CN114594539B - 基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器及其光束产生方法 - Google Patents

基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器及其光束产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器及其光束产生方法，其中产生器二氧化硅衬底，衬底上设置有多个纳米柱，纳米柱呈矩阵式分布，所述的纳米柱的长度为Wx，所述的纳米柱的宽度为Wy，纳米柱的旋转角度为α；光束产生方法包括将光束产生器在圆偏振光的垂直入射下，生成椭圆艾里涡旋光束，通过控制纳米柱的几何尺寸和旋转角度来改变透射光场的极化转换率和透射率。本发明在二氧化硅衬底上排布多个单晶硅制成的纳米柱，构建出超表面器件，相对于传统的空间光调制器而言，该装置在可以产生符合预期的复杂光束的前提下，结构简单，更加轻量化和小型化，给实际应用中产生复杂光束带来方便。

Description

基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器及其光束产生方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器及其光束产生方法。
背景技术
涡旋光束是一种等相位面呈螺旋结构且携带轨道角动量的特殊光束，在光通信、粒子旋转和探测等方面也得到重大应用。艾里光束是自由空间中沿着弯曲路径传播的无衍射光束，其振幅强度满足粒子在重力的作用下做平抛运动所产生的抛物线形轨迹。此外，艾里光束还具有自愈特性，若在某个位置遮挡其主瓣,传输一定距离后,被遮挡的主瓣能够重新“长出”,这种奇异特性可以阻抗外界环境对它的破坏。艾里涡旋光束属于复杂光束范畴，具有很大的应用潜力，其中椭圆艾里涡旋光束可以自发形成易识别的拓扑荷数焦斑，因其具备圆形艾里涡旋光束的突然自聚焦性能和展现出独特的传输特性而应用于涡旋光束的拓扑荷数检测。椭圆艾里涡旋光束可以产生拓扑荷数焦斑，焦平面的亮斑个数比拓扑荷数多一个，其中两端的亮斑能量较高。由于这种特殊光束具有自动聚焦和携带涡旋特性，所以可以用在捕获粒子、TC检测及光学微操作等。在艾里涡旋光束的应用中，传统的产生艾里涡旋光束的方法一般通过使用空间光调制器来完成，但是现有的空间光调制器大多结构复杂，设备的体积较大，会给实际应用造成不便。
发明内容
本发明的目的在于，提供基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器及其光束产生方法。本发明在能够产生符合预期的椭圆艾里涡旋光束的前提下，结构更加简单，更加小型化和轻量化。
本发明的技术方案：基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器，包括二氧化硅衬底，衬底上设置有多个纳米柱，纳米柱呈矩阵式分布，所述的纳米柱的长度为Wx，所述的纳米柱的宽度为Wy，纳米柱的旋转角度为α；所述的矩形纳米柱长度设为Wx＝0.24μm，纳米柱的宽度Wy从0.34μm到0.43μm，且纳米柱的旋转角度α为0°到180°。
前述的基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器中，所述纳米柱的结构为长方体结构，纳米柱的晶格常数为P＝0.7μm，纳米柱的高度为H＝0.8μm。
前述的基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器中，所述衬底由多个衬底单元构成，每个衬底单元均为横截面为正方形的柱状结构。
前述的基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器中，对椭圆艾里涡旋光束的初始光场进行采样，确定振幅和相位，在纳米柱的宽度Wy从0.34μm到0.43μm变化时，且纳米柱的旋转角度α为0°到180°变化时，纳米柱得到0-1的振幅分布图以及0-2pi的相位分布图；再从振幅分布图和相位分布图得到任意振幅和相位所对应的纳米柱的相应Wy和α值。
基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器的光束产生方法，将光束产生器在圆偏振光的垂直入射下，生成椭圆艾里涡旋光束，通过控制纳米柱的几何尺寸和旋转角度来改变透射光场的极化转换率和透射率。
前述的基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生方法中，在椭圆艾里涡旋光束的自聚焦平面上，椭圆艾里涡旋光束的聚焦图案由原来的环形分裂成|m|+1个倾斜亮斑，且倾斜方向与拓扑荷数符号相关。
前述的基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生方法中，包括以下步骤：
S1：设计单个纳米柱的超原子结构：扫描纳米柱的原子的几何参数，确定纳米柱的长度Wx，使得T0＝Te＝1，其中T0为光沿寻常光轴的透射率，Te为光沿非寻常光轴的透射率，此时超原子对光的转换效率可以被认为是振幅，即其中ηconversion为转换效率，等效于振幅，k0是自由空间中的波矢量，d是光传播的距离，no是寻常折射率，ne是非寻常折射率，在纳米柱的长度Wx不变的前提下，改变纳米柱的几何形状，根据纳米柱的转换效率随着纳米柱的宽度Wy变化时的变化趋势，确定Wy的取值范围，引入纳米柱的旋转角度α，在纳米柱的宽度Wy在取值范围内变化的同时，改变纳米柱的旋转角度α，得出纳米柱的振幅对应的变化值；
S2：复现椭圆艾里涡旋光束的初始光场，即将搭建好的单个的纳米柱在衬底上排布成超表面阵列，定义初始光场的电场分布为其中Ai为艾里函数，w为椭圆艾里光束的尺度因子,α代表衰减因子,r0为参数，该参数和椭圆艾里光束初始平面主环的大小有关,m代表点涡旋的拓扑荷数,θ＝arctan(y/x)代表场点(x，y)的角坐标,并且0＜t＜1；
S3：产生并调控椭圆艾里涡旋光束：将初始光场照射在相位型超表面或者复振幅型超表面上调控并产生光束，其中，相位型超表面只调控初始光场的相位，复振幅型超表面同时调控初始光场的相位和振幅；
S4：对比与分析：分析S3中产生的两种光束的光强分布是否符合复杂光束椭圆艾里涡旋光束的光强分布，对比S3中产生的两种光束的光束仿真结果焦点与理论焦点位置的差异程度。
前述的基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生方法中，所述S3中的相位型超表面的相位分布满足其中/>是随机选择的参考相位。
前述的基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生方法中，所述S4中的理论焦点位置的公式为其中Zf是焦点位置，k是波矢量，w是椭圆艾里光束的尺度因子，c是光速。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过在二氧化硅衬底上排布多个单晶硅制成的纳米柱，构建出超表面器件，然后通过同时调控初始光场的相位和振幅或者仅调控相位来产生椭圆艾里涡旋光束，相对于传统的空间光调制器而言，该装置结构简单，更加轻量化和小型化，给实际应用中产生复杂光束椭圆艾里涡旋光束带来方便。
2、本发明通过设计了相位型超表面和复振幅型超表面，其中，相位型超表面由于仅需要对复杂光束椭圆艾里涡旋光束的初始光场的相位进行调控，从设计复杂性上相对简单，而且也能产生符合理论预期的结果，而复振幅型超表面产生的复杂光束椭圆艾里涡旋光束的聚焦位置更靠近理论值，并且产生的光束的聚焦深度也更大。
附图说明
图1是本发明中复振幅型超表面的结构示意图；
图2是本发明中纳米柱的散射效率(透射率)和转换效率随宽度Wy变化的示意图；
图3是本发明透射光场的振幅随着纳米柱宽度和旋转角度变化的示意图；
图4是本发明透射光场的相位随着纳米柱宽度和旋转角度变化的示意图；
图5是本发明中相位型超表面的结构示意图；
图6是本发明中相位型超表面上生成的复杂光束椭圆艾里涡旋光束初始光场的相位分布示意图；
图7是本发明中沿着光束传播方向提取出来的x-y平面相位分布仿真结果；
图8是本发明中相位型超表面产生的复杂光束圆型艾里涡旋光束的传播轨迹示意图；
图9是本发明中相位型超表面产生的光束焦点处的光强轮廓示意图；
图10是本发明中相位型超表面产生的光束焦点处的光强大小与位置关系的示意图；
图11是本发明中复振幅型超表面产生的复杂光束圆型艾里涡旋光束的传播轨迹示意图；
图12是本发明中复振幅型超表面产生的复杂光束圆型艾里涡旋光束的焦点处的光强分布示意图；
图13是本发明中复振幅型超表面产生的光束的焦点处的光强大小于位置关系的示意图；
图14是本发明中不同拓扑荷数的椭圆艾里涡旋光束汇聚处的光强分布情况。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器，其特征在于：包括二氧化硅衬底，所述衬底由多个衬底单元构成，每个衬底单元均为横截面为正方形的柱状结构，衬底上设置有多个纳米柱，纳米柱呈矩阵式分布，所述的纳米柱的长度为Wx，所述的纳米柱的宽度为Wy，纳米柱的旋转角度为α，所述纳米柱的结构为长方体结构，纳米柱的晶格常数为P＝0.7μm，纳米柱的高度为H＝0.8μm；所述的矩形纳米柱长度设为Wx＝0.24μm，纳米柱的宽度Wy从0.34μm到0.43μm，且纳米柱的旋转角度α为0°到180°。
对椭圆艾里涡旋光束的初始光场进行采样，确定振幅和相位，在纳米柱的宽度Wy从0.34μm到0.43μm变化时，且纳米柱的旋转角度α为0°到180°变化时，纳米柱得到0-1的振幅分布图以及0-2pi的相位分布图；再从振幅分布图和相位分布图得到任意振幅和相位所对应的纳米柱的相应Wy和α值。
基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生方法，将光束产生器在圆偏振光的垂直入射下，生成椭圆艾里涡旋光束，通过控制纳米柱的几何尺寸和旋转角度来改变透射光场的极化转换率和透射率；将光束产生器在圆偏振光的垂直入射下，生成椭圆艾里涡旋光束，在椭圆艾里涡旋光束的自聚焦平面上，椭圆艾里涡旋光束的聚焦图案由原来的环形分裂成|m|+1个倾斜亮斑，且倾斜方向与拓扑荷数符号相关。
上述方法包括以下步骤：
S1：设计单个纳米柱的超原子结构：扫描纳米柱的原子的几何参数，确定纳米柱的长度Wx，使得T0＝Te＝1，其中T0为光沿寻常光轴的透射率，Te为光沿非寻常光轴的透射率，此时入射光的振幅可以被认为是振幅，即其中ηconversion为转换效率，等效于振幅，k0是自由空间中的波矢量，d是光传播的距离，no是寻常折射率，ne是非寻常折射率，在纳米柱的长度Wx不变的前提下，改变纳米柱的几何形状，根据纳米柱的转换效率随着纳米柱的宽度Wy变化时的变化趋势，确定Wy的取值范围，如附图2所示，当纳米柱的转换效率在0-1变化时对应宽度从0.34μm到0.43μm取值变化，透射光通过纳米准原子表现出高透射率和偏振转换效率，其中偏振转化效率定义为/>引入纳米柱的旋转角度α，在纳米柱的宽度Wy在取值范围内变化的同时，改变纳米柱的旋转角度α，得出纳米柱的振幅和相位对应的变化值,如附图3和附图4所示，当Wy从0.34μm变化到0.46μm,纳米柱的超原子旋转角度α从0°变化到180°时，超原子的振幅变化范围为0到1，透射光的相位延迟足以覆盖整个2π区域，相位的变化范围为0到7π/3，其中Amplitude表示振幅，Phase表示相位；
S2：复现椭圆艾里涡旋光束的初始光场，即将搭建好的单个的纳米柱在衬底上排布成超表面阵列，定义初始光场的电场分布为其中Ai为艾里函数，w为椭圆艾里光束的尺度因子,α代表衰减因子,r0为参数，该参数和椭圆艾里光束初始平面主环的大小有关,m代表点涡旋的拓扑荷数,θ＝arctan(y/x)代表场点(x，y)的角坐标,并且0＜t＜1，本实施例中，设定r0＝15,t＝0.7,w＝2,x＝[-49,49],y＝[-49,49]，a＝0.1；
S3：产生并调控椭圆艾里涡旋光束：将初始光场照射在相位型超表面或者复振幅型超表面上调控并产生光束，其中，相位型超表面即只调控初始光场的相位，相位型超表面的相位分布满足其中/>是随机选择的参考相位，复振幅型超表面即同时调控初始光场的相位和振幅。
如附图5所示，附图5为相位型超表面的结构示意图，本实施例中，纳米柱的具体参数设置为Wx＝0.24μm，Wy＝0.42μm，根据上述参数设置，相位型超表面上生成的椭圆艾里涡旋光束初始光场的相位分布如附图6所示，相位型超表面上生成的椭圆艾里涡旋光束传播方向提取出来的x-y平面相位分布仿真结果如附图7所示。当t＝1，m＝1时，椭圆艾里涡旋光束的长短轴等长，变成圆艾里涡旋光束(特殊形式的椭圆艾里涡旋光束)。如附图8所示，表示相位型超表面产生的复杂光束椭圆艾里涡旋光束的传播轨迹示意图，如附图9所示，表示相位型超表面产生的光束是拓扑荷数为1的复杂光束圆艾里涡旋光束，圆艾里涡旋光束具有自聚焦的特性，由于其携带了涡旋角动量，所以光强分布在聚焦位置处呈现一种空心环的图案。
如附图1所示，附图1为复振幅型超表面的结构示意图，当t＝1，m＝1时，初始光场垂直入射到复振幅型超表面产生的圆型艾里涡旋光束的传播轨迹如附图11所示，该光束的焦点处的光强分布如附图12所示，当t＝0.7时，椭圆的长短轴长短变得不一致，附图14展示了拓扑荷数分别为±1、±2、±3以及±4的椭圆艾里涡旋光束在汇聚处的光强分布情况。通过观察可以发现沿着长轴方向有两个能量最高的点并且还有两个光强相对较大的“尾巴”向光场中心延伸。除此之外，随着拓扑荷数的提高，两个最大光强焦点中间会另外出现长条状的焦点，他们的个数与拓扑荷数的关系为|m|-1。拓扑荷数|m|越大，两个光强最大的焦点距离越远，焦平面光斑尺寸越大。即从整体上看，椭圆艾里涡旋光束的焦点越倾斜。焦斑倾斜的方向与m的符号有关，当拓扑荷数为正数时，焦斑自下而上向左倾斜，当拓扑荷数为负数时，焦斑自下而上向左倾斜。
S4：对比与分析：分析S3中产生的两种光束的光强分布是否符合椭圆艾里涡旋光束的光强分布，对比S3中产生的两种光束的光束仿真结果焦点与理论焦点位置的差异程度，理论焦点位置的公式为其中Zf是焦点位置，k是波矢量，w是椭圆艾里光束的尺度因子，c是光速，可见椭圆艾里涡旋光束的焦点位置与参数t无关，t＝1时椭圆艾里涡旋光束的焦点位置与t不等于1时完全一致。提取附图9中光束在初始平面沿x轴的光强分布曲线，如附图10所示，可以看出焦点中心处的光强并不为0，从圆型艾里涡旋光束的传播光场可以确定一般椭圆艾里涡旋光束的聚焦位置，相位型超表面产生的光束仿真结果焦点在/>处；提取附图12中光束焦点处的光强分布与位置之间的关系，如附图13所示，复振幅型超表面产生的光束的仿真结果焦点在/>处。
综上，对比两种不同调控方式的超表面器件，可以发现，相位型超表面由于仅需要对复杂光束的初始光场的相位进行调控，从设计复杂性上相对简单，而且也能产生符合理论预期的结果。复振幅型超表面由于设计时需要同时对复杂光束的初始光场的相位和振幅进行调控，相对于相位型超表面复杂性更高，但复振幅型超表面也具有以下优点，第一，复振幅型超表面产生的复杂光束椭圆艾里涡旋光束的聚焦位置更为靠近理论值；第二，复振幅型超表面产生光束的聚焦深度要大于纯相位型超表面。

Claims (6)

1.基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器的光束产生方法，其特征在于：包括二氧化硅衬底，衬底上设置有多个纳米柱，纳米柱呈矩阵式分布，所述的纳米柱的长度为Wx，所述的纳米柱的宽度为Wy，纳米柱的旋转角度为α；所述的纳米柱长度设为Wx＝0.24μm，纳米柱的宽度Wy从0.34μm到0.43μm，且纳米柱的旋转角度α为0°到180°；将光束产生器在圆偏振光的垂直入射下，生成椭圆艾里涡旋光束，通过控制纳米柱的几何尺寸和旋转角度来改变透射光场的极化转换率和透射率；在椭圆艾里涡旋光束的自聚焦平面上，椭圆艾里涡旋光束的聚焦图案由原来的环形分裂成|m|+1个倾斜亮斑，且倾斜方向与拓扑荷数符号相关；
S1：设计单个纳米柱的超原子结构：扫描纳米柱的原子的几何参数，确定纳米柱的长度Wx，使得T0＝Te＝1，其中T0为光沿寻常光轴的透射率，Te为光沿非寻常光轴的透射率，此时超原子对光的转换效率可以被认为是振幅，即其中ηconversion为转换效率，等效于振幅，k0是自由空间中的波矢量，d是光传播的距离，no是寻常折射率，ne是非寻常折射率，在纳米柱的长度Wx不变的前提下，改变纳米柱的几何形状，根据纳米柱的转换效率随着纳米柱的宽度Wy变化时的变化趋势，确定Wy的取值范围，引入纳米柱的旋转角度α，在纳米柱的宽度Wy在取值范围内变化的同时，改变纳米柱的旋转角度α，得出纳米柱的振幅对应的变化值；
S2：复现椭圆艾里涡旋光束的初始光场，即将搭建好的单个的纳米柱在衬底上排布成超表面阵列，定义初始光场的电场分布为其中Ai为艾里函数，w为椭圆艾里光束的尺度因子,α代表衰减因子,r0为参数，该参数和椭圆艾里光束初始平面主环的大小有关,m代表点涡旋的拓扑荷数,θ＝arctan(y/x)代表场点(x，y)的角坐标,并且0＜t＜1；
S3：产生并调控椭圆艾里涡旋光束：将初始光场照射在相位型超表面或者复振幅型超表面上调控并产生光束，其中，相位型超表面即只调控初始光场的相位，复振幅型超表面即同时调控初始光场的相位和振幅；
S4：对比与分析：分析S3中产生的两种光束的光强分布是否符合复杂椭圆光束艾里涡旋光束的光强分布，对比S3中产生的两种复杂光束的光束仿真结果焦点与理论焦点位置的差异程度。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器的光束产生方法，其特征在于：所述纳米柱的结构为长方体结构，纳米柱的晶格常数为P＝0.7μm，纳米柱的高度为H＝0.8μm。
3.根据权利要求1所述的基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器的光束产生方法，其特征在于：所述衬底由多个衬底单元构成，每个衬底单元均为横截面为正方形的柱状结构。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器的光束产生方法，其特征在于：对椭圆艾里涡旋光束的初始光场进行采样，确定振幅和相位，在纳米柱的宽度Wy从0.34μm到0.43μm变化时，且纳米柱的旋转角度α为0°到180°变化时，纳米柱得到0-1的振幅分布图以及0-2pi的相位分布图；再从振幅分布图和相位分布图得到任意振幅和相位所对应的纳米柱的相应Wy和α值。
5.根据权利要求1所述的基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器的光束产生方法，其特征在于：所述S3中的相位型超表面的相位分布满足其中 是随机选择的参考相位。
6.根据权利要求1所述的基于超表面的椭圆艾里涡旋光束产生器的光束产生方法，其特征在于：所述S4中的理论焦点位置的公式为其中Zf是焦点位置，k是波矢量，w是椭圆艾里光束的尺度因子，c是光速。
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CN111766647A (zh) * 2020-06-30 2020-10-13 上海理工大学 一种基于超表面的艾里光束发生器
CN113193349A (zh) * 2021-04-26 2021-07-30 北京理工大学 基于超颖表面产生实空间与k空间艾里光束阵列的方法
CN114089539A (zh) * 2021-11-01 2022-02-25 常州工学院 一种基于复合相位调控的双完美涡旋光束超表面设计方法
CN114114473A (zh) * 2021-11-16 2022-03-01 郑州航空工业管理学院 一种基于相变材料的可任意偏振动态可调谐的双模同时聚焦的超构透镜

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