基于透射型介质超颖表面产生矢量光束的方法技术

本发明专利技术公开的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，属于微纳光学领域。选取非晶硅矩形纳米柱作为介质超颖表面结构单元，针对纳米柱几何尺寸进行设计，使其在特定工作波长的光照射下具有半波片功能；改变纳米柱单元的方位角实现对出射光场偏振方向的调控；根据目标柱矢量光束的偏振方向分布，得到纳米柱阵列的方位角分布，编码生成加工文件并进行加工；当入射线偏振光通过介质超颖表面后即得到目标柱矢量光束。本发明专利技术还公开基于透射型介质超颖表面产生任意偏振方向分布的矢量光束的方法，该方法可将偏振图案隐藏到矢量光束中，并用于光学防伪，偏振加密等应用场合。本发明专利技术能够在微型化、紧凑型的光学系统中产生任意矢量光束。

Method for generating vector beam based on transmission medium metamaterial surface

The invention discloses a method for generating a cylindrical vector beam based on a transmission medium superglume surface, belonging to the field of micro-nano optics. A rectangular amorphous silicon nano-column is selected as the super-spikelet surface structure unit of the dielectric, and the geometric size of the nano-column is designed to make it have the function of half-wave plate under the light irradiation of a specific working wavelength; the polarization direction of the emitted light field is adjusted by changing the azimuth angle of the nano-column unit; and the polarization direction of the vector beam of the target column is calculated. The azimuth distribution of the nano-cylindrical array is obtained, and the processing file is coded and processed. The target cylindrical vector beam is obtained when the incident linearly polarized light passes through the super-glume surface of the medium. The invention also discloses a method for generating a vector beam with arbitrary polarization direction distribution based on the transmission medium super-glume surface, which can hide the polarization pattern in the vector beam and be used in optical anti-counterfeiting, polarization encryption and other applications. The invention can generate arbitrary vector beams in a miniaturized and compact optical system.

【技术实现步骤摘要】
基于透射型介质超颖表面产生矢量光束的方法
本专利技术涉及一种任意矢量光束产生方法，尤其涉及基于透射型介质超颖表面的矢量光束产生方法，属于微纳光学领域。
技术介绍
超颖表面通常是由一层亚波长尺寸的金属或介质纳米天线阵列构成。由于它具有任意调制入射电磁波的相位、振幅和偏振的功能而引起了研究人员广泛的关注。相比于利用光在传播过程中的相位累积来调控光场的传统光学元件，超颖表面则提供了一种通过光与纳米天线的相互作用来调控光场特性的新方法。通过调节纳米天线阵列的形状、尺寸和方位角，能够灵活调控入射光的波面。光的偏振是光波的重要属性之一。通常所说的线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光都是空间均匀的偏振光束。与之相对应的另一类光束是空间不均匀的偏振光束。这类光束在其横截面上的偏振随空间位置变化而变化，也称其为矢量光束。柱矢量光束是矢量光束中比较特殊的一类，其光束横截面上的偏振方向关于光束传播轴对称分布，其中比较典型的两类光束是径向偏振光束和角向偏振光束。径向偏振光束在聚焦的过程中，由于它在焦平面上有很强的纵向电场，所以相比于空间均匀的偏振光束它的聚焦光斑更小。而角向偏振光束在通过透镜聚焦时，聚焦光斑中心角度为零，呈现出一种中空的形状。由于这些新奇的特性，柱矢量光束被应用于粒子加速、光学捕获和超分辨成像等领域。同时在这些应用的推动下，近些年来研究人员提出了许多产生柱矢量光束的方法，包括：(1)将双折射材料作为激光的增益介质放置在激光的谐振腔中可以实现径向偏振光束的产生；(2)基于偏振的选择特性，将一个布儒斯特棱镜与激光器等光学元件结合，实现径向偏振光束的直接产生；(3)在4-f系统中加入空间光调制器，对入射光的相位或强度进行调制，可以实现几乎任意矢量光束的产生；(4)具有四分之一波片功能的，空间变化的分块金属光栅也可以将圆偏振光转化为柱矢量光束。对于上述提到的方法(1)-(3)，存在着实验光路复杂或所用到的光学元件的几何尺寸较大等缺点，因此限制了此类方法不适用于微型化、紧凑型的光学系统。而对于方法(4)，其主要应用于红外光波段，当工作波长转移到较短波长时，光栅周期接近加工极限，大大提高了制造亚波长金属光栅的难度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，通过纳米柱的旋转对出射光场偏振方向进行调控，从而实现适用于任意阶数的柱矢量光束的产生。由于基于透射型介质超颖表面具有亚波长像素、透射效率高、体积小和重量轻的优点，因此，通过该方法能够在微型化、紧凑型的光学系统中实现产生柱矢量光束。此外，在实现上述专利技术目的的基础上，本专利技术目的还在于提供一种基于透射型介质超颖表面产生任意偏振方向分布的矢量光束的方法，通过调整纳米柱阵列的方位角分布实现对出射光场偏振方向的任意调控，从而产生的矢量光束在空间上各点均为线偏振态，并在光束的横截面上具有任意的偏振方向分布。该方法可将偏振图案隐藏到矢量光束中，并用于光学防伪，偏振加密等应用场合。本专利技术目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，用于产生柱矢量光束的超颖表面由相同几何尺寸、不同方位角的纳米柱阵列构成。设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱在特定工作波长的光照射下具有半波片功能。通过改变纳米柱单元的方位角实现对出射光场偏振方向的调控。在确定纳米柱单元几何尺寸之后，需要根据目标柱矢量光束的偏振方向分布，得到纳米柱阵列的方位角分布，即确定每个纳米柱单元的旋转角度，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件。利用加工文件，采用电子束刻蚀的微纳加工工艺加工透射型介质超颖表面，当入射线偏振光通过介质超颖表面后即得到目标柱矢量光束。本专利技术公开的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，包括如下步骤：步骤一：用于产生柱矢量光束的超颖表面由相同几何尺寸、不同方位角的纳米柱阵列构成。设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱在特定工作波长的光照射下具有半波片功能，通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控。所述的几何尺寸包括纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期S。用于产生柱矢量光束的超颖表面基于双折射原理。当入射光束通过单个纳米柱单元时，纳米柱单元长轴长度L和短轴长度W的尺寸差异导致沿着长轴方向和短轴方向有着不同的有效折射率，当入射光束通过单个纳米柱单元时，透射光束在长轴和短轴方向上的分量之间会存在相位差δ，相位差δ导致透射光束的偏振态发生改变。考虑将超颖表面单元结构作为半波片，当线偏振光通过该半波片时，透射光的琼斯矩阵如公式(1)所示：式中第一个琼斯矩阵表示半波片，半波片快轴方向与x轴夹角为θ。当入射光为偏振方向与x轴夹角为α的线偏振光时，透射光的偏振态如公式(1)所示。若入射光束为x方向线偏振光，当其经过半波片后透射光束仍为线偏振光，但透射光束偏振方向与入射光偏振方向相比旋转了2θ。保持入射光束为x方向线偏振光，通过将半波片在0°-180°范围内任意旋转，实现偏振方向在0°-360°范围内的任意调控。因此，为了实现基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束，设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱在特定工作波长的光照射下具有半波片功能，通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控，具体实现方法如下：在纳米柱高度H和周期S固定的情况下，扫描仿真纳米柱的长轴长度L和短轴长度W。通过扫描仿真得到沿x轴和y轴方向的线偏振光分别通过不同尺寸纳米柱单元后的电场情况。由仿真所得电场数据计算出x方向线偏振光通过不同尺寸的纳米柱后的相位φx以及透射强度txx。同理，在y方向线偏振光入射时，得到对应的相位φy以及透射强度tyy。最终通过从仿真数据中选择符合φx-φy＝π条件的纳米柱长轴长度L和短轴长度W，从而使纳米柱单元在特定工作波长的光照射下具有半波片功能。纳米柱单元的长轴和短轴可视为半波片的快轴和慢轴。同时，在满足条件的L和W的组合当中应选择所对应透射强度txx和透射强度tyy较高的纳米柱单元几何尺寸。通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控。步骤一所述仿真软件可采用基于严格耦合波分析方法的RCWA、基于时域有限差分方法的FDTD或基于有限元方法的COMSOL。步骤二：通过改变纳米柱单元的方位角实现对出射光场偏振方向的调控，在步骤一中确定纳米柱单元几何尺寸之后，需要根据目标柱矢量光束的偏振方向分布，得到纳米柱阵列的方位角分布，即确定每个纳米柱单元的旋转角度，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件。在极坐标系中柱矢量光束的偏振方向分布如公式(2)所示：Φ(r,φ)＝P×φ+φ0(2)式中：Φ表示柱矢量光束横截面上任意一点的偏振方向，r和φ表示横截面上任意一点到中心点的距离和方位角，P为柱矢量光束的阶数，φ0为初始方位角；当φ0＝0时，公式(2)表示P阶径向偏振光束；当φ0＝π/2时，公式(2)表示P阶角向偏振光束；根据公式(1)(2)可知，纳米柱阵列的方位角分布由θ＝Φ/2给出，即确定每个纳米柱单元的旋转角度，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件。步骤三：利用步骤二所得介质超颖表面结构的加工文件，通过电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质超颖表面，当入射线偏振光通过介质超颖表面后即得到目标柱矢量光束。本专利技术还公开基于透射型介质超颖本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：用于产生柱矢量光束的超颖表面由相同几何尺寸、不同方位角的纳米柱阵列构成；设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱在特定工作波长的光照射下具有半波片功能，通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控；所述的几何尺寸包括纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期S；步骤二：通过改变纳米柱单元的方位角实现对出射光场偏振方向的调控，在步骤一中确定纳米柱单元几何尺寸之后，需要根据目标柱矢量光束的偏振方向分布，得到纳米柱阵列的方位角分布，即确定每个纳米柱单元的旋转位置，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件；在极坐标系中柱矢量光束的偏振方向分布如公式(2)所示：Φ(r,φ)＝P×φ+φ0   (2)式中：Φ表示柱矢量光束横截面上任意一点的偏振方向，r和φ表示横截面上任意一点到中心点的距离和方位角，P为柱矢量光束的阶数，φ0为初始方位角；当φ0＝0时，公式(2)表示P阶径向偏振光束；当φ0＝π/2时，公式(2)表示P阶角向偏振光束；根据公式(1)(2)可知，纳米柱阵列的方位角分布由θ＝Φ/2给出，即确定每个纳米柱单元的旋转角度，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件；步骤三：利用步骤二所得介质超颖表面结构的加工文件，通过电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质超颖表面，当入射线偏振光通过介质超颖表面后即得到目标柱矢量光束。...

【技术特征摘要】
1.基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：用于产生柱矢量光束的超颖表面由相同几何尺寸、不同方位角的纳米柱阵列构成；设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱在特定工作波长的光照射下具有半波片功能，通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控；所述的几何尺寸包括纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期S；步骤二：通过改变纳米柱单元的方位角实现对出射光场偏振方向的调控，在步骤一中确定纳米柱单元几何尺寸之后，需要根据目标柱矢量光束的偏振方向分布，得到纳米柱阵列的方位角分布，即确定每个纳米柱单元的旋转位置，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件；在极坐标系中柱矢量光束的偏振方向分布如公式(2)所示：Φ(r,φ)＝P×φ+φ0(2)式中：Φ表示柱矢量光束横截面上任意一点的偏振方向，r和φ表示横截面上任意一点到中心点的距离和方位角，P为柱矢量光束的阶数，φ0为初始方位角；当φ0＝0时，公式(2)表示P阶径向偏振光束；当φ0＝π/2时，公式(2)表示P阶角向偏振光束；根据公式(1)(2)可知，纳米柱阵列的方位角分布由θ＝Φ/2给出，即确定每个纳米柱单元的旋转角度，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件；步骤三：利用步骤二所得介质超颖表面结构的加工文件，通过电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质超颖表面，当入射线偏振光通过介质超颖表面后即得到目标柱矢量光束。2.如权利要求1所述的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为，用于产生柱矢量光束的超颖表面基于双折射原理。当入射光束通过单个纳米柱单元时，纳米柱单元长轴长度L和短轴长度W的尺寸差异导致沿着长轴方向和短轴方向有着不同的有效折射率，当入射光束通过单个纳米柱单元时，透射光束在长轴和短轴方向上的分量之间会存在相位差δ，相位差δ导致透射光束的偏振态发生改变；考虑将超颖表面单元结构作为半波片，当线偏振光通过该半波片时；透射光的琼斯矩阵如公式(1)所示：式中第一个琼斯矩阵表示半波片，半波片快轴方向与x轴夹角为θ；当入射光为偏振方向与x轴夹角为α的线...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玲玲，赵睿哲，王涌天，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11