CN114815274B - 一种局部可控近场的光学旋涡生成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种局部可控近场的光学旋涡生成系统，包括衬底模块、波导传播模块、光源模块与元件模块；所述波导传播模块由两个正交的波导组成，所述波导传播模块设置于衬底模块的顶部，所述波导传播模块顶部设置有一层薄膜层；所述光源模块，用于输出四束相干光；光源模块通过光学引导件将四束相干光分别输入到波导传播模块四个端口的中心处；所述元件模块设置于薄膜层正交处的中央位置；本发明通过合理的结构设置使得电磁波被电介质表面的全内反射限制在电介质的内部，生产光学漩涡的转换效率高，适宜进一步推广应用。

Description

一种局部可控近场的光学旋涡生成系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种局部可控近场的光学旋涡生成系统。
背景技术
光学漩涡是一种可携带轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)信息、并具备螺旋型相位波前的结构光束。这种光束具有独特的动力学特性，拓扑结构和OAM特性，通过这些性质，人们可以更加灵活地对光进行驾驭，其应用领域包含光学通信、激光探测与测距系统、光镊与粒子捕获、超分辨成像、生物医学与化学检测等。作为一种具有更加优异性能和指标的独特光源，近年来，光学漩涡被全面推广到几乎所有的光学的前沿领域。
目前的光学漩涡的产生方法有计算机全息法，螺旋相位板法，以及空间光调制器转换法等。这些传统方法具备单条或多条下述的缺点：工艺复杂，元件精度要求较高，后续调整不灵活等。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种局部可控近场的光学旋涡生成系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种局部可控近场的光学旋涡生成系统，包括衬底模块、波导传播模块、光源模块与元件模块；
所述波导传播模块由两个正交的波导组成，所述波导传播模块设置于衬底模块的顶部，所述波导传播模块顶部设置有一层薄膜层；
所述光源模块，用于输出四束相干光；
光源模块通过光学引导件将四束相干光分别输入到波导传播模块四个端口的中心处；
所述元件模块设置于薄膜层正交处的中央位置。
进一步的，所述衬底模块与薄膜层均为SiO2材质。
进一步的，所述衬底模块呈长方体，其长度为10μm-20μm，宽度为10μm-20μm，厚度为1μm-5μm；所述薄膜层的厚度为0-0.1μm。
进一步的，所述波导可选用矩形波导、平行双导线、同轴线、平行平板波导、圆波导、微带线、平板介质光波导、光纤等中的任意一种；所述矩形波导的长度与衬底模块长度相同，宽度尺寸为0.2μm-1μm，厚度尺寸为0.15μm-0.5μm。
进一步的，所述波导材料选用Si3N4、LiNbO3、InP、Si、高分子材料等材料中的任意一种。
进一步的，所述光源模块通过波阵面分割法或振幅分割法等制得四束相干光，四束相干光的相位差为π/2。
优选的，该系统还包括光相位调制器，所述光源模块通过光相位调制器与光学引导件将四束相干光分别输入到波导传播模块四个端口的中心处。
优选的，所述光学引导件选用光纤。
进一步的，所述元件模块的材料选用Au、Ag、Al等金属材料中的任意一种。
进一步的，所述元件模块呈圆柱形，其高度为10-100nm，半径尺寸为25nm-100nm。
本发明的有益效果在于：
1)本专利提供了一种可调控近场的光学漩涡的产生系统，系统中元件的材质、尺寸、形状可进行调整灵活度高。
2)本发明的波导结构使得电磁波被电介质表面的全内反射限制在电介质的内部，生产光学漩涡的转换效率高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；(图中箭头代表波导传输模块入射光方向)
图2为本发明中a部位的放大图；
图3为实施例1光学漩涡产生系统不同部位的近场场强|E|^2图；(图中3.1-3.4依次为中心区域，在波导内部，在波导的上层的薄膜内部，在Au元件内部，在Au元件上方所观察的近场场强|E|^2图。)
图4为实施例1光学漩涡产生系统传播到1m处远场的强度|E|^2图以及远场的复数矢量场分量Es实部和Ep实部图；(其中，图4.1为传播到1m处远场的强度|E|^2图；图4.2为远场的复数矢量场分量Es实部图；图4.3为Ep实部图。)
图5为图4中远场Es，Ep的相位图。(其中，5.1为远场Es的相位图；5.2为远场Ep的相位图。)
图6为波阵面分割法制备相干光的示例图。
附图中标号名称如下：
运输箱-1；波导传播模块-2；薄膜层-3；元件模块-4。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
参照附图1-2，本发明提供了一种局部可控近场的光学旋涡生成系统，包括衬底模块1、波导传播模块2、光源模块与元件模块4；波导传播模块2由两个正交的波导组成，波导材料选用Si3N4、LiNbO3、InP、Si、高分子材料等导波材料中任意一种；且波导可选用常见的波导结构如：矩形波导、平行双导线、同轴线、平行平板波导、圆波导、微带线、平板介质光波导、光纤中的任意一种。矩形波导的长度与衬底模块长度相同，宽度尺寸为0.2μm-1μm，厚度尺寸为0.15μm-0.5μm。
波导传播模块2紧密接触设置于衬底模块1的顶部，波导传播模块2顶部设置有一层薄膜层3；其中衬底模块1与薄膜层3均为SiO2材质，SiO2是工业研究等所采用的波导模块常见的衬底材料。衬底模块呈长方体，其长度为10μm-20μm，宽度为10μm-20μm，厚度为1μm-5μm；薄膜层3的厚度为0-0.1μm。
光源模块通过波阵面分割法、振幅分割法等常见的相干光制备方法制得四束相干光，四束相干光的相位差为π/2；即可以设置四束光的相位为0，π/2，π，3π/2。光源模块通过光学引导件将四束相干光分别输入到波导传播模块2四个末端的中心处，且光学引导件与波导的端口处紧密连接；其中，光学引导件可选用光纤。
元件模块4紧密贴合设置于薄膜层3正交处的中央位置。元件模块4的材料选用Au、Ag、Al等金属材料中任意一种。元件模块4优选为圆柱形，其高度为10-100nm，半径尺寸为25nm-100nm。
实施例1
本实施例提供的可用来产生光学漩涡的系统，包括衬底模块、波导传播模块、光源模块、元件模块。衬底模块为SiO2材料，呈长方体，尺寸为10μm·10μm·1μm(长宽高)。波导传播模块由两个正交的Si3N4材质的矩形波导组成，本实施例中两矩形波导的中部位置进行正交，矩形波导的尺寸为10μm·0.44μm·0.2μm(长宽高)，波导传播模块设置于衬底模块上方，衬底模块与波导模块的两条Si3N4矩形波导的下表面紧密接触，在两个矩形波导的上层另有长宽与波导相同，厚度为0.02μm的薄膜层，薄膜层的材质为SiO2，同上述衬底材料；SiO2薄膜层下表面与波导模块上表面紧密接触。上述的波导传输模块作为一种定向引导结构，使得光源模块产生的电磁波被电介质表面的全内反射限制在电介质的内部。光源模块通过波阵面分割法制得的四束相干光，四束相干光的波长范围介于700-900nm之间，四束相干光的强度为1且四束光的相位差为π/2；四束相干光的相位分别为0，π/2，π，3π/2。制备得到的四束相干光通过光学引导件-光纤，输入到波导传输模块末端四个端口的中心处；其中，光学引导件与矩形波导的末端端口紧密连接。元件模块为高度40nm，半径为50nm的圆柱形Au元件，Au元件设置在两条波导的相交中心处，且Au元件的下端与波导上层的SiO2薄膜层上端紧密接触。
工作原理：
本实施例采用波阵面分割法制备四束相干光。波阵面分割法为常见的相干光制备方法；具体原理如下：
参照附图6所示，其中S是一线光源，其长度方向与纸面垂直。它发出的光是单色光，波长为入。G是一遮光屏，其上开有两条平行的细缝S1和S2。图中画的S1和S2离光源S等远，S1和S2之间的距离为d。H是一个与G平行的白屏，它与G的距离为D。(D远大于d)，由光源S发出的光的波阵面同时到达S1和S2。通过S1和S2的光发生衍射现象而叠加在一起。由于S1和S2是由S发出的同一波阵面的两部分，所以这种产生光的干涉的方法叫做波阵面分割法。通过该种方法的再次使用，可得到四束相干光源作为光源模块，制备得到的四束相干光通过光学引导系统分别布置在上述波导传输模块的两条矩形波导四个端口中心处。
波导传播模块作为一种定向引导结构，使得光源模块产生的电磁波被电介质表面的全内反射限制在电介质的内部，故波导内电磁波应满足下述的亥姆霍兹方程。
Figure BDA0003621239230000061
在后续的计算中满足相关的传播模式，光束沿着波导的传播模块传播。四束光在中心点处相遇，两两相干光叠加干涉满足下述叠加公式，其中I1和I2是相干光E1和E2的光强,ΔΦ是E1和E2的振动相位差。
Figure BDA0003621239230000062
经过叠加后，在Au元件处光束沿着z轴向上进行传播，在Au元件上表层所观察的近场场强|E|^2图如图3.4所示。
后续的传播即处于x，y轴的原点位置，z轴从Au元件的上表面位置沿着z轴的正方向向上传播，其中某一截面的相位图，如图5.1所示(该图为z＝+1m的远场圆周)，详细的过程，即沿着z的传播方向上，中心始终存在相位奇点，光束仿佛符合一种螺旋前进的过程；即光学漩涡光束的制备成功。
实施例2
本实施例提供的可用来产生光学漩涡的系统与实施例1基本相同，不同之处在于，该系统还包括光相位调制器，光源模块通过光相位调制器与光学引导件将四束相干光分别输入到波导传播模块2四个端口的中心处。即光源模块输出的四束相干光通过光相位调制器进一步调节相位，使四束光相位差为π/2；即四束相干光的相位分别为0，π/2，π，3π/2。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种局部可控近场的光学旋涡生成系统，其特征在于，包括衬底模块（1）、波导传播模块（2）、光源模块与元件模块（4）；
所述波导传播模块（2）由两个正交的波导组成，所述波导传播模块（2）设置于衬底模块（1）的顶部，所述波导传播模块（2）顶部设置有一层薄膜层（3）；
所述光源模块，用于输出四束相干光；
光源模块通过光学引导件将四束相干光分别输入到波导传播模块（2）四个端口的中心处；
所述元件模块（4）设置于薄膜层（3）正交处的中央位置；
所述光源模块通过波阵面分割法或振幅分割法制得四束相干光，四束相干光的相位差为π/2。
2.根据权利要求1所述的一种局部可控近场的光学旋涡生成系统，其特征在于，所述衬底模块（1）与薄膜层（3）均为SiO2材质。
3.根据权利要求1所述的一种局部可控近场的光学旋涡生成系统，其特征在于，所述衬底模块呈长方体，其长度为10μm-20μm，宽度为10μm-20μm，厚度为1μm-5μm；所述薄膜层（3）的厚度为0-0.1μm。
4.根据权利要求1所述的一种局部可控近场的光学旋涡生成系统，其特征在于，所述波导选用矩形波导、平行双导线、同轴线、平行平板波导、圆波导、微带线、平板介质光波导、光纤中的任意一种；所述矩形波导的长度与衬底模块长度相同，宽度尺寸为0.2μm-1μm，厚度尺寸为0.15μm-0.5μm。
5.根据权利要求1所述的一种局部可控近场的光学旋涡生成系统，其特征在于，所述波导材料选用Si3N4、LiNbO3、InP或Si中任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种局部可控近场的光学旋涡生成系统，其特征在于，还包括光相位调制器，所述光源模块通过光相位调制器与光学引导件将四束相干光分别输入到波导传播模块（2）四个端口的中心处。
7.根据权利要求1或6所述的一种局部可控近场的光学旋涡生成系统，其特征在于，所述光学引导件选用光纤。
8.根据权利要求1所述的一种局部可控近场的光学旋涡生成系统，其特征在于，所述元件模块（4）的材料选用Au、Ag、Al中任意一种。
9.根据权利要求1所述的一种局部可控近场的光学旋涡生成系统，其特征在于，所述元件模块（4）呈圆柱形，其高度为10nm-100nm，半径尺寸为25nm-100nm。
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