CN113804293B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测方法，包括如下步骤：S1、调制激光波长为633nm的LG涡旋光束，将LG涡旋光束垂直入射至基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构上；S2、激发的SPPs通过耦合光栅后变成可观测的光，记录光场分布图像，获取激发的SPPs最大光强处的倾斜角θ；S3、基于标定的光束标准倾斜角θ₀与拓扑荷数l之间的映射关系，获取距倾斜角θ最近的标准倾斜角θ₀；S4、该标准倾斜角θ₀对应的拓扑荷数l作为当前LG涡旋光束的拓扑荷数。根据SPPs光束的方向与LG涡旋光束的拓扑荷之间的关系，该结构可以检测入射LG涡旋光的轨道角动量。

Description

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

技术领域

本发明属于涡旋光束的轨道角动量技术领域，更具体地，本发明涉及一种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。

背景技术

1992年，Alen等人提出在复振幅表达式中含有相位项

的光束具有轨道角动量(OAM)，其中l是拓扑荷，可以是任意数字，

是方位角。具有轨道角动量的光束在中心具有螺旋或扭曲波前和相位奇点，表现为环形涡旋光束。由于这些独特的特性，涡旋光束在光通信、光镊、成像和量子信息技术中具有巨大的应用潜力。在这些应用领域中，如何有效地检测涡旋光束的拓扑荷是一个首要的问题。

传统的基于光栅、干涉、衍射等方法检测拓扑荷的方法通常需要特殊的光学元件，并且仅允许通过特殊干涉模式进行间接测量或有限范围的区分。考虑到光学器件的紧凑化和集成化一直是光处理和光通信的追求，因此，如何进一步小型化且稳定地检测涡旋光束的拓扑荷仍然是当今科研人员的工作方向。

超表面作为超紧凑的二维超材料，可以通过改变入射光波的相位在芯片上实现任意操纵电磁波的功能。由于其亚波长厚度特性和强大的波前控制能力，超表面为实现全息图、定向激发、光束分裂和涡旋光束生成开辟了一条有效地途径。

近年来，由于超表面器件的易集成化和小型化，研究人员开始使用超表面检测涡旋光束的拓扑荷。例如2020年，Zhao等人提出了一种复合相位调制角动量分束器，它结合了光栅结构和空间变化的Λ形纳米狭缝，使携带不同光学奇点的入射光耦合到不同出射方向且分裂角不同的表面等离激元(SPPs)光束中。然而，现有的涡旋光束拓扑荷的检测方法存在器件设计复杂、结构参数多、检测分辨力不高等问题。

发明内容

本发明提供一种基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构，旨在提供一种结构简单的拉盖尔-高斯(LG)涡旋光束拓扑荷检测结构。

本发明是这样实现的，一种基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构，所述结构包括用于正拓扑荷涡旋光束的片上轨道角动量检测结构及用于负拓扑荷涡旋光束的片上轨道角动量检测结构，其中，用于正拓扑荷涡旋光束的片上轨道角动量检测结构包括：

银膜，设于银膜上的光栅对，包括：光栅对1和光栅对2，光栅对由光栅1和光栅2组成，光栅1、光栅2分别由m列和n行的悬链线纳米孔1阵列、悬链线纳米孔2阵列组成；

沿入射面的逆时针方向，依次布置光栅对1中的光栅2、光栅对1中的光栅1、光栅对2中的光栅2、光栅对2中的光栅1；同一光栅对中光栅1和光栅2中的悬链线纳米孔开口方向相同，光栅1、光栅2在光栅对1和光栅对2中的开口方向不同，以光栅对1中光栅1的悬链线纳米孔开口方向作为Y轴正向，在Y轴正向上，光栅对1中光栅1位于光栅对2中光栅2的前方；

在行排列方向上，悬链线纳米孔1、悬链线纳米孔2的悬链线宽度0.9Λ＝315nm，悬链线纳米孔1的排列周期为T₁＝660nm，悬链线纳米孔2的排列周期为T₂＝550nm；在列排列方向上，悬链线纳米孔1及悬链线纳米孔2的排列周期为d＝200nm，悬链线纳米孔1及悬链线纳米孔2的腰宽w＝50nm。

用于负拓扑荷涡旋光束的片上轨道角动量检测结构包括：

银膜，设于银膜上的光栅对，包括：光栅对1和光栅对2，光栅对由光栅1和光栅2组成，光栅1、光栅2分别由m列和n行的悬链线纳米孔1阵列、悬链线纳米孔2阵列组成；

沿入射面的逆时针方向，依次布置光栅对1中的光栅1、光栅对1中的光栅2、光栅对2中的光栅1、光栅对2中的光栅2；同一光栅对中光栅1和光栅2中的悬链线纳米孔开口方向相同，光栅1、光栅2在光栅对1和光栅对2中的开口方向不同，以光栅对1中的悬链线纳米孔开口方向作为Y轴正向，在Y轴正向上，光栅对1中光栅2位于光栅对2中光栅1的前方；

在行排列方向上，悬链线纳米孔1、悬链线纳米孔2的悬链线宽度0.9Λ＝315nm，悬链线纳米孔1的排列周期为T₁＝660nm，悬链线纳米孔2的排列周期为T₂＝550nm；在列排列方向上，悬链线纳米孔1及悬链线纳米孔2的排列周期为d＝200nm，悬链线纳米孔1及悬链线纳米孔2的腰宽w＝50nm。

进一步的，所述银膜的厚度为60nm。

本发明是这样实现的，基于所述基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构的片上轨道角动量检测方法包括如下步骤：

S1、调制激光波长为633nm的LG涡旋光束，将LG涡旋光束垂直入射至基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构上；

S2、激发的SPPs通过耦合光栅后变成可观测的光，记录光场分布图像，获取激发的SPPs最大光强处的倾斜角θ；

S3、基于标定的光束标准倾斜角θ₀与拓扑荷数l之间的映射关系，获取距倾斜角θ最近的标准倾斜角θ₀；

S4、该标准倾斜角θ₀对应的拓扑荷数l作为当前LG涡旋光束的拓扑荷数。

根据银-空气界面上的波矢量匹配条件，悬链线光栅超表面可以将LG涡旋光束耦合成沿不同方向传输的SPPs光束。根据SPPs光束的方向与LG涡旋光束的拓扑荷之间的关系，该结构可以检测入射LG涡旋光的轨道角动量。

附图说明

图1(a)为本发明实施例提供的基于悬链线光栅超表面的LG涡旋光束检测结构意图；

图1(b)为本发明实施例提供的基于悬链线光栅超表面的正负拓扑荷LG涡旋光束检测结构意图；

图2为本发明实施例提供的拓扑荷l＝±1的LG涡旋光束的空间相位分布和k矢量分布，其中，(a)为l＝+1，(b)为l＝-1；

图3为本发明实施例提供的拓扑荷l＝±1的波矢匹配条件，(a)为l＝+1，(b)为l＝-1；

图4(a)为本发明实施例提供的显示了携带不同拓扑荷l的LG涡旋光束照射超表面后激发的SPPs光束的模拟场强分布；

图4(b)为本发明实施例提供的Ag-Air界面上x＝7μm处SPPs光束的倾斜角θ以及相邻拓扑荷间的SPPs光束的分离距离。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明提出了一种由光栅和悬链线纳米孔径相结合的悬链线光栅超表面，以检测入射LG涡旋光束的拓扑荷。根据银-空气界面上的波矢量匹配条件，悬链线光栅超表面可以将LG涡旋光束耦合成沿不同方向传输的SPPs光束。根据SPPs光束的方向与LG涡旋光束的拓扑荷之间的关系，该结构可以检测入射LG涡旋光的轨道角动量。因此，片上轨道角动量检测结构为集成纳米光子器件提供了新的可能性。

基于悬链线光栅超表面的涡旋光束检测结构的结构示意图如图1(a)所示。悬链线纳米孔构成的两个不同周期的光栅按一定的方式排列在厚度h＝60nm的银膜上。具体而言，当检测的涡旋光束拓扑荷为正时，悬链线光栅的排布方式如图1(b)的上图所示，当检测的涡旋光束拓扑荷为负时，悬链线光栅的排布方式如图1(b)的下图所示。

不同的排列方式主要是为了更好地满足波矢匹配条件，原理分析部分将详细说明。银的相对介电常数与波长的函数关系取自Palik的数据。悬链线光栅由悬链线孔径组成，且悬链线孔径是将悬链线曲线沿y方向平移w得到。悬链线曲线表示为：

Λ是悬链线在x方向的宽度。考虑到公式(1)的值在x＝±Λ/2处无穷大，因此在仿真模拟和实际应用中需要截断悬链线曲线。在发明中，悬链线孔径的实际宽度设置为0.9Λ。通过仿真优化，悬链线纳米孔的参数为0.9Λ＝315nm，腰宽w＝50nm。悬链线纳米孔组成的光栅周期参数具体为T₁＝660nm，T₂＝550nm，d＝200nm。

在仿真模拟中，入射光被视为波长为λ₀＝633nm的LG涡旋光束。入射LG涡旋光束的场可以表示为：

其中，l是拓扑荷数，w₀是束腰半径，，

是相应的拉盖尔多项式，(x,y,z)是入射光的光传输位置坐标，

p是径向指数，i是虚数单位，k是波数，当p＝0时，拉盖尔多项式

是方位角。

为了解释利用悬链线光栅超表面检测入射涡旋光拓扑荷的原理，我们首先以拓扑荷l＝±1的LG涡旋光为例，分析其空间相位和波矢量分布，如图2所示，图2中箭头表示波矢量旋转方向。由图2可知拓扑荷l＝±1的LG涡旋光相位变化范围均为-π～π。然而，正负拓扑荷的波矢量旋转方向有区别。具体来说，当拓扑荷l＝+1时，k矢量箭头逆时针旋转；当拓扑荷l＝-1时，k矢量箭头顺时针旋转。

接下来，分析悬链线光栅超表面和带有拓扑荷l的LG涡旋入射光束之间的相互作用，如图3所示。当携带正拓扑荷(l>0)的LG涡旋光束照射在悬链线光栅超表面上时，如图3a所示，在满足方程(3)的波矢量匹配条件下，入射LG涡旋光束可以转换为传播SPPs光束：

其中，

和

分别代表周期T₁和T₂的悬链线光栅的倒格矢。而

和

分别是入射LG涡旋光束和激发SPPs波的方位分量的波矢量。为了简化模型，LG涡旋光束垂直入射结构，因此方位波矢量可以表示为

其中r是拓扑荷l的LG涡旋光束的有效半径。此外，银和空气界面处激发的SPPs波长为

其中k₀是入射光束的波矢量，ε_air和ε_Ag分别是银和空气的介电常数。类似地，当拓扑荷为负(l<0)时，如图3b所示，由于波矢量旋转方向的改变，为了满足上述波矢量匹配条件，必须改变悬链线光栅的排列才可以将入射的LG光耦合到SPPs中，其传播方向与正拓扑荷的LG涡旋光束激发的SPPs不同。此外，对于较大的拓扑荷，波矢量也会相应增大，因此发射的SPPs波的斜角也会发生变化。根据SPPs波的倾斜角度，可以区分拓扑荷的大小。

图3中上图中的黑色箭头表示入射的LG涡旋光束的方位分量的波矢量

图3中下图中的

表示激发SPPs波的方位分量的波矢量。

和

分别表示周期为T₁和T₂的悬链线光栅的波矢量。

为了深入了解基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构的光学特性，采用时域有限差分法进行了数值模拟。网格大小为10nm×10nm×3nm，采用完全匹配层边界条件消除不必要的偏差。

图4(a)显示了携带不同拓扑荷l的LG涡旋光束照射超表面后激发的SPPs光束的模拟场强分布。可以看出，模拟的场强分布与原理分析部分预测一致。激发的SPPs光束会随着拓扑荷的变化向不同方向传播。具体地说，当l>0时，激发的SPPs主要沿右上角和左下角传播。然而，当l<0时，激发的SPPs的方向相反，主要沿左上角和右下角。另外，随着拓扑荷绝对值的增大，激发的SPPs光束的倾斜角θ也会相应增加。

为了定量描述拓扑荷检测效果，计算了在Ag-Air界面上x＝7μm处SPPs光束的倾斜角θ以及相邻拓扑荷间的SPPs光束的分离距离d，如图4(b)所示。从图4(b)中的圆形所在的曲线可以看出倾斜角度θ随着拓扑荷l的增加而增加。具体来说，当拓扑荷从l＝-5增加至l＝5时，倾斜角度的变化范围为θ≈-0.35rad至θ≈0.2rad，因此，对LG涡旋光束拓扑荷的检测具有效果。

此外，通过对场强分布的分析处理，得到了相邻拓扑荷间的SPPs光束的分离距离。处理过程如下：首先假设一个初始y坐标位置，对应于当入射LG涡旋光束的拓扑荷l＝±1时，x＝7μm横截面上SPPs光束的最大场强的y坐标。然后，在x＝7μm横截面上相邻拓扑荷的最大电场值对应的y坐标相减。最后，绘制出如图4(b)中的三角形所在的曲线。相邻拓扑荷之间的SPPs分离距离最小为100nm，最大为480nm。这样的SPPs分离距离可以区分携带不同拓扑荷的LG涡旋光束。另外值得注意的是，这只是x＝7μm时的SPPs分离距离，所因此当x坐标取值距离结构越远，SPPs的分离距离则越大，更加有利于区分入射LG涡旋光束的拓扑荷。

一种OAM探测结构，可以将入射的LG涡旋光束耦合到不同方向的SPPs光束中。利用波矢量匹配技术，设计了两种不同光栅排列的悬链线光栅超表面，以区分入射LG涡旋光束的正负拓扑荷。此外，随着拓扑荷绝对值的增大，SPPs光束的倾斜角也随之增大。因此，设想所提出的悬链线光栅超表面能够在超紧凑型光学集成电路中应用。

基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构的片上轨道角动量检测方法包括如下步骤：

S1、调制激光波长为633nm的LG涡旋光束，将LG涡旋光束垂直入射至基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构上；

S2、激发的SPPs通过耦合光栅后变成可观测的光，记录光场分布图像，获取激发的SPPs最大光强处的倾斜角θ；

S3、基于标定的光束标准倾斜角θ₀与拓扑荷数l之间的映射关系，获取距倾斜角θ最近的标准倾斜角θ₀；

S4、该标准倾斜角θ₀对应的拓扑荷数l作为当前LG涡旋光束的拓扑荷数。

在使用悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构进行LG涡旋光束的拓扑荷数检测之前，需要实现标定光束标准倾斜角θ₀与拓扑荷数l之间的映射关系，即将各拓扑荷数l已知的LG涡旋光束入射到悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构，获取各拓扑荷数l的LG涡旋光束的标准倾斜角θ₀，即其激发的SPPs最大光强处的倾斜角，完成光束标准倾斜角θ₀与拓扑荷数l之间映射关系的标定。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之。

Claims (3)

1.一种基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构，其特征在于，所述结构包括用于正拓扑荷涡旋光束的片上轨道角动量检测结构及用于负拓扑荷涡旋光束的片上轨道角动量检测结构，其中，用于正拓扑荷涡旋光束的片上轨道角动量检测结构包括：

银膜，设于银膜上的光栅对，包括：光栅对1和光栅对2，光栅对由光栅1和光栅2组成，光栅1、光栅2分别由m列和n行的悬链线纳米孔1阵列、悬链线纳米孔2阵列组成；

沿入射面的逆时针方向，依次布置光栅对1中的光栅2、光栅对1中的光栅1、光栅对2中的光栅2、光栅对2中的光栅1；同一光栅对中光栅1和光栅2中的悬链线纳米孔开口方向相同，光栅1、光栅2在光栅对1和光栅对2中的开口方向不同，以光栅对1中光栅1的悬链线纳米孔开口方向作为Y轴正向，在Y轴正向上，光栅对1中光栅1位于光栅对2中光栅2的前方；

在行排列方向上，悬链线纳米孔1、悬链线纳米孔2的悬链线宽度0.9Λ＝315nm，悬链线纳米孔1的排列周期为T₁＝660nm，悬链线纳米孔2的排列周期为T₂＝550nm；在列排列方向上，悬链线纳米孔1及悬链线纳米孔2的排列周期为d＝200nm，悬链线纳米孔1及悬链线纳米孔2的腰宽w＝50nm；

用于负拓扑荷涡旋光束的片上轨道角动量检测结构包括：

银膜，设于银膜上的光栅对，包括：光栅对1和光栅对2，光栅对由光栅1和光栅2组成，光栅1、光栅2分别由m列和n行的悬链线纳米孔1阵列、悬链线纳米孔2阵列组成；

沿入射面的逆时针方向，依次布置光栅对1中的光栅1、光栅对1中的光栅2、光栅对2中的光栅1、光栅对2中的光栅2；同一光栅对中光栅1和光栅2中的悬链线纳米孔开口方向相同，光栅1、光栅2在光栅对1和光栅对2中的开口方向不同，以光栅对1中的悬链线纳米孔开口方向作为Y轴正向，在Y轴正向上，光栅对1中光栅2位于光栅对2中光栅1的前方；

在行排列方向上，悬链线纳米孔1、悬链线纳米孔2的悬链线宽度0.9Λ＝315nm，悬链线纳米孔1的排列周期为T₁＝660nm，悬链线纳米孔2的排列周期为T₂＝550nm；在列排列方向上，悬链线纳米孔1及悬链线纳米孔2的排列周期为d＝200nm，悬链线纳米孔1及悬链线纳米孔2的腰宽w＝50nm。

2.如权利要求1所述基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构，其特征在于，所述银膜的厚度为60nm。

3.基于权利要求1或2所述基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构的片上轨道角动量检测方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

S1、调制激光波长为633nm的LG涡旋光束，将LG涡旋光束垂直入射至基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构上；

S2、激发的SPPs通过耦合光栅后变成可观测的光，记录光场分布图像，获取激发的SPPs最大光强处的倾斜角θ；

S3、基于标定的光束标准倾斜角θ₀与拓扑荷数l之间的映射关系，获取距倾斜角θ最近的标准倾斜角θ₀；

S4、该标准倾斜角θ₀对应的拓扑荷数l作为当前LG涡旋光束的拓扑荷数。

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