CN114397717A - 一种多维度双矢量光束聚焦的光学超表面 - Google Patents

一种多维度双矢量光束聚焦的光学超表面 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能在THz频域实现多维度不同类型矢量光束(径向偏振矢量光束与角向偏振矢量光束)同时聚焦的光学超表面，该超表面由在xy平面内呈周期性排布的单元结构组成，每个周期性结构为一定厚度硅基底上的硅介质棒。为了实现双聚焦效果，不同位置处的硅介质棒需要具有不同的尺寸与不同的旋转角度，满足特定的排布规律。用介质结构代替传统等离激元超材料中的金属结构，解决了欧姆损耗的问题。同时因为矢量光束对入射光偏振的特殊依赖性，仅通过变化入射偏振态就能够切换两束不同矢量光的聚焦，为实际光学操控提供了极大便利性。因此，该光学超表面是一种实现高密度矢量光束的超透镜，在光学器件的研发中具有十分重要的应用。

Description

一种多维度双矢量光束聚焦的光学超表面
技术领域
本发明属于表面等离激元微纳光子学领域，尤其涉及一种多维度双矢量光束聚焦的光学超表面。
背景技术
具有轴对称偏振分布的圆柱矢量光束(CVB)，也被称为一阶矢量光束，一般被分为径向偏振矢量光束(RPVB)、角向偏振矢量光束(APVB)与混合偏振矢量光束。由于其非均匀偏振的特性，圆柱矢量光束可以被应用到各种各样的领域，例如，三维偏振控制、光学捕获、显微成像、计量学以及光通信等等。其中，径向偏振光和角向偏振光作为两种典型的圆柱矢量光束，已受到越来越多的关注。与线性偏振光相比，径偏矢量光在紧聚焦的情况下具有显著的纵向偏振光斑，这使得它对纳米粒子的轴向光学操纵更有效。此外，径向偏振光还可以突破衍射极限，有望被用于高分辨率光刻和光学传感。另一方面，角向矢量光束与径向矢量光束相比具有更强的横向捕获性能也已经被证明。现如今，已经发展了几种产生上述类型圆柱矢量光的技术方法，例如，延迟相位板，亚波长空间变化金属光栅与介质光栅。然而，这些方法经常受到体积大、制造困难等问题的困扰。
超表面由于其在亚波长尺度上对振幅、偏振和相位的优越操控，已经在超薄偏振转换器、超透镜以及全息成像等各个方面得到了广泛应用。此外，全介质超表面的出现可以解决等离子体超表面欧姆损耗的问题。因此，超表面在制备高度集成、低损耗的圆柱矢量光束纳米器件方面有着广泛的应用前景，事实上，已经有利用超表面来产生或聚焦圆柱矢量光束的研究。然而，同时产生两种不同类型矢量光束(例如径向偏振矢量光与角向偏振矢量光)并将它们聚焦在多维位置的研究很少，尽管最近已经证明了杂化双聚焦效应(即一个聚焦为圆柱矢量光光斑，另一个聚焦为均匀偏振标量光束光斑)。近年来有一些关于多聚焦超构透镜的工作，但绝大多数工作都集中在具有螺旋波前的相位涡旋光束的多聚焦，这与具有偏振态非均匀而非相位不均匀的矢量光束不同。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种效率高、易加工、易集成的能够在太赫兹波段实现矢量光束多维度双聚焦的光学超表面。
技术方案：本发明的多维度双矢量光束聚焦的光学超表面，所述光学超表面具有全介质结构，包括结构单元和衬底；所述结构单元为介质基板上的单一介质棒，在xy平面内呈周期性排布；所述衬底为具有一定厚度的介质薄膜，不同位置处介质棒的尺寸与旋转角度不同。
进一步地，所述结构单元和衬底均为硅介质材料。
进一步地，所述结构单元的周期P的范围为130μm～160μm。
进一步地，所述介质棒的高度的范围为180μm～240μm。
进一步地，所述每一个结构单元均满足半波片的特性。
进一步地，所述光学超表面设定入射光的频率为1THz。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：该光学超表面可以在太赫兹波段实现两种不同类型矢量光束的多维度同时聚焦。依据类似的设计方法，可以通过调整结构的参数与旋转角度来灵活改变其工作波长。构成该超表面的结构单元在xy平面内呈周期性排列；每个结构单元由硅介质棒及下面的硅衬底组成。基于特定的排布规律，设计每一个单元结构的具体尺寸与旋转角度，实现期望的光束聚焦效果。在没有微纳结构的情况下，具有任意偏振方向的线性偏振光，在传输一定距离前后，始终会保持最初的均匀偏振态且始终保持波前相等即平面波。引入具有半波片特性的人工微纳结构之后，微纳结构与入射偏振光的相互作用导致偏振态排布不均匀且波前满足透镜聚焦相位。在入射光为x方向偏振光的情况下，既可以在沿着垂直于光束传播方向(横向方向) 上得到径向矢量光束与横向矢量光束的两个聚焦光斑，又可以在沿着光束传播方向(纵向方向)上同样得到两种不同类型的矢量光聚焦光斑。由于偏振依赖特性，仅通过正交切换入射光的偏振态就可以实现任意一种情况下的两束聚焦圆柱矢量光的切换，为实际光学操控提供了极大便利性。本发明所设计的超表面结构为全介质结构，与传统的金属等离激元结构相比，可以解决欧姆损耗的问题，大大提高系统的工作效率。除此之外，简单的棒子结构设计也降低了实验制作工艺难度。最重要的是，利用超表面产生聚焦矢量光的方法能解决传统延迟相位板，亚波长空间变化金属光栅与介质光栅方法的体积大、制造困难等问题。综上所述，该全介质光学超表面是一种实现高密度矢量光束多维聚焦的超透镜，具有低损耗、易加工、易集成等优点，在光学器件的研发中具有十分重要的应用。
附图说明
图1是本发明的单元结构的三维示意图；
图2是本发明中横向双聚焦矢量光束的系统示意图与此时超表面基元的具体排布方式；
图3是本发明中，横向双聚焦矢量光束系统在x偏振光入射下的模拟结果；
图4是本发明中纵向双聚焦矢量光束的系统示意图与此时超表面基元的具体排布方式；
图5是本发明中，纵向双聚焦矢量光束系统在x偏振光入射下的模拟结果；
图6是本发明中，纵向双聚焦矢量光束系统在y偏振光入射下的模拟结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明提出的是一种具有全介质硅微米结构的光学超表面，该结构在xy平面内呈周期性排列。其中每个位置处的微米硅棒结构都具有不同的尺寸与不同的旋转角度。如图1所示，该结构的结构单元为高度h＝200μm，长宽a、b的硅微米棒以及下面的硅介质基板组成，整个单元结构的周期p＝150μm。其中，棒子的旋转角度为θ。每一个单元结构都满足半波片的特性。偏振取向为x方向的入射线偏光与结构的相互作用会导致最终的透射光在初始线偏光的基础上附加一定的相位移动，该相位差由与棒子尺寸a、b相关的动态相位和与棒子旋转角度相关的几何相位共同决定。动态相位
Figure BDA0003431262430000031
满足聚焦相位条件，其中λ代表入射光波长，f是焦长，代表超表面与焦点(x1，y1，f)之间的距离。对于径向偏振光透射情况，棒子的旋转角度
Figure BDA0003431262430000032
对于角向偏振光透射情况，棒子的旋转角度
Figure BDA0003431262430000033
本发明所述多维矢量光束双聚焦超透镜，其英文全称为cylindrical vectorbeams multidimensional dual-focusing metalens。利用超表面解决了传统延迟相位板，亚波长空间变化金属光栅与介质光栅方法的体积大、制造困难等问题。用全介质材料替代了传统的等离激元超表面的金属材料，有效解决欧姆损耗的问题，提高系统的工作效率。结构的偏振依赖特性决定了仅通过正交切换入射光的偏振态就可以实现任意一种情况下的两束聚焦圆柱矢量光的切换，为实际的光学操控提供了极大便利性。因此，本发明所述多维矢量光束双聚焦超透镜是一种实现高密度矢量光束多维度同时聚焦的超透镜，具有低损耗、易加工、易集成等优点。
本发明所述多维矢量光束双聚焦超透镜，可以通过调整单元结构的尺寸与旋转角度，动态调整该超透镜的工作频率，也可以被拓展到高阶矢量光束的多通道多维聚焦系统，对高集成光学系统在偏振依赖光学通信、信息加密、成像等领域的潜在应用发挥重要的作用。
如图2所示，是横向双聚焦矢量光束的系统示意图与此时超表面基元的具体排布方式。其中，不同颜色超表面区域对应着不同的功能区，入射x偏振光经过超表面的蓝色(虚线框外)与粉色(虚线框内)区域，分裂为坐标(x1，0，f)与(x2，0，f)的两个圆柱矢量光束焦点，x1＝-500μm，x2＝500μm，分别满足角向偏振分布与径向偏振分布，焦长f＝1200μm。两个区域棒子的旋转角与动态相位满足各自的排布规律：角向矢量光斑 (x1，0，f)对应θa与
Figure BDA0003431262430000041
径向矢量光斑(x2，0，f)对应θr与
Figure BDA0003431262430000042
右边给出了超表面放大图，从中可以看出此时超表面基元的具体排布方式。图3是此时横向双聚焦矢量光束系统在x偏振光入射下的模拟结果。能清晰地看到，在垂直于入射光传播方向(横向x方向)，分布着两个矢量光束焦斑，且偏振分布情况分别是角向偏振分布(焦点x1)与径向偏振分布(焦点x2)。对于焦点x1，电场强度的x或y分量(|Ex|2或|Ey|2)分别沿着y 方向或x方向分布，证明了焦点的角向偏振排布。对于焦点x2，电场强度的x或y分量分别沿着x方向或y方向分布，证明了此时焦点的径向偏振排布。此外，图3(f)表明，对于电场强度的z向分量|Ez|2，径向矢量光束占主导，该分量可以被应用到太赫兹紧聚焦与光学捕获领域。
图4、5所示是纵向双聚焦矢量光束的系统示意图、纵向双聚焦超表面基元的具体排布方式以及该系统在x偏振光入射下的模拟结果。入射x偏振光经过超表面的粉色(虚线框内)与蓝色(虚线框外)区域，分裂为坐标(0，0，f1)与(0，0，f2)的两个圆柱矢量光束焦点，f1＝1200μm，f2＝3300μm，分别满足径向偏振分布与角向偏振分布。同样，图5(e)表明，此时的电场强度z向分量|Ez|2，也是由径向矢量光束占主导。结构的偏振依赖特性决定了仅通过正交切换入射光的偏振态就可以实现任意一种情况下的两束聚焦圆柱矢量光的切换。如图6所示，将x偏振入射光切换为y方向偏振入射光，原本的具有径向偏振与角向偏振的聚焦斑确实切换成了具有正交偏振方向的角向偏振与径向偏振的聚焦光斑。同上所述，图6(c-h)验证了这时聚焦光斑的偏振方向。
上述论证为太赫兹波段的超表面多维度双矢量光束聚焦，只需要对基本单元的尺寸参数以及旋转角度进行简单的调整，就可以把该系统的工作频率调整到其他的频率范围。此外，本发明还可以被拓展到更复杂矢量光束的多通道多维聚焦系统，本发明提出的光学超表面作为一种实现高密度矢量光束多维度同时聚焦的超透镜，在光学器件的研发中具有十分重要的应用。

Claims (6)

1.一种多维度双矢量光束聚焦的光学超表面，其特征在于，所述光学超表面具有全介质结构，包括结构单元和衬底；所述结构单元为介质基板上的单一介质棒，在xy平面内呈周期性排布；所述衬底为具有一定厚度的介质薄膜，不同位置处介质棒的尺寸与旋转角度不同。
2.根据权利要求1所述的多维度双矢量光束聚焦的光学超表面，其特征在于，所述结构单元和衬底均为硅介质材料。
3.根据权利要求1所述的多维度双矢量光束聚焦的光学超表面，其特征在于，所述结构单元的周期P的范围为130μm～160μm。
4.根据权利要求1所述的多维度双矢量光束聚焦的光学超表面，其特征在于，所述介质棒的高度h的范围为180μm～240μm。
5.根据权利要求1所述的多维度双矢量光束聚焦的光学超表面，其特征在于，所述每一个结构单元均满足半波片的特性。
6.根据权利要求1所述的多维度双矢量光束聚焦的光学超表面，其特征在于，所述光学超表面设定入射光的频率为1THz。
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