CN114994930A - 一种基于多圈螺旋线形纳米槽结构的涡旋光束生成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多圈螺旋线形纳米槽结构的涡旋光束生成器，包括衬底以及形成于衬底上的微纳结构，其中，微纳结构被构造为具有M圈连续的螺旋线形的纳米槽微结构，M≥3；工作波长范围内的入射光垂直入射所述涡旋光束生成器，透过纳米槽微结构后在菲涅尔远场区域通过干涉形成具有长焦深的级联式连续拓扑荷数的涡旋光束。本发明所公开的涡旋光束生成器可在宽波带下工作，生成级联式连续阶数的涡旋光束，还可通过改变入射波长或焦平面位置，灵活调节所产生涡旋光束的阶数，且产生的各阶涡旋光束都具有长焦深。

Description

一种基于多圈螺旋线形纳米槽结构的涡旋光束生成器

技术领域

本发明属于微纳光学器件技术领域，具体涉及一种基于多圈螺旋形纳米槽结构的涡旋光束生成器。

背景技术

携带轨道角动量的涡旋光束的独特光学特性激发了各种先进的应用，如微纳粒子操纵、传感与探测、高维光通信、光学计量、显微成像等。传统上，产生涡旋光束的器件有螺旋相位板、叉形光栅、和空间光调制器等。但这些器件通常单一器件只能产生某一特定阶数的涡旋光束，且工作带宽较窄。因此不能满足需要多个不同阶数涡旋光束的应用场合以及一些需要宽波段工作波长的场景。此外，这些器件尺寸较大，不利于系统的小型化和集成化发展。

近年来，超表面光学器件的出现为器件的小型化和集成化带来了新的机遇，通过在亚波长尺度调节光的振幅、相位、偏振等特性，从而实现波前的任意调控。基于超表面的涡旋光束生成器的设计通常分为两步：首先，通过设计对入射光产生0～2π梯度相位响应的微纳单元结构；然后，对这些微纳单元结构进行特定排布从而在在菲涅尔远场累积需要的相位分布。然而，基于这种超表面的涡旋光束生成器的加工制备依赖于昂贵的多步骤纳米制造技术，如电子束光刻或聚焦离子束等，其制造时间根据其结构复杂性通常需要数小时甚至几天，不利于量产化。

此外，无论是利用传统器件(如螺旋相位板、空间光调制器)还是利用超表面产生涡旋光束，设计者通常采用单圈螺旋线形的相位或振幅排布，从而形成涡旋光束。然而，这种方法形成的涡旋光束往往焦深较短，或在形成涡旋光束后立即发散。而在实际应用中，如捕获微小粒子和显微成像中，需要无衍射涡旋光束。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一基于多圈螺旋形纳米槽结构的涡旋光束生成器，该涡旋光束生成器的结构同时结合了螺旋线形纳米槽以及菲涅尔波带片两种结构，从而可以产生具有长焦深的级联式连续阶数的涡旋光束。该涡旋透镜可在宽波带下工作，且可通过改变入射波长或焦平面位置，方便地调节所产生涡旋光束的阶数。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于多圈螺旋线形纳米槽结构的涡旋光束生成器，其特征在于，包括衬底，以及形成于衬底上的微纳结构；所述微纳结构被构造为具有M圈连续的螺旋线形的纳米槽微结构，所述M≥3；工作波长范围内的入射光垂直入射所述涡旋光束生成器，透过纳米槽微结构后在菲涅尔远场区域通过干涉形成具有长焦深的级联式连续拓扑荷数的涡旋光束；所述螺旋线的公式为：

式中，θ∈[0,M·2π]，r₀＜＜z₀，式中，θ为螺旋线的方位角，r₀为螺旋线的起始半径，λ₀为预设工作波长，l₀为预设螺旋线的拓扑荷数，z₀表示预设聚焦面距所述微纳结构在光的传播方向上的距离，r_θ为方位角θ对应的螺旋线半径，M为螺旋线的圈数。

作为一种优选方案，所述入射光的波长为预设工作波长λ₀时，在一系列预设聚焦面z₀/n 处分别得到阶数l＝n的涡旋光束；在工作波长范围内，若改变入射光的波长为λ，则在距所述微纳结构z＝λ₀z₀/nλ处分别得到阶数l＝n的涡旋光束，n＝1,2,3,4,5…。

作为一种优选方案，所述微纳结构中纳米槽微结构之外的区域的透光率不大于5％。

作为一种优选方案，所述微纳结构采用金、银、铝、铬中的任意一种金属材料制作；所述微纳结构的厚度为50～200nm。

作为一种优选方案，所述微纳结构采用还原氧化石墨烯制作；所述微纳结构的厚度为 1000±50nm。

作为一种优选方案，所述纳米槽的宽度为0.5～2倍工作波长。

作为一种优选方案，所述3≤M≤40。

作为一种优选方案，所述衬底在工作波长范围内的透光率不小于95％。

作为一种优选方案，所述衬底选用玻璃、氧化铝或透明树脂材料制作。

本发明所公开的基于多圈螺旋线形纳米槽结构的涡旋光束生成器及其任意一种优选方案，所述工作波长范围涵盖紫外、近红外和可见光三个波段。

本发明具有以下有益效果：

(1)提出一种基于多圈螺旋形纳米槽结构的涡旋光束生成器，该涡旋光束生成器可以产生级联式连续多阶涡旋光束，且产生的涡旋光束具有长焦深的特点。

(2)相比于现有的涡旋光束发生器设计方案，本发明通过单一结构同时结合了单圈螺旋线形涡旋光束生成器和菲涅尔波带片两种器件的特点，并且，本发明可在宽波带下工作，且其生成的涡旋光束的阶数可以随工作波长以及汇聚面位置灵活动态调控。

(3)本发明所公开的涡旋光束生成器的工作波长范围同时涵盖了紫外、可见光以及近红外三个波段。

(4)本发明只需要在工作波长范围内不透光的材料(例如，金膜、银膜、还原氧化石墨薄膜等)上刻槽即可实现，相比于基于相位调控型的微纳结构涡旋光束发生器，本发明仅通过透光以及不透光的“0”、“1”二元状态即可实现，无需依赖微纳元结构进行精确相位调控，因此具有更强的鲁棒性，且加工更简便。

(5)本发明可通过激光直写进行加工制备，与基于超表面的涡旋光束生成器相比，制备加工简便，且适合量产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：基于多圈螺旋线纳米槽的涡旋光束生成器的正视图。

图2：基于多圈螺旋线纳米槽的涡旋光束生成器的侧视图。

图3：该涡旋光束生成器在633nm入射光下各个聚焦面的仿真强度以及相位分布图。

图4：(a)该涡旋光束生成器在633nm入射光下xz平面的仿真强度分布图；(b)该涡旋光束生成器生成的1到10阶涡旋光束非衍射区域的强度分布图。

图5：还原氧化石墨烯涡旋光束生成器样品的扫描电子显微镜图。

图6：由光学轮廓仪测出的还原氧化石墨烯涡旋光束生成器样品的表面形态图以及对应位置的横断面深度图。

图7：不同波长入射光照射下在不同位置测得的还原氧化石墨烯涡旋光束生成器样品生成的干涉图样；

附图标注：1-衬底，2-还原氧化石墨烯薄膜，3-螺旋线形槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明提供一种基于多圈螺旋线形纳米槽结构的涡旋光束生成器，该涡旋光束生成器的结构同时结合了螺旋线形槽和菲涅尔透镜的特点，从而能够生成多个连续阶数的长焦深涡旋光束。该涡旋光束生成器可在宽波带范围内工作，具体包括紫外、可见光以及近红外波段。与此同时，该涡旋光束生成器可从多维度进行动态调控，且加工简便，适于量产。

本发明所公开的多圈螺旋线形槽涡旋光束生成器主要分为两部分，即螺旋线形槽部分和无槽部分。当入射光照射到该涡旋光束生成器的无槽部分时，入射光被吸收或反射，不会对在菲涅尔远场造成影响。因而，只有通过有槽部分的光才会透射出去，并在在菲涅尔远场进行干涉从而生成涡旋光束。

本发明所公开的多圈螺旋线形槽涡旋光束生成器可在特定宽波段内工作，具体工作波长范围(也可称“工作波段”)涉及紫外、近红外和可见光波段。在相应工作波段内，所选择的材料需要在该工作波段内表现为不透光(透光率小于5％)，即对该工作波段的光具有吸收强、损耗高的特点。以金属为例，可选用金、银、铝、铬等，相应涡旋光束生成器厚度在50～200nm。以二维材料为例，可选用还原氧化石墨烯等，相应涡旋光束生成器厚度在1000±50nm左右。上述涡旋光束生成器对应厚度的设计，既可以保证涡旋光束生成器没有槽的地方都不透光，还可以保证加工的便利性。进一步，为了在尽可能优化器件效率的情况下同时确保来自纳米槽同一方位角方向上的光到聚焦面的最大相位差可以忽略不计，涡旋光束生成器上纳米槽的宽度(即螺旋线狭缝的宽度)通常为0.5～2倍工作波长，且宽度保持一致。所选衬底材料尽量在相应工作波段内表现为透明材料，即在工作波段具有损耗低、吸收少的特点，例如，透明的树脂、玻璃、氧化铝等。

需要说明的是，本发明中螺旋线的线形使用的是多圈费马螺旋线，具体公式为：

θ∈[0,M·2π](M≥3,r₀＜＜z₀)，式中，θ为费马螺旋线的方位角，r₀为费马螺旋线的起始半径，λ₀为预设工作波长，l₀为预设费马螺旋线的拓扑荷数，z₀表示预设聚焦面距所述微纳结构在光的传播方向上的距离，M为螺旋线的圈数。

本发明通过选择依据该公式形成的纳米槽微结构设计，能实现透过该螺旋线狭缝结构的波长为λ₀的光可以在在菲涅尔远场z₀处累积l₀·2π的相位差，从而生成阶数为l₀的涡旋光束，并且，透过该螺旋线狭缝结构的光会在传播方向上保持螺旋形的波前相位。即对于给定公式 F(θ)，在波长λ₀的光的入射下，沿传播方向在菲涅尔在菲涅尔远场距离内任一点z，都会积累 l₀z₀/z·2π的相位差，当z₀/z为整数时，即形成阶数为l₀·z₀/z的涡旋光束。

然而单圈费马螺旋线槽生成的涡旋光束具有不稳定性，即所生成的涡旋光束都是生成即发散。因此，我们将单圈费马螺旋线形槽延伸至M(M≥3)圈，形成类非对称光栅形态。当单圈费马螺旋线形槽延伸至多圈后，该结构可以从解析上分解成单圈费马螺旋线形槽以及菲涅尔波带片的结合，从而生成具有长焦深的级联式连续整数阶的涡旋光束。理论上，随着M 增加，器件的效率也会随之增大，但随着M增大，生成的涡旋光束的焦深也会随之减小，因此出于实际需求和加工成本的考虑，通常设置M在40以内。

为使本发明的技术方案能够更加易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

图1和图2示出的我们所设计的一种还原氧化石墨烯涡旋光束生成器(简称“该涡旋光束生成器”)，采用如下参数设计，即，费马螺旋线的起始半径r₀＝10μm，预设工作波长λ₀＝633nm，预设费马螺旋线的拓扑荷数为l₀＝1，预设聚焦面距离所述微纳结构在光的传播方向上的距离为z₀＝3600μm，预设螺旋线的圈数为M＝8。该微纳结构所用的材料为还原氧化石墨烯，厚度为1μm，纳米槽的宽度为400nm。当波长为λ₀＝633nm的光入射到该涡旋光束生成器上时，我们可以分别在z₀,

处得到l＝1,2,3,…,10的涡旋光束，如图3 所示。图4展示了该涡旋光束生成器在633nm入射光下xz平面的仿真强度分布图，如图所示，该涡旋光束生成器的衍射场呈现一种级联式涡旋光束，且得到的不同阶数的涡旋光束都有长焦深。

为了进一步验证本发明所设计的涡旋光束生成器的功能，我们利用还原氧化石墨烯制作了还原氧化石墨烯涡旋光束生成器样品(简称“样品“)。为了从干涉图样上直接读取所生成涡旋光束的阶数，我们在样品中间打了一个半径为10μm的小孔，这样从小孔透射出来的球面波与从纳米槽透射出来形成的涡旋光束相互干涉作用，通过其衍射图样上弯曲的“臂”的数量，即可直接读出该涡旋光束的阶数，可参见图5所示的该涡旋光束生成器的扫描电子显微镜图。从图6可以看出，我们制备的样品各个尺寸参数与设计基本一致。

为了验证样品可从多维度灵活调节，实验中，我们分别用不同波长的入射光照射样品，并在相应的聚焦面附近捕获其强度分布图。选取不同波长入射样品时，获取的阶数为5的一系列涡旋光束干涉图样，参见图7所示，实验结果证明通过调控入射波长和汇聚位置，我们可以灵活调控该涡旋光束生成器生成的涡旋光束的阶数。

上述的还原氧化石墨烯涡旋光束生成器样品可采用以下方法制成：

首先通过氧化石墨烯水溶液真空过滤法制备1μm厚的氧化石墨烯薄膜，覆盖在玻璃基板上；然后采用改进的Hummers法对石墨进行化学氧化，合成氧化石墨烯水相分散体；再将其在卤化试剂(如氢碘酸、氢溴酸等)中、-5到140℃的温度范围内浸泡10秒～24小时，取出干燥后即可制成还原氧化石墨烯薄膜。再采用商业激光纳米打印装置(InnofocusPhotonics Technology Pty.Ltd.)通过飞秒激光器(Libra，800nm波长，100fs脉冲，10kHz重复频率)一步制成8圈连续的螺旋线形的纳米槽微结构。在激光刻蚀过程中，可利用计算机控制系统控制激光刻蚀过程的参数，具体参数如下：扫描速度为100μm/s，由此可保证线的平滑加工；激光焦斑的半高宽(FWHM)为600nm，由此可保证较高的分辨率；激光功率为100μW。当然制备样品所采用的工艺并不限于以上所述，例如，也可采用电子书光刻，聚焦离子束等技术来实现，但这并非本发明的重点，此处不再赘述。

最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多圈螺旋线形纳米槽结构的涡旋光束生成器，其特征在于，包括衬底以及形成于衬底上的微纳结构；所述微纳结构被构造为具有M圈连续的螺旋线形的纳米槽微结构，所述M≥3；工作波长范围内的入射光垂直入射所述涡旋光束生成器，透过纳米槽微结构后在菲涅尔远场区域通过干涉形成具有长焦深的级联式连续拓扑荷数的涡旋光束；

所述螺旋线的公式为：

式中，θ∈[0,M·2π]，r₀＜＜z₀，式中，θ为螺旋线的方位角，r₀为螺旋线的起始半径，λ₀为预设工作波长，l₀为预设螺旋线的拓扑荷数，z₀表示预设聚焦面距所述微纳结构在光的传播方向上的距离，rθ为方位角θ对应的螺旋线半径，M为螺旋线的圈数。

2.如权利要求1所述的涡旋光束生成器，其特征在于，所述入射光的波长为预设工作波长λ₀时，在一系列预设聚焦面z₀/n处分别得到阶数l＝n的涡旋光束；在工作波长范围内，若改变入射光的波长为λ，则在距所述微纳结构z＝λ₀z₀/nλ处分别得到阶数l＝n的涡旋光束，n＝1,2,3,4,5…。

3.如权利要求1所述的涡旋光束生成器，其特征在于，所述微纳结构中纳米槽微结构之外的区域的透光率不大于5％。

4.如权利要求3所述的涡旋光束生成器，其特征在于，所述微纳结构采用金、银、铝、铬中的任意一种金属材料制作；所述微纳结构的厚度为50～200nm。

5.如权利要求3所述的涡旋光束生成器，其特征在于，所述微纳结构采用还原氧化石墨烯制作；所述微纳结构的厚度为1000±50nm。

6.如权利要求1所述的涡旋光束生成器，其特征在于，所述纳米槽的宽度为0.5～2倍工作波长。

7.如权利要求1所述的涡旋光束生成器，其特征在于，所述3≤M≤40。

8.如权利要求1所述的涡旋光束生成器，其特征在于，所述衬底在工作波长范围内的透光率不小于95％。

9.如权利要求8所述的涡旋光束生成器，其特征在于，所述衬底选用玻璃、氧化铝或透明树脂材料制作。

10.如权利要求1至9任意一项所述的涡旋光束生成器，其特征在于，所述工作波长范围涵盖紫外、近红外和可见光三个波段。

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