[发明专利]同时在近远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件及其设计和制备

说明书

本发明公开了一种同时在近场和远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件及其设计方法和制备方法。该平面光学器件利用金属超构表面材料首次实现了在近场和远场两个通道中同时生成涡旋光场，其中，在近场为聚焦型的表面等离激元涡旋光场，在远场为聚焦的自由空间涡旋光场，并且两通道中所生成的涡旋光场携带的拓扑荷可根据需求灵活搭配。利用本发明方法设计的能生成双通道涡旋光场的平面光学器件对于未来基于涡旋光场的高密度通信和多功能集成光学系统具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种平面光学器件，特别涉及一种基于金属表面等离激元超构表面材料的光场操控器件及其设计方法，利用该方法可以设计出能同时在近场和远场两个通道实现涡旋光场生成的平面型光学器件，并且可以根据需要实现对两个通道所生成涡旋光场的拓扑荷的任意配置。

背景技术

涡旋光场是一种波前具有螺旋相位分布特征的特殊光场模式。与普通光场相比，由于其波前为螺旋相位分布，会在光束中心产生一个相位奇点，在该奇点处光强为零，从而使涡旋光束的横截面表现出面包圈状的圆环形光强分布。另一方面，相对于普通圆偏振光只能携带值为±h的自旋角动量(spin angular momentum,SAM,h为普朗克常量)，涡旋光能携带任意值的轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)，其角动量值可以表示为lh，l也称为涡旋光场的拓扑荷，可以为任意整数值，因而涡旋光场具备远超普通光场的自由度。由于涡旋光场具有的这些特殊性质，其在高密度光通信、光镊系统、高分辨率成像以及量子光学等诸多领域具有重要的应用前景。近年来，随着纳米光子学和集成光学的快速发展，实现涡旋光生成器件的小型化、集成化和多功能化对于充分利用涡旋光的各种特殊性质具有重要意义。

超构表面材料作为一种新型的电磁波和光学操控材料，近年来已经吸引了大量研究人员的研究兴趣。这种二维形式的人工材料是由亚波长尺度的构成单元按一定的排列方式在一个二维平面上排列而成。由于其构成单元尺寸在亚波长级别，并且结构单元的尺寸、形状、所用材料，以及排列方式都可以根据需求灵活设计，因而可以对电磁波和光波的相位、偏振和强度等方面进行丰富的操控。其中，利用几何相位的原理，可以通过设计亚波长人工结构的转角来方便地操控超构表面材料的局域相位分布，从而可以实现对远场或者近场电磁波的各种操控，包括表面等离激元的单向传输、反常折射、超透镜聚焦和全息成像，等等。同时，随着近年来微纳加工技术的快速发展，二维形式的超构表面可以方便地通过各种方式进行制备，包括电子束曝光、聚焦离子束刻蚀、纳米压印以及等离子体刻蚀等加工方法，并且这些加工工艺较容易与半导体器件、集成光学器件加工工艺兼容，因而使超构表面材料具备了更加广阔的应用前景。

作为一种重要应用，利用超构表面材料实现涡旋光场的生成是一个新兴的研究热点。然而，目前的基于超构表面材料的平面涡旋生成器件只能分别实现在近场或者远场通道的涡旋光场生成，实现一种能同时在近场和远场两个通道生成涡旋光场的平面型光学器件对于未来多功能光镊操纵、紧凑型涡旋光通信以及量子光学研究等领域具有重要意义，因此成为一个亟待解决的研究课题。

在金属和介质界面，存在一种束缚于金属和介质界面的表面电磁波模式，被称为表面等离激元。这种表面电磁共振模式分为局域型和传播型两种形式。前者存在于金属纳米颗粒周围，能将电磁能量束缚在颗粒表面，从而能实现显著的局域场增强，在生物传感、荧光增强、光热探测等领域具有一系列重要的应用。后者存在于金属薄膜和介质的界面处，能够实现对电磁波和光波的亚波长约束和传输，利用这种亚波长特性可以大大降低集成光学元件的尺寸，提高器件集成度，因而是一种缩小光学芯片尺寸的重要方案。当选择由金属薄膜构成等离激元超构表面时，一方面其表面可以支持近场传播型表面等离激元模式的传播，另一方面在远场可通过对结构单元的设计有效地操控远场散射光。因而，当通过对结构单元和阵列形式的合理设计，等离激元超构表面就可以成为一种能同时实现近场和远场涡旋光场生成的理想承载平台。

发明内容