一种近远场集成平面光学调控器件及其设计和制备方法技术

本发明专利技术公开了一种近远场集成平面光学调控器件及其设计和制备方法。该器件在等离激元平面光学元件中首次实现通过入射光自旋对近场表面等离激元和远场空间光的传播同时进行调控，达到近场表面等离激元波单向传播，而远场空间光形成聚焦。通过优化设计，该器件在近场或远场的调控效果可以媲美传统的单一的近场或远场调控器件，在目前光学器件小型化、多功能化以及高密度化的趋势下，该近场和远场光学调控集成器件具有广阔的应用前景。

A near far field integrated planar optical control device and its design and preparation methods

The invention discloses a near far field integrated plane optical control device and a method for its design and preparation. The device is first implemented in plasmon plane optical elements at the same time to control the propagation of near field surface plasmon and far-field spatial light by the spin of incident light, and achieve the unidirectional propagation of near field surface plasmon waves, while far-field spatial light focuses. Through the optimization design, the device can be comparable to single near or far field control devices in the traditional control effect of near or far field, in the current optical device miniaturization, multifunction and high density trend under the near field and far field optical control integrated device has broad application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种近远场集成平面光学调控器件及其设计和制备方法
本专利技术涉及一种平面光学调控器件，特别涉及一种基于超构表面材料的光场操控器件，可以同时在近场和远场实现近场表面等离激元的单向传播和远场光的线聚焦，并能通过改变入射光自旋对光场的传播进行调控。
技术介绍
在纳米光子学领域，光场操控集成器件是一个重要的发展方向，而要实现多功能的光场操控集成，两个重要要求是实现光学处理器件尺寸的小型化和高密度集成。近年来发展起来的基于表面等离激元和超构表面材料的等离激元平面光学器件作为一种新型的光学信号处理和光场操控器件，具有尺寸小，功能多样的优点。然而传统的等离激元平面光学器件只能分别实现近场或者远场光场的操控，实现一种平面器件能同时操控近场和远场信号对于提高光学集成度具有重要意义，因此成为一个亟待解决的问题。超构表面材料(Metasurface)是超构材料(Metamaterial)的二维版本。近年来，超构表面材料作为一种新型而灵活的电磁波操控材料，吸引了越来越多的研究者的目光。超构材料是一种由波长级别或亚波长级别的微结构构成的人工三维体材料，由于其构成单元在波长级别，往往能对光波或电磁波产生自然界中材料无法实现的一些特殊效果，比如负折射率、光学滤波、光学隐身等等。正因为这些新颖的性质的存在，使得超构材料在电子工程、传统光学、集成光学、材料科学以及纳米科学等多个领域都得到了广泛的关注和研究。然而，由于超构材料是三维结构，要求加工出在三维空间排列的亚波长结构，这在加工工艺上提出了极高的要求，特别是在可见光波段，要加工出纳米级别的三维周期性结构极其困难，因而难以推广到实际应用。作为超构材料的二维替代品，超构表面由于是在平面上加工出亚波长结构，加工难度大大降低，目前诸如电子束曝光、聚焦离子束刻蚀等技术都能以极高的精度加工出可见光波段的亚波长结构，因而极大地促进了超构表面的研究。目前，电磁超构表面材料已经实现了反常反射、负折射、光场偏振控制、超透镜、全息成像以及近场等离激元单向传播和聚焦等多种新颖物理效应。表面等离激元是一种束缚于金属和介质界面的表面电磁波，在近场范畴其具有亚波长束缚性和电磁场增强效应，一般按其传播性可分为传播模式的表面等离极化激元和非传播模式的局域表面等离激元。对于传播模式的表面等离极化激元，由于它是一种在金属介质界面传播的表面波，因此可以使用超构表面材料对其传播进行控制。目前已经有许多基于表面等离激元的超构表面器件被实现，例如高效率的表面等离激元发射器、反射器以及多路信号分离器，这些器件对于未来表面等离激元集成器件的开发具有关键作用。另一方面，由于金属微结构能对入射光进行局域的散射，从而通过合理设计，由金属微结构构成的超构表面能对自由空间的远场光进行操控，从而实现诸如涡旋光束生成器和超透镜之类的集成光子学关键器件。基于金属薄膜的超构表面材料既具有操控近场表面等离激元的能力，也具有对远场的空间光进行控制的能力，并且由于表面等离激元的高束缚性和场增强作用，这些优点对于开发高集成度和多功能的光学集成器件具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于表面等离激元超构表面的近远场集成平面光学调控器件，实现在近场和远场对表面等离激元单向传播和空间光聚焦的同时操控。本专利技术使用改进的等离激元超构表面设计方法，通过几何相位的原理将近场表面等离激元单向传播和远场空间光聚焦所需的相位分布方程联立分析得到所需的超构表面结构，将近场和远场光波操控集成到一个超构表面器件上，从而可以用一个超构表面同时实现近场表面等离激元和远场空间光的传播特性的控制，并且能够通过改变入射光的圆偏振旋性对其传播进行调控。这种近远场集成器件在未来的表面等离激元和光子学器件的集成中具有广阔的应用前景。本专利技术的技术方案如下：一种近远场集成平面光学调控器件，包括透明衬底、金属薄膜和纳米孔阵列构成的超构表面结构，其中，所述金属薄膜位于透明衬底之上，纳米孔阵列位于金属薄膜之中，入射光从透明衬底一侧入射，构成透射式的光路形式；其特征在于，在一种旋性的入射光下所述纳米孔阵列构成的超构表面结构同时满足在近场激发出单向传播的表面等离激元和在远场实现聚焦，并且通过入射光自旋对近场的金属表面等离激元和远场的空间光场进行同时调控。在本专利技术的自旋调控的近场和远场集成平面光学调控器件中，超构表面结构为在金属薄膜中刻蚀出的纳米孔阵列，通过几何相位的原理将近场表面等离激元单向传播和远场空间光聚焦所需的相位分布联立分析，预先设计出所需的超构表面结构，使得在一种旋性的入射光下该结构同时满足在近场激发出单向传播的表面等离激元和在远场实现聚焦。当入射光自旋发生变化时，相应的近场表面等离激元传播方向和远场空间光的聚焦情况也会发生变化，从而实现通过入射光自旋对近场和远场的光场传播进行调控。所述纳米孔阵列的设计方法如下：如图2所示，在近场，由处于位置xi的纳米孔激发的表面等离激元向左右两边(±x方向)传播，其场强满足方程：其中，Ez(x)表示坐标x处的表面等离激元场强，i表示纳米孔在x方向上的序号，xi表示第i个纳米孔在x方向上的位置；kspp为表面等离激元的波矢量；θ表示纳米孔长边与x正方向的夹角，正号(+)和负号(-)分别对应向右和向左传播的表面等离激元；σ表示入射光的自旋态，左旋圆偏振光(LCP)对应σ＝-1，右旋圆偏振光(RCP)对应σ＝+1。其中σθ表示自旋为σ的圆偏振光入射纳米孔后激发的表面等离激元的几何相位，该相位与纳米孔旋转角度相关。当入射左旋圆偏振光(LCP，σ＝-1)所激发的表面等离激元都在如图2右侧相干增强时，其满足方程(2)：-ksppxi-θ＝const.(2)其中const.表示常数。在远场，当入射左旋圆偏振光(LCP，σ＝-1)所激发的远场散射光在金属薄膜一侧聚焦，即远场表现为正极性透镜时，满足方程(3)：其中k表示自由空间的光波矢量，f为聚焦的焦距，const.表示常数。将方程(2)和(3)联立，按照如下设计步骤可得到实现对近场和远场同时进行调控的表面等离激元超构表面结构(即纳米孔阵列)：(1)选定入射光波长λ和远场焦距f，由和其中εd为远场所处介质(一般是空气)的介电常数，εm是传播表面等离激元的金属层的介电常数，例如当为复合金属层Ti/Au时，取Au的介电常数，这些常数均可查询相关数据手册得到。则方程(2)、(3)中参数kspp，k和f均可确定；(2)进一步方程(2)和(3)中的const.取一系列等间隔的常数，θ限制在0-180度，在θ-x坐标图中画出对应方程，将得到一系列直线(图2(c)中虚线)和曲线(图2(c)中实线)，相交处(即图2(c)中五角星)的坐标(x,θ)即为符合要求的纳米孔位置和旋转角度。由此即得到图2(a)中虚线框所示的一行纳米孔的排列参数(即位置和旋转角度)。一行中纳米孔的数目可进一步通过时域有限差分法(FDTD)数值计算得到优化值。(3)将由步骤(2)得到的一行纳米孔在如图2(a)y方向按合适间隔进行平移复制即可得到多行的超构表面结构(即纳米孔阵列)，可进一步通过FDTD数值计算得到行数的优化值。其中，纳米孔行与行之间的间隔优选为入射波长的二分之一左右，可进一步通过FDTD数值计算得到该平移间隔的优化值。由上述设计原理可知，当本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种近远场集成平面光学调控器件，包括透明衬底、金属薄膜和纳米孔阵列构成的超构表面结构，其中，所述金属薄膜位于透明衬底之上，纳米孔阵列位于金属薄膜之中，入射光从透明衬底一侧入射，构成透射式的光路形式；其特征在于，在一种旋性的入射光下所述超构表面结构同时满足在近场激发出单向传播的表面等离激元和在远场实现聚焦，并且通过入射光自旋对近场的表面等离激元和远场的空间光场进行同时调控。

【技术特征摘要】
1.一种近远场集成平面光学调控器件，包括透明衬底、金属薄膜和纳米孔阵列构成的超构表面结构，其中，所述金属薄膜位于透明衬底之上，纳米孔阵列位于金属薄膜之中，入射光从透明衬底一侧入射，构成透射式的光路形式；其特征在于，在一种旋性的入射光下所述超构表面结构同时满足在近场激发出单向传播的表面等离激元和在远场实现聚焦，并且通过入射光自旋对近场的表面等离激元和远场的空间光场进行同时调控。2.如权利要求1所述的近远场集成平面光学调控器件，其特征在于，所述纳米孔阵列中的纳米孔为不具备高度旋转对称性的形状。3.如权利要求2所述的近远场集成平面光学调控器件，其特征在于，所述纳米孔阵列中的纳米孔为矩形、V字形或U字形。4.如权利要求1所述的近远场集成平面光学调控器件，其特征在于，所述金属薄膜的材料是金、银和/或铝，金属薄膜的厚度为100-130nm。5.如权利要求4所述的近远场集成平面光学调控器件，其特征在于，所述金属薄膜为Ti/Au双层薄膜，其中Ti厚度为5nm，Au厚度为120nm，Au薄膜位于Ti薄膜之上。6.权利要求1～5任一所述近远场集成平面光学调控器件的设计方法，通过几何相位的原理将近场表面等离激元单向传播和远场空间光聚焦所需的相位分布联立分析，其中，对于在所述平面光学调控器件表面的x和y方向上排布的纳米孔阵列，在近场，处于位置xi的纳米孔激发的表面等离激元向±x方向传播，其场强满足方程(1)：其中，Ez(x)表示坐标x处的表面等离激元场强，i表示纳米孔在x方向上的序号，xi表示第i个纳米孔在x方向上的位置；kspp为表面等离激元的波矢量；θ表示纳米孔长边与x正方向的夹角，正号和负号分别对应+x方向和-x方向传播的表面等离激元...

【专利技术属性】
技术研发人员：方哲宇，蒋瞧，包燕军，朱星，李博文，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11