本發(fā)明屬于光學(xué)和光電技術(shù)領(lǐng)域，涉及光場(chǎng)偏振調(diào)制、納米操縱、表面等離子體激發(fā)，特別是一種產(chǎn)生局域復(fù)合偏振光場(chǎng)的新型的海豚形元胞圓陣列超表面。

背景技術(shù)：

當(dāng)光通過具有亞波長(zhǎng)特征的結(jié)構(gòu)材料時(shí)，其傳播常數(shù)可以取決于其偏振狀態(tài)，即使其所有成分都是光學(xué)各向同性的。目前已有許多種類的亞波長(zhǎng)尺度光學(xué)器件被設(shè)計(jì)出來，其可以調(diào)控光場(chǎng)的偏振態(tài)，即自旋角動(dòng)量。同時(shí)，與光場(chǎng)空間自由度相關(guān)的軌道角動(dòng)量也可以被調(diào)控。軌道角動(dòng)量由于其無限尺寸而被確定為提高光子的信息承載能力的有用自由度，并且由于相位和強(qiáng)度的奇點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)光學(xué)操縱和度量具有廣泛的應(yīng)用。

近幾年利用超表面調(diào)控軌道角動(dòng)量已成為渦旋光束領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。超表面是一維或二維亞波長(zhǎng)周期的人工等離子體陣列，近年來被關(guān)注度持續(xù)上升。由于超表面的厚度與操作波長(zhǎng)相比極小，超表面可以被視為一個(gè)使入射光振幅和相位發(fā)生突然變化的不連續(xù)界面，因此超表面通常被用于光場(chǎng)調(diào)控，諸如強(qiáng)度調(diào)控、相位調(diào)控、偏振調(diào)控等。如今被使用最多的方法是利用納米尺度長(zhǎng)方體金屬納米棒通過排列成不同陣列形式形成超表面，基于pancharatnam-berry相位變化原理，將入射的左旋/右旋圓偏振光調(diào)控為透射的矢量渦旋光束，已經(jīng)提出的單等離子體超表面、硅納米棒超表面等，都是基于上述原理將圓偏振光調(diào)控為渦旋光束，且此類調(diào)控的物理模型也已被建立。但是現(xiàn)有研究成果中，對(duì)于如何將線偏振光調(diào)控為渦旋光束的研究尚且不足。

綜上，本發(fā)明創(chuàng)新性地從元胞結(jié)構(gòu)以及陣列形式的設(shè)計(jì)出發(fā)，提出了一種產(chǎn)生局域復(fù)合偏振光場(chǎng)的新型的海豚形元胞圓陣列超表面。該超表面為圓陣列形微納金屬結(jié)構(gòu)，由多個(gè)海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)等角度旋轉(zhuǎn)排列構(gòu)成圓形陣列。圓陣列上排列的海豚形元胞數(shù)量為n，海豚形元胞幾何中心與圓陣列幾何中心的連線將圓分成n等份，海豚形元胞結(jié)構(gòu)的中軸線永遠(yuǎn)指向圓陣列圓心。海豚形金屬元胞將入射光能量束縛到結(jié)構(gòu)表面，并最終在每個(gè)海豚形元胞尖端產(chǎn)生局域強(qiáng)場(chǎng)，提出了結(jié)構(gòu)因子m(m＞1)，通過改變結(jié)構(gòu)因子m值得大小，可實(shí)現(xiàn)調(diào)控聚焦場(chǎng)的增強(qiáng)因子的功能。在此創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，由于海豚形金屬元胞自身結(jié)構(gòu)以及等角度排列而成的圓陣列結(jié)構(gòu)，本發(fā)明創(chuàng)新性地將入射的線偏振光轉(zhuǎn)化為螺旋相位光束。透射光場(chǎng)z方向分量ez的強(qiáng)度占總光場(chǎng)e強(qiáng)度的比例隨傳播距離增加而減小，但隨傳播距離增加ez相位螺旋效果越好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生局域復(fù)合偏振光場(chǎng)的新型的海豚形元胞圓陣列超表面。該超表面為圓陣列形微納米金屬結(jié)構(gòu)，由多個(gè)海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)等角度旋轉(zhuǎn)排列構(gòu)成圓形陣列。海豚形元胞結(jié)構(gòu)的中軸線永遠(yuǎn)指向圓陣列圓心。海豚形金屬元胞幾何結(jié)構(gòu)由兩個(gè)半新月形結(jié)構(gòu)以尖端相反的狀態(tài)截面相接構(gòu)成，其中半新月形結(jié)構(gòu)由兩個(gè)半圓柱體截取而得。圓陣列上排列的海豚形元胞數(shù)量為n(n≥3且n為正整數(shù))，海豚形元胞幾何中心與圓陣列幾何中心的連線將圓分成n等份，海豚形元胞結(jié)構(gòu)的中軸線永遠(yuǎn)指向圓陣列圓心，圓陣列半徑(即圓陣列中心到海豚形結(jié)構(gòu)幾何中心的距離)為r，相鄰兩個(gè)海豚形元胞結(jié)構(gòu)的幾何中心的夾角α＝360°/n，其中截取海豚形元胞結(jié)構(gòu)的半圓柱體1和半圓柱體2的半徑分別為r1和r2且滿足關(guān)系式r2＝mr1(其中m＞1)，m定義為結(jié)構(gòu)因子，兩圓柱體截面圓為內(nèi)切關(guān)系，截面圓心距d＝(m-1)r1，海豚形元胞結(jié)構(gòu)兩尖端的間距d′＝2(r1+r2)。

所述的海豚形元胞圓陣列超表面，海豚形金屬元胞將入射光能量束縛到結(jié)構(gòu)表面，并最終在每個(gè)海豚形元胞尖端產(chǎn)生局域強(qiáng)場(chǎng)，改變結(jié)構(gòu)因子m可調(diào)控聚焦場(chǎng)的增強(qiáng)因子；由于海豚形金屬元胞自身結(jié)構(gòu)以及等角度排列而成的圓陣列結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以將入射的線偏振光轉(zhuǎn)化為螺旋相位光束，透射光場(chǎng)z方向分量ez的強(qiáng)度占總光場(chǎng)e強(qiáng)度的比例隨傳播距離增加而減小，但隨傳播距離增加ez相位螺旋效果越好。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

所述的海豚形元胞圓陣列超表面，海豚形金屬元胞將入射光能量束縛到結(jié)構(gòu)表面，并最終在每個(gè)海豚形元胞尖端產(chǎn)生局域強(qiáng)場(chǎng)，改變結(jié)構(gòu)因子m(m＞1)可調(diào)控聚焦場(chǎng)的增強(qiáng)因子；由于海豚形金屬元胞自身結(jié)構(gòu)以及等角度排列而成的圓陣列結(jié)構(gòu)，同時(shí)可以將入射的線偏振光轉(zhuǎn)化為螺旋相位光束，透射光場(chǎng)z方向分量ez的強(qiáng)度占總光場(chǎng)e強(qiáng)度的比例隨傳播距離增加而減小，但隨傳播距離增加ez相位螺旋效果越好。同時(shí)，超結(jié)構(gòu)表面具有制造簡(jiǎn)單、方便集成集總組件在結(jié)構(gòu)表面的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可用作光學(xué)鑷子、光學(xué)角動(dòng)量調(diào)控器，對(duì)寬帶光通信、光學(xué)成像、納米操控等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1是海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)排列構(gòu)成的能在每個(gè)海豚形元胞尖端產(chǎn)生局域強(qiáng)場(chǎng)的、能產(chǎn)生透射光場(chǎng)偏振改變的海豚形元胞圓陣列超表面。其中：(a)是海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)截面圖形幾何示意圖；(b)是海豚形元胞圓陣列超表面結(jié)構(gòu)截面圖形幾何示意圖(以n＝8為例)。

圖2是沿z方向傳播、偏振方向?yàn)閤方向的線偏振光入射大圓柱半徑r2＝300nm固定、結(jié)構(gòu)因子m不同的海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)時(shí)，海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)尖端產(chǎn)生的聚焦光場(chǎng)的強(qiáng)度分布示意圖。其中：(a)是光入射到結(jié)構(gòu)因子m＝1.5的海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)時(shí)聚焦光場(chǎng)強(qiáng)度分布示意圖(其中右側(cè)圖例為增強(qiáng)因子以自然底數(shù)求得的對(duì)數(shù)值)；(b)是光入射到結(jié)構(gòu)因子m＝2的海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)時(shí)聚焦光場(chǎng)強(qiáng)度分布示意圖(其中右側(cè)圖例為增強(qiáng)因子以自然底數(shù)求得的對(duì)數(shù)值)；(c)是光入射到結(jié)構(gòu)因子m＝3的海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)時(shí)聚焦光場(chǎng)強(qiáng)度分布示意圖(其中右側(cè)圖例為增強(qiáng)因子以自然底數(shù)求得的對(duì)數(shù)值)。

圖3是沿z方向傳播、偏振方向?yàn)閤方向的線偏振光入射海豚形元胞圓陣列超表面時(shí)，超表面后方不同距離處的透射場(chǎng)的強(qiáng)度和相位分布示意圖(以n＝8為例)。其中：(a)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝1000nm處的透射場(chǎng)的強(qiáng)度分布示意圖；(b)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝1000nm處的透射場(chǎng)的ez分量相位分布示意圖；(c)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝2000nm處的透射場(chǎng)的強(qiáng)度分布示意圖；(d)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝2000nm處的透射場(chǎng)的ez分量相位分布示意圖；(e)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝3000nm處的透射場(chǎng)的強(qiáng)度分布示意圖；(f)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝3000nm處的透射場(chǎng)的ez分量相位分布示意圖。

圖4是沿z方向傳播、偏振方向?yàn)閤方向的線偏振光入射海豚形元胞圓陣列超表面時(shí)，超表面后方不同距離處光場(chǎng)z分量ez的光場(chǎng)強(qiáng)度|ez|²占總光場(chǎng)強(qiáng)度|e|²的比例及透射場(chǎng)ez分量的相位分布(以n＝8為例)。其中：(a)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝400nm處的透射場(chǎng)z分量ez的光場(chǎng)強(qiáng)度|ez|²占總光場(chǎng)強(qiáng)度|e|²的比例；(b)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝400nm處的透射場(chǎng)的ez分量相位分布示意圖；(c)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝800nm處的透射場(chǎng)z分量ez的光場(chǎng)強(qiáng)度|ez|²占總光場(chǎng)強(qiáng)度|e|²的比例；(d)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝800nm處的透射場(chǎng)的ez分量相位分布示意圖；(e)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝2000nm處的透射場(chǎng)z分量ez的光場(chǎng)強(qiáng)度|ez|²占總光場(chǎng)強(qiáng)度|e|²的比例；(f)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝2000nm處的透射場(chǎng)的ez分量相位分布示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖1所示，本發(fā)明提供的海豚形元胞圓陣列超表面，該超表面為圓陣列形微納米金屬結(jié)構(gòu)，由多個(gè)海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)等角度旋轉(zhuǎn)排列構(gòu)成圓形陣列，海豚形元胞結(jié)構(gòu)的中軸線永遠(yuǎn)指向圓陣列圓心，海豚形金屬元胞幾何結(jié)構(gòu)由兩個(gè)半新月形結(jié)構(gòu)以尖端相反的狀態(tài)截面相接構(gòu)成，其中半新月形結(jié)構(gòu)由兩個(gè)半圓柱體截取而得。圓陣列上排列的海豚形元胞數(shù)量為n(n≥3且n為正整數(shù))，海豚形元胞幾何中心與圓陣列幾何中心的連線將圓分成n等份，海豚形元胞結(jié)構(gòu)的中軸線永遠(yuǎn)指向圓陣列圓心，圓陣列半徑(即圓陣列中心到海豚形結(jié)構(gòu)幾何中心的距離)為r，相鄰兩個(gè)海豚形元胞結(jié)構(gòu)的幾何中心的夾角α＝360°/n，其中截取海豚形元胞結(jié)構(gòu)的半圓柱體1和半圓柱體2的半徑分別為r1和r2且滿足關(guān)系式r2＝mr1(其中m＞1)，m定義為結(jié)構(gòu)因子，兩圓柱體截面圓為內(nèi)切關(guān)系，截面圓心距d＝(m-1)r1，海豚形元胞結(jié)構(gòu)兩尖端的間距d′＝2(r1+r2)。

本發(fā)明中海豚形元胞圓陣列超表面的制作可采用對(duì)向靶直流磁控濺射和聚焦離子束刻蝕技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。其具體步驟如下：

(1)利用對(duì)向靶直流磁控濺射方法在石英等玻璃襯底上或硅等半導(dǎo)體襯底上濺射金、銀、鋁、銅等納金屬膜；

(2)利用聚焦離子束刻蝕技術(shù)或電子束直寫技術(shù)在納金屬膜上刻蝕金屬海豚形元胞圓陣列結(jié)構(gòu)。

具體應(yīng)用實(shí)例1

海豚形元胞圓陣列超表面的具體參數(shù)如下為例：

海豚形金屬元胞材料為銀，入射波長(zhǎng)λ＝660nm，此時(shí)銀材料折射率nag＝0.049889+4.4869i。該超表面為圓陣列形微納米金屬結(jié)構(gòu)，由多個(gè)海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)等角度旋轉(zhuǎn)排列構(gòu)成，海豚形金屬元胞幾何結(jié)構(gòu)由兩個(gè)半新月形結(jié)構(gòu)以尖端相反的狀態(tài)截面相接構(gòu)成，其中半新月形結(jié)構(gòu)由兩個(gè)半圓柱體截取而得。圓陣列上排列的海豚形元胞數(shù)量為n＝8，海豚形元胞幾何中心與圓陣列幾何中心的連線將圓分成n＝8等份，海豚形元胞結(jié)構(gòu)的中軸線永遠(yuǎn)指向圓陣列圓心，圓陣列半徑(即圓陣列中心到海豚形結(jié)構(gòu)幾何中心的距離)為r＝1μm，相鄰兩個(gè)海豚形元胞結(jié)構(gòu)的幾何中心的夾角α＝360°/n＝45°，截取海豚形元胞結(jié)構(gòu)的半圓柱體2的半徑r2＝300nm，結(jié)構(gòu)因子m＝2，則半圓柱體1的半徑r1＝150nm。兩圓柱體截面圓為內(nèi)切關(guān)系，根據(jù)上述參數(shù)可得截面圓心距d＝150nm，海豚形元胞結(jié)構(gòu)兩尖端的間距d′＝900nm。

圖2是沿z方向傳播、偏振方向?yàn)閤方向的線偏振光入射大圓柱半徑r2＝300nm固定、結(jié)構(gòu)因子m不同的海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)時(shí)，海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)尖端產(chǎn)生的聚焦光場(chǎng)的強(qiáng)度分布示意圖。其中：(a)是光入射到結(jié)構(gòu)因子m＝1.5的海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)時(shí)聚焦光場(chǎng)強(qiáng)度分布示意圖(其中右側(cè)圖例為增強(qiáng)因子以自然底數(shù)求得的對(duì)數(shù)值)；(b)是光入射到結(jié)構(gòu)因子m＝2的海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)時(shí)聚焦光場(chǎng)強(qiáng)度分布示意圖(其中右側(cè)圖例為增強(qiáng)因子以自然底數(shù)求得的對(duì)數(shù)值)；(c)是光入射到結(jié)構(gòu)因子m＝3的海豚形金屬元胞結(jié)構(gòu)時(shí)聚焦光場(chǎng)強(qiáng)度分布示意圖(其中右側(cè)圖例為增強(qiáng)因子以自然底數(shù)求得的對(duì)數(shù)值)。從結(jié)果中可以看到，當(dāng)結(jié)構(gòu)因子m＝1.5時(shí)，增強(qiáng)因子約為e⁷≈1.0966×10³；當(dāng)結(jié)構(gòu)因子m＝2時(shí)，增強(qiáng)因子約為e⁶≈4.0343×10²；當(dāng)結(jié)構(gòu)因子m＝3時(shí)，增強(qiáng)因子約為e⁴≈5.4598×10¹。由此分析，當(dāng)結(jié)構(gòu)因子m改變時(shí)，由于m減小會(huì)導(dǎo)致海豚形元胞結(jié)構(gòu)曲線曲率增大，從而形成更為理想的結(jié)構(gòu)尖端，進(jìn)而增強(qiáng)因子會(huì)隨m的減小而增大。因此，改變結(jié)構(gòu)因子m(m＞1)可調(diào)控聚焦場(chǎng)的增強(qiáng)因子。

圖3是沿z方向傳播、偏振方向?yàn)閤方向的線偏振光入射海豚形元胞圓陣列超表面時(shí)，超表面后方不同距離處的透射場(chǎng)的強(qiáng)度和相位分布示意圖(以n＝8為例)。其中：(a)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝1000nm處的透射場(chǎng)的強(qiáng)度分布示意圖；(b)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝1000nm處的透射場(chǎng)的ez分量相位分布示意圖；(c)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝2000nm處的透射場(chǎng)的強(qiáng)度分布示意圖；(d)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝2000nm處的透射場(chǎng)的ez分量相位分布示意圖；(e)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝3000nm處的透射場(chǎng)的強(qiáng)度分布示意圖；(f)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝3000nm處的透射場(chǎng)的ez分量相位分布示意圖。從計(jì)算結(jié)果里不難看出，入射光照射到海豚形元胞圓陣列超表面時(shí)，內(nèi)圈的聚焦場(chǎng)使得在圓陣列中心處產(chǎn)生螺旋相位光場(chǎng)，隨傳播距離的增大，螺旋相位光場(chǎng)逐漸發(fā)散，中心處相位渦旋愈發(fā)明顯，隨著距離繼續(xù)增大，渦旋特性已不是非常明顯，即線偏振光入射海豚形元胞圓陣列超表面時(shí)，可在超表面后方產(chǎn)生局域螺旋相位光場(chǎng)。

圖4是沿z方向傳播、偏振方向?yàn)閤方向的線偏振光入射海豚形元胞圓陣列超表面時(shí)，超表面后方不同距離處光場(chǎng)z分量ez的光場(chǎng)強(qiáng)度|ez|²占總光場(chǎng)強(qiáng)度|e|²的比例及透射場(chǎng)ez分量的相位分布(以n＝8為例)。其中：(a)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝400nm處的透射場(chǎng)z分量ez的光場(chǎng)強(qiáng)度|ez|²占總光場(chǎng)強(qiáng)度|e|²的比例；(b)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝400nm處的透射場(chǎng)的ez分量相位分布示意圖；(c)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝800nm處的透射場(chǎng)z分量ez的光場(chǎng)強(qiáng)度|ez|²占總光場(chǎng)強(qiáng)度|e|²的比例；(d)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝800nm處的透射場(chǎng)的ez分量相位分布示意圖；(e)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝2000nm處的透射場(chǎng)z分量ez的光場(chǎng)強(qiáng)度|ez|²占總光場(chǎng)強(qiáng)度|e|²的比例；(f)是海豚形元胞圓陣列超表面后方d＝2000nm處的透射場(chǎng)的ez分量相位分布示意圖。從結(jié)果中可以看出，當(dāng)d＝400nm時(shí)，ez分量的光場(chǎng)強(qiáng)度|ez|²占總光場(chǎng)強(qiáng)度|e|²的比例最高可達(dá)到80％；當(dāng)d＝800nm時(shí)，ez分量的光場(chǎng)強(qiáng)度|ez|²占總光場(chǎng)強(qiáng)度|e|²的比例最高已降至45％；當(dāng)d＝2000nm時(shí)，ez分量的光場(chǎng)強(qiáng)度|ez|²占總光場(chǎng)強(qiáng)度|e|²的比例最高只有20％。但隨著距離d的增大，透射場(chǎng)ez分量中心處相位螺旋效果明顯提高。綜上分析，透射光場(chǎng)z方向分量ez的強(qiáng)度占總光場(chǎng)e強(qiáng)度的比例隨傳播距離增加而減小，但隨傳播距離增加ez相位螺旋效果越好。