圆极化光时，拓扑荷数为al+1；所述入射光为左旋圆极化光时，拓扑荷数为al-1；其中，l＝m，a为包括0在内的整数。
8.如权利要求1所述的近场多通道等离子体涡旋生成器，其特征在于，所述阿基米德螺旋线的公式为：
Figure FDA0003226323870000011
式中，l为预设拓扑荷数，l＝m，θ为螺旋线对应的方位角，θ∈[0,P]，r0为螺旋线的起始半径，rl(θ)为在预设拓扑荷数l的情况下方位角θ对应的螺旋线半径，λSPP为表面等离子体极化激元波长。
9.如权利要求8所述的近场多通道等离子体涡旋生成器，其特征在于，所述m为40，n为4，λSPP为606nm，预设拓扑荷数l为40，起始半径r0为10μm；
在右旋圆极化光照射下，所述多通道等离子体涡旋生成器在近场产生三种不同拓扑荷数的等离子体表面等离子体涡旋，所述等离子体涡旋的拓扑荷数分别为+1，-39，-79；在左旋圆极化光照射下，所述多通道等离子体涡旋生成器在近场产生三种不同拓扑荷数的等离子体表面等离子体涡旋，所述等离子体涡旋的拓扑荷数分别为-1，-41，-81。
10.如权利要求1至9任意一项所述的近场多通道等离子体涡旋生成器，其特征在于，所述入射圆极化光为紫外光、可见光或近红外光。
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