[发明专利]海豚形元胞圆阵列超表面

说明书

一种产生局域复合偏振光场的新型的海豚形元胞圆阵列超表面。该超表面为圆阵列形微纳金属结构，由N(N≥3且N为正整数)个海豚形金属元胞结构等角度旋转排列构成圆形阵列。海豚形金属元胞将入射光能量束缚到结构表面，并最终在每个海豚形元胞尖端产生局域聚焦强场，改变结构因子m(m＞1)可调控聚焦场的增强因子；由于海豚形金属元胞自身结构以及等角度排列而成的圆阵列结构，同时可以将入射的线偏振光转化为螺旋相位光束；透射光场z方向分量E_z的强度占总光场E强度的比例随传播距离增加而减小，但随传播距离增加E_z相位螺旋效果越好。本发明可用作光学镊子、光学角动量调控器，对宽带光通信、光学成像、纳米操控等领域有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于光学和光电技术领域，涉及光场偏振调制、纳米操纵、表面等离子体激发，特别是一种产生局域复合偏振光场的新型的海豚形元胞圆阵列超表面。

背景技术

当光通过具有亚波长特征的结构材料时，其传播常数可以取决于其偏振状态，即使其所有成分都是光学各向同性的。目前已有许多种类的亚波长尺度光学器件被设计出来，其可以调控光场的偏振态，即自旋角动量。同时，与光场空间自由度相关的轨道角动量也可以被调控。轨道角动量由于其无限尺寸而被确定为提高光子的信息承载能力的有用自由度，并且由于相位和强度的奇点，已经发现光学操纵和度量具有广泛的应用。

近几年利用超表面调控轨道角动量已成为涡旋光束领域的研究热点之一。超表面是一维或二维亚波长周期的人工等离子体阵列，近年来被关注度持续上升。由于超表面的厚度与操作波长相比极小，超表面可以被视为一个使入射光振幅和相位发生突然变化的不连续界面，因此超表面通常被用于光场调控，诸如强度调控、相位调控、偏振调控等。如今被使用最多的方法是利用纳米尺度长方体金属纳米棒通过排列成不同阵列形式形成超表面，基于Pancharatnam-Berry相位变化原理，将入射的左旋/右旋圆偏振光调控为透射的矢量涡旋光束，已经提出的单等离子体超表面、硅纳米棒超表面等，都是基于上述原理将圆偏振光调控为涡旋光束，且此类调控的物理模型也已被建立。但是现有研究成果中，对于如何将线偏振光调控为涡旋光束的研究尚且不足。

综上，本发明创新性地从元胞结构以及阵列形式的设计出发，提出了一种产生局域复合偏振光场的新型的海豚形元胞圆阵列超表面。该超表面为圆阵列形微纳金属结构，由多个海豚形金属元胞结构等角度旋转排列构成圆形阵列。圆阵列上排列的海豚形元胞数量为N，海豚形元胞几何中心与圆阵列几何中心的连线将圆分成N等份，海豚形元胞结构的中轴线永远指向圆阵列圆心。海豚形金属元胞将入射光能量束缚到结构表面，并最终在每个海豚形元胞尖端产生局域强场，提出了结构因子m(m＞1)，通过改变结构因子m值得大小，可实现调控聚焦场的增强因子的功能。在此创新的基础上，由于海豚形金属元胞自身结构以及等角度排列而成的圆阵列结构，本发明创新性地将入射的线偏振光转化为螺旋相位光束。透射光场z方向分量E_z的强度占总光场E强度的比例随传播距离增加而减小，但随传播距离增加E_z相位螺旋效果越好。

发明内容

本发明提供了一种产生局域复合偏振光场的新型的海豚形元胞圆阵列超表面。该超表面为圆阵列形微纳米金属结构，由多个海豚形金属元胞结构等角度旋转排列构成圆形阵列。海豚形元胞结构的中轴线永远指向圆阵列圆心。海豚形金属元胞几何结构由两个半新月形结构以尖端相反的状态截面相接构成，其中半新月形结构由两个半圆柱体截取而得。圆阵列上排列的海豚形元胞数量为N(N≥3且N为正整数)，海豚形元胞几何中心与圆阵列几何中心的连线将圆分成N等份，海豚形元胞结构的中轴线永远指向圆阵列圆心，圆阵列半径(即圆阵列中心到海豚形结构几何中心的距离)为R，相邻两个海豚形元胞结构的几何中心的夹角α＝360°/N，其中截取海豚形元胞结构的半圆柱体1和半圆柱体2的半径分别为R₁和R₂且满足关系式R₂＝mR₁(其中m＞1)，m定义为结构因子，两圆柱体截面圆为内切关系，截面圆心距d＝(m-1)R₁，海豚形元胞结构两尖端的间距d′＝2(R₁+R₂)。