CN114035247A - 用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构 - Google Patents

用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构 Download PDF

Info

Publication number
CN114035247A
CN114035247A CN202111372658.1A CN202111372658A CN114035247A CN 114035247 A CN114035247 A CN 114035247A CN 202111372658 A CN202111372658 A CN 202111372658A CN 114035247 A CN114035247 A CN 114035247A
Authority
CN
China
Prior art keywords
surface structure
phase
generating
super
dimensional
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111372658.1A
Other languages
English (en)
Inventor
严浏茜
周阳阳
王浩
张柏富
巫思霈
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN202111372658.1A priority Critical patent/CN114035247A/zh
Publication of CN114035247A publication Critical patent/CN114035247A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构，该结构包括基底和纳米圆柱单元，基底采用二氧化硅材料，纳米圆柱单元按照特定的相位分布排列在基底上，形成圆柱单元阵列；通过合理设计全介质超表面结构中的圆柱半径大小，可以有效地控制光束的波前相位，为二维艾里涡旋光束在微小尺度下的生成及控制提供了技术参考。本发明无需复杂的光学系统即可简单方便地产生二维艾里涡旋光束，具有体积小、结构简单、易集成等优点。

Description

用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构
技术领域
本发明属于超表面光学领域，特别涉及一种用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构。
背景技术
超构表面是由特定设计的亚波长单元组成的二维平面元件，它为设计超紧凑型光学元件提供了一种新的方案，在光学系统微型化中具有很大潜力。通过合理设计超表面的内部结构(基本单元的排列方式)可以实现对电磁波相位、振幅、偏振等特性的有效操控，从而可以任意构建整体波阵面，体现出优异的电磁波操纵能力。
自从艾里光束的概念被提出以来，其无衍射、自治愈、和自加速等特殊物理性质赋予了艾里光束在操控微粒、表面等离子激元路由、三维光弹产生、图像传输和超分辨成像等领域的广泛应用。另一方面，涡旋光束是一种相位具有螺旋结构、光场中存在相位奇点的光束。奇点光学作为现代光学的一个新分支，已在光镊技术、微粒操控和光学波导等领域展现出诸多应用前景。将光涡旋植入到艾里光束中可得到艾里涡旋光束，艾里涡旋光束将艾里光束和涡旋光束的特性相结合，在梯度折射率介质和克尔介质中传输特性、在大气湍流中的漂移特性、激光医疗、粒子旋转等研究方面具有重要价值。
为了在微小尺度产生二维艾里涡旋光这种复合光束，一种直观的方法是利用超构表面，先产生艾里光束，再在产生的艾里光束上加载涡旋相位。然而，由于分两步实现，导致在加载涡旋相位这一过程中，难以精确地确定艾里光束主瓣与涡旋中心的相对位置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构，可以实现同时将艾里光的相位和涡旋相位加载在超表面结构上，通过相位调制生成二维艾里涡旋光束。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构，所述超表面结构由基底和纳米圆柱单元构成，所述纳米圆柱单元按照特定的相位分布排列在基底上，形成纳米单元阵列，所述特定的相位分布满足以下公式：
Figure BDA0003362839690000021
其中，x0、y0分别为选取的x方向、y方向上坐标常量；xm、ym为选取的涡旋中心x方向、y方向上的坐标；l为涡旋光束的拓扑荷；angle[]表示括号内函数的相位；Ai(·)为艾里函数；
Figure BDA0003362839690000022
表示全介质超表面设计的波前相位；
Figure BDA0003362839690000023
表示二维艾里光束的相位；
Figure BDA0003362839690000024
表示涡旋光束的相位。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提出的用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构，可以对入射光束的波前相位进行调控，从而直接将涡旋相位调制到艾里光束的相位上，体积小、结构简单、易集成等优点。
附图说明
图1是本发明实施例纳米单元结构示意图。其中(a)为侧视图，(b)是俯视图。标记1为纳米圆柱单元，标记2为基底。
图2是本发明实施例中仿真的圆柱单元在不同尺寸下的相位延迟量图。
图3是本发明实施例相位型光学器件一部分区域的俯视图。
图4是本发明实施例中由全介质超表面产生二维艾里涡旋光束，在不同传播距离处的电场强度图，其中，(a)、(b)、(c)的传播距离分别为35μm、40μm、45μm。
具体实施方式
一种用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构，所述超表面结构由基底和纳米圆柱单元构成，基底采用二氧化硅材料，纳米圆柱单元采用无损耗且折射率为2.8的介质材料；所述纳米圆柱单元按照特定的相位分布排列在基底上，形成纳米单元阵列，所述特定的相位分布满足以下公式：
Figure BDA0003362839690000025
其中，x0为选取的x方向上坐标常量；y0为选取的y方向上坐标常量；xm为选取的涡旋中心x方向上的坐标；ym为选取的涡旋中心y方向上的坐标；l为涡旋光束的拓扑荷；angle[]表示括号内函数的相位；Ai(·)为艾里函数，
Figure BDA0003362839690000031
Figure BDA0003362839690000032
Figure BDA0003362839690000033
表示全介质超表面设计的波前相位；
Figure BDA0003362839690000034
表示二维艾里光束的相位；
Figure BDA0003362839690000035
表示涡旋光束的相位。
进一步的，纳米圆柱单元采用周期性排布，其周期P为0.45λ～0.8λ，λ为入射光波波长。
进一步的，纳米圆柱单元的尺寸在亚波长级别。
进一步的，所述纳米圆柱单元采用周期性排布，且均有相同的高度H。高度H由具体介质材料的折射率与入射光源的波长决定，需满足每个圆柱单元90％以上的透射率。
本申请提出一种的全介质超表面结构来生成二维艾里涡旋光束。基于折射率的空间调制，这种形状的超表面采用周期介质柱结构，利用不同占空比排列介质柱对应等效折射率的差异，实现传输相位的调控，从而构建相关的平面光学器件。
下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本实施例提供一种微米尺度下的相位型光学器件。以波长λ＝633nm作为器件的工作波长，以高斯光作为入射光。经过模拟计算，可以在相同波长，偏振方向沿x轴的线偏振光入射下建立一个数据库，得到一系列具有不同尺寸大小的圆柱单元的相位延迟和电场强度。在选择纳米圆柱单元时，应使所选取的一组圆柱单元的半径改变引起的相位变化覆盖0-2π。本实施例圆柱半径的取值范围是2nm到12nm，并以2nm为间隔取离散值，相位延迟量参见图2。图1是本发明实施例纳米单元结构示意图，其中H为纳米圆柱单元高度，R为纳米圆柱单元半径，P为基地宽度。
由相邻结构尺寸大小差异引起的传播相位差，基于相邻圆柱结构的干涉效应，在FDTD Solutions中循环生成符合特定相位差条件的一系列圆柱单元，周期性分布排列在基底上，所生成器件的一部分区域的俯视图如图3所示，所需满足的相位差表达式如下：
Figure BDA0003362839690000041
其中选取的x、y方向上坐标常量
Figure BDA0003362839690000042
选取的涡旋中心x、y方向上的坐标xm＝-5、ym＝-5；涡旋相位的拓扑荷l＝1；Ai(·)为艾里函数，
Figure BDA0003362839690000043
通过基于时域有限差分算法的数值仿真计算，得到本发明实施例中的全介质超表面在传播距离分别为35μm、40μm、45μm处的电场强度图，如图4所示。由电场强度图可以看出，生成的二维艾里涡旋光束存在场强为零的中心暗核，这是由该处的相位奇异性引起的。而且，对比从左到右的三幅图，可以明显看出，随着传播距离的增大，光束的中心暗核也随之移动，且移动的方向与艾里光束主瓣的自加速方向一致，这说明本发明实施例中的全介质超表面可以实现相位奇点的调控。

Claims (6)

1.一种用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构，所述超表面结构由基底和纳米圆柱单元构成，其特征在于，所述纳米圆柱单元按照特定的相位分布排列在基底上，形成纳米单元阵列，所述特定的相位分布满足以下公式：
Figure FDA0003362839680000011
其中，x0、y0分别为选取的x方向、y方向上坐标常量；xm、ym为选取的涡旋中心x方向、y方向上的坐标；l为涡旋光束的拓扑荷；angle[]表示括号内函数的相位；Ai(·)为艾里函数；
Figure FDA0003362839680000012
表示全介质超表面设计的波前相位；
Figure FDA0003362839680000013
表示二维艾里光束的相位；
Figure FDA0003362839680000014
表示涡旋光束的相位。
2.根据权利要求1所述的用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构，其特征在于，所述纳米圆柱单元采用周期性排布，其周期P为0.45λ～0.8λ，λ为入射光波波长。
3.根据权利要求2所述的用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构，其特征在于，所述纳米圆柱单元均有相同的高度。
4.根据权利要求2或3所述的用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构，其特征在于，所述纳米圆柱单元的尺寸在亚波长级别。
5.根据权利要求2或3所述的用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构，其特征在于，所述纳米圆柱单元采用无损耗且折射率为2.8的介质材料。
6.根据权利要求1所述的用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构，其特征在于，所述基底采用二氧化硅材料。
CN202111372658.1A 2021-11-18 2021-11-18 用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构 Pending CN114035247A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111372658.1A CN114035247A (zh) 2021-11-18 2021-11-18 用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111372658.1A CN114035247A (zh) 2021-11-18 2021-11-18 用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114035247A true CN114035247A (zh) 2022-02-11

Family

ID=80138206

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111372658.1A Pending CN114035247A (zh) 2021-11-18 2021-11-18 用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114035247A (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108445555A (zh) * 2018-05-09 2018-08-24 华南师范大学 超表面透镜
CN110265789A (zh) * 2019-06-13 2019-09-20 电子科技大学 一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面
CN111399309A (zh) * 2020-04-14 2020-07-10 华南师范大学 一种控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法
CN112882133A (zh) * 2021-02-25 2021-06-01 南京理工大学 一种产生艾里光束的几何相位型超透镜

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108445555A (zh) * 2018-05-09 2018-08-24 华南师范大学 超表面透镜
CN110265789A (zh) * 2019-06-13 2019-09-20 电子科技大学 一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面
CN111399309A (zh) * 2020-04-14 2020-07-10 华南师范大学 一种控制啁啾艾里涡旋光束聚焦位置的方法
CN112882133A (zh) * 2021-02-25 2021-06-01 南京理工大学 一种产生艾里光束的几何相位型超透镜

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
毛红行: "艾里涡旋光束的产生及其传播特性研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11573356B2 (en) Diffraction grating comprising double-materials structures
CN110376672A (zh) 一种超表面阵列结构及其在图像显示复用中的应用
CN110133876B (zh) 一种焦距可调的太赫兹石墨烯超表面透镜及设计方法
CN113805264B (zh) 基于集成超颖表面的宽带消色差透镜和波束偏折器
CN110488420B (zh) 基于全介质超表面的多焦点光纤透镜
CN113189685A (zh) 一种用于可见光聚焦成像的超表面光学元件
Zhang et al. Multi-focus optical fiber lens based on all-dielectric metasurface
Schultheiss et al. Light in curved two-dimensional space
CN113655547B (zh) 一种分辨率可调的超透镜阵列及实现方法
Andreone Selected topics in photonic crystals and metamaterials
CN110568524B (zh) 一种具有低损耗的零折射率超构材料及设计方法
CN114035247A (zh) 用于生成二维艾里涡旋光束的全介质超表面结构
Zhang et al. Single mode-fiber scale based square solid immersion metalens for single quantum emitters
Su et al. Polarization-independent beam deflection and focusing with dielectric non-resonant metasurfaces
AbdelMalek et al. Realization of a high coupling efficiency by employing a concave lens based on two-dimensional photonic crystals with a negative refractive index
Qi et al. Focusing characteristics of graded photonic crystal waveguide lens based on interference lithography
CN114397716A (zh) 一种波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器
CN113325496A (zh) 亚波长天线、波长可控的超透镜及超透镜设计方法
Shi et al. Oblique incident achromatic cloaking based on all-dielectric multilayer frame metasurfaces
Jiao et al. Improvement of focusing efficiency of plasmonic planar lens by oil immersion
CN111090147A (zh) 一种集成纳米结构周期阵列的集成光波导
Wu et al. Broadband optical negative refraction based on dielectric phase gradient metagratings
Jin et al. Mechanism of two-dimensional finite airy Gaussian array beams through curved slab systems
Ye Design, Simulation, Fabrication and Characterization of Optical Metasurface
Gu et al. Terahertz Surface-Plasmon-Polaritons Gradient Index Lens

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20220211

RJ01 Rejection of invention patent application after publication