[发明专利]基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构及方法

说明书

本发明公开一种基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测方法，包括如下步骤：S1、调制激光波长为633nm的LG涡旋光束，将LG涡旋光束垂直入射至基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构上；S2、激发的SPPs通过耦合光栅后变成可观测的光，记录光场分布图像，获取激发的SPPs最大光强处的倾斜角θ；S3、基于标定的光束标准倾斜角θsubgt;0/subgt;与拓扑荷数l之间的映射关系，获取距倾斜角θ最近的标准倾斜角θsubgt;0/subgt;；S4、该标准倾斜角θsubgt;0/subgt;对应的拓扑荷数l作为当前LG涡旋光束的拓扑荷数。根据SPPs光束的方向与LG涡旋光束的拓扑荷之间的关系，该结构可以检测入射LG涡旋光的轨道角动量。

技术领域

本发明属于涡旋光束的轨道角动量技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构及方法。

背景技术

1992年，Alen等人提出在复振幅表达式中含有相位项的光束具有轨道角动量(OAM)，其中l是拓扑荷，可以是任意数字，是方位角。具有轨道角动量的光束在中心具有螺旋或扭曲波前和相位奇点，表现为环形涡旋光束。由于这些独特的特性，涡旋光束在光通信、光镊、成像和量子信息技术中具有巨大的应用潜力。在这些应用领域中，如何有效地检测涡旋光束的拓扑荷是一个首要的问题。

传统的基于光栅、干涉、衍射等方法检测拓扑荷的方法通常需要特殊的光学元件，并且仅允许通过特殊干涉模式进行间接测量或有限范围的区分。考虑到光学器件的紧凑化和集成化一直是光处理和光通信的追求，因此，如何进一步小型化且稳定地检测涡旋光束的拓扑荷仍然是当今科研人员的工作方向。

超表面作为超紧凑的二维超材料，可以通过改变入射光波的相位在芯片上实现任意操纵电磁波的功能。由于其亚波长厚度特性和强大的波前控制能力，超表面为实现全息图、定向激发、光束分裂和涡旋光束生成开辟了一条有效地途径。

近年来，由于超表面器件的易集成化和小型化，研究人员开始使用超表面检测涡旋光束的拓扑荷。例如2020年，Zhao等人提出了一种复合相位调制角动量分束器，它结合了光栅结构和空间变化的Λ形纳米狭缝，使携带不同光学奇点的入射光耦合到不同出射方向且分裂角不同的表面等离激元(SPPs)光束中。然而，现有的涡旋光束拓扑荷的检测方法存在器件设计复杂、结构参数多、检测分辨力不高等问题。

发明内容

本发明提供一种基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构，旨在提供一种结构简单的拉盖尔-高斯(LG)涡旋光束拓扑荷检测结构。

本发明是这样实现的，一种基于悬链线光栅超表面的片上轨道角动量检测结构，所述结构包括用于正拓扑荷涡旋光束的片上轨道角动量检测结构及用于负拓扑荷涡旋光束的片上轨道角动量检测结构，其中，用于正拓扑荷涡旋光束的片上轨道角动量检测结构包括：

银膜，设于银膜上的光栅对，包括：光栅对1和光栅对2，光栅对由光栅1和光栅2组成，光栅1、光栅2分别由m列和n行的悬链线纳米孔1阵列、悬链线纳米孔2阵列组成；

沿入射面的逆时针方向，依次布置光栅对1中的光栅2、光栅对1中的光栅1、光栅对2中的光栅2、光栅对2中的光栅1；同一光栅对中光栅1和光栅2中的悬链线纳米孔开口方向相同，光栅1、光栅2在光栅对1和光栅对2中的开口方向不同，以光栅对1中光栅1的悬链线纳米孔开口方向作为Y轴正向，在Y轴正向上，光栅对1中光栅1位于光栅对2中光栅2的前方；

在行排列方向上，悬链线纳米孔1、悬链线纳米孔2的悬链线宽度0.9Λ＝315nm，悬链线纳米孔1的排列周期为T₁＝660nm，悬链线纳米孔2的排列周期为T₂＝550nm；在列排列方向上，悬链线纳米孔1及悬链线纳米孔2的排列周期为d＝200nm，悬链线纳米孔1及悬链线纳米孔2的腰宽w＝50nm。

用于负拓扑荷涡旋光束的片上轨道角动量检测结构包括：