全电介质材料的多通道聚焦涡旋光束产生器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种全电介质材料的多通道聚焦涡旋光束产生器及制备方法，包括衬底、介质纳米柱阵列。这些介质纳米柱按照特定的方式排布在衬底上；本发明专利技术通过选择合适的纳米柱周期与纳米柱的尺寸(长﹑宽﹑高)，通过引入几何相位，调节纳米柱绕其中心轴的旋转角度，从而实现对透过光束的波前相位进行全相位操控。将透镜和涡旋相位板的功能集成到一块介质纳米柱阵列器件上，实现对涡旋光束的聚焦，在设定的焦平面上产生“甜甜圈式”的能量密度分布。基于全息原理，在一个器件上实现了涡旋光束的多路产生。本发明专利技术大大提升了涡旋光产生器件的效率，降低器件的尺寸,提高了器件的可集成性。

【技术实现步骤摘要】
全电介质材料的多通道聚焦涡旋光束产生器及制备方法
本专利技术涉及光束整形及空间光场调控技术，具体指一种全电介质材料的高效率高数值孔径的多通道聚焦涡旋光束产生器及其制备方法。
技术介绍
随着现代通信技术的发展，信息容量的爆发式增长对信道传输容量提出了更高的要求。涡旋光束因其独特的物理性质在提高信道传输容量方面存在着令人看好的应用前景，因此在过去的几年中基于涡旋光束轨道角动量的研究无论是在光子学或者射频通信领域都备受关注。角动量是电磁波的一种内禀的物理属性，由自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)组成。圆偏振光束携带有自旋角动量很早就被理论与实验所证实。1992年艾伦等发现可用一个方位相位项exp(ilθ)描述由带有的轨道角动量的光子组成的光束，其中l可以取任意整数。轨道角动量来源于相位波前的螺旋性质，螺旋型的相位分布意味着光的线动量有一个方位分量。从此之后，涡旋光束的研究成为了一个热点。与自旋角动量相比，轨道角动量对数据传输更有用。其中l是OAM的模数，也称为拓扑电荷数，可以是任意大的整数，θ为波面上坐标的方位角(θ＝atan(x/y))。因此在涡旋光束的相位波前中心存在相位奇点，导致涡旋光束在与传播轴垂直的方向具有甜甜圈式的密度轮廓分布。与电磁波的偏振状态只提供有限的通道相比，OAM可以有无限多的彼此正交的本征态(也称为OAM模)，从而可以提供更多的信道来增加通信传输容量。传统的产生涡旋光束的方法有螺旋相位片﹑柱透镜﹑空间光调制器﹑叉形全息光栅等。然而由于这些传统的器件尺寸很大，光路系统复杂，因此很难被集成到光子集成电路中去，大大阻碍了涡旋光束在光子集成电路中的应用。因此，寻找一种易集成的﹑简单快捷的﹑能量分辨率高的涡旋光束产生器件已迫在眉睫。目前，由周期或非周期亚波长厚度纳米柱阵列组成的二维超构材料(即二维超表面)由于其在对光束的偏振态﹑振幅﹑波前相位灵活有效的调控能力以及现代纳米加工的技术的巨大突破而备受关注。人们已经基于二维超表面调控光束波前的技术制备出了集中涡旋光束产生器件，器件具有10％～45％的产生效率。另外，基于金属纳米孔天线阵列对光束的振幅和相位同时调控，从而达到抑制高次衍射阶，提高涡旋光束的能量分辨率，减小噪声的目的，制备出了多路涡旋光束产生器件，然而由于金属的欧姆损耗及反射辐射损耗比较高，导致涡旋产生器的效率很低(约15％)。因此，基于全电介质材料的极低损耗特性，并将透镜的聚焦功能和涡旋相位片的功能集成到一块器件上，实现对涡旋光束的聚焦，不仅可以得到较高的涡旋光束产生效率，而且极大提高了焦平面上涡旋光束的能量分辨率，几乎没有高阶衍射的噪声干扰。
技术实现思路
本专利技术主要针对传统涡旋光产生器件的体积大﹑光路系统复杂﹑难于集成到光子电路中的不足，提出了一种基于全电介质材料的多路聚焦涡旋光束产生器及制备方法。本专利技术所公开的一种基于全电介质材料的多通道聚焦涡旋光束产生器结构，包括衬底2、介质纳米柱阵列1。在所述的衬底2上按照从下向上的顺序依次生长介质纳米柱阵列2。所述衬底2的材料为二氧化硅、氮化硅、宝石片、锗或氟化镁。所述介质纳米柱阵列1的材料是二氧化钛、硅、锗、氮化镓或硫化锌。通过选择合适的介质纳米柱周期，纳米柱尺寸。在保证较高的透过率以及偏振转化效率的前提下。调整纳米柱的旋转角度实现对透射光束波前的全相位调控。纳米柱高度范围为500nm～2000nm，周期范围为300nm～1800nm，纳米柱的长和宽的范围均为70nm～1500nm。为了达到对涡旋光束的聚焦以及实现多通道复用功能，依据全息原理和等光程原理，该介质纳米柱阵列必须补偿的相位差Φm(x,y,0)满足:其中(x,y)是衬底上介质纳米柱的中心坐标，θ是其对应的方位角。j为虚数单位，i代表第i个通道，n代表通道的数目，li代表第i个通道的涡旋光束的拓扑电荷数。(xi,yi,fi)代表第i个通道的波束被聚焦的焦点位置，f为焦距。纳米柱的旋转角度依据几何相位理论，满足下式:本专利技术提供一种基于全电介质材料的多通道聚焦涡旋光束产生器的制备方法，包括以下步骤：1)在衬底2上，利用等离子体增强化学气相沉积法、电子束蒸发或磁控溅射方法生长出介质薄膜，形成500nm～2000nm厚度的介质层1；2)通过电子束光刻、纳米压印或紫外光刻等图形发生的方法在介质薄膜上形成按照上述方程排布的介质纳米柱阵列图案；3)通过干法刻蚀或湿法刻蚀方法对暴露出来的介质层进行刻蚀，形成介质纳米柱阵列即多通道聚焦涡旋光束产生器；采用了上述技术方案后，本专利技术具有以下的有益效果：可将入射的圆偏振光束转化成多通道聚焦涡旋光束，每个通道的涡旋光束携带任意设定的拓扑电荷数(如附图5-8所示)，每路涡旋光束被聚焦到设定的焦平面上，透射率达到80％以上。附图说明为了使本专利技术的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施案例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明，其中图1为本专利技术一种基于全电介质材料的多通道聚焦涡旋光束产生器的结构示意图；图2为本专利技术中入射光通过介质纳米柱阵列后的透射谱、反射谱、吸收谱；图3为本专利技术中入射光通过介质纳米柱阵列后的偏振转化效率﹑透过率；图4为本专利技术中入射光通过介质纳米柱阵列后，透射光束的相位改变及透过率与介质纳米柱旋转角度的关系；图5为本专利技术中入射光束通过实施例1中多通道涡旋光束产生器件后在焦平面上的电场能量密度分布；图6为本专利技术中入射光束通过实施例2中多通道涡旋光束产生器件后在焦平面上的电场能量密度分布；图7为本专利技术中入射光束通过实施例3中多通道涡旋光束产生器件后在焦平面上的电场能量密度分布；图8为本专利技术中入射光束通过实施例4中多通道涡旋光束产生器件后在焦平面上的电场能量密度分布；附图中标号为：1为衬底；2为介质纳米柱阵列。具体实施方式见图1为本专利技术的结构示意图，如图2-4所示，在保证单元器件具有较高的透过率和偏振转换效率的前提下，通过引入几何相位，渐变地调节介质纳米柱绕其中心轴的旋转角度，从而实现对透过光束的波前相位进行0～2π的全相位操控。通过将透镜和一般涡旋相位板的功能集成到一块超表面器件上，实现对涡旋光束的聚焦，在设定的焦平面上产生甜甜圈式的能量密度分布。介质纳米柱阵列1生长在介质衬底2上。如图2为本专利技术中入射光通过介质纳米柱阵列后的透射谱、反射谱、吸收谱；图3为本专利技术中入射光通过介质纳米柱阵列后的偏振转化效率﹑透过率；图4为本专利技术中入射光通过介质纳米柱阵列后，透射光束的相位以及透过率与介质纳米柱旋转角度的关系；实施例1见图1，一种基于全电介质材料的多通道聚焦涡旋光束的产生器，包括衬底2、介质纳米柱阵列1。ZnS纳米柱阵列生长在SiO2衬底上；纳米柱高度为550nm，长度为290nm，宽度70nm，纳米柱周期为320nm；为了达到对涡旋光束的聚焦以及实现多路复用功能，依据全息原理和等光程原理，该介质纳米柱阵列必须补偿的相位差Φm(x,y,0)满足:其中(x,y)是衬底上介质纳米柱的中心坐标，θ是其对应的方位角，j为虚数单位，i代表第i个通道，n代表通道的数目，li代表第i个通道的涡旋光束的拓扑电荷数。(xi,yi,fi)代表第i个通道的波束被聚焦的焦点位置，f为焦距。作为展示取l1＝-1,l2＝-2,l3＝1,l4＝2,l5＝0五路涡旋光束，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全电介质材料的多通道聚焦涡旋光束产生器，包括衬底(2)、电介质纳米柱阵列(1)，其特征在于：所述的多通道聚焦涡旋光束产生器的结构为：在所述的衬底(2)上生长电介质纳米柱阵列(1)；所述衬底(2)的材料是二氧化硅、氮化硅、宝石片、锗或氟化镁；所述电介质纳米柱阵列(1的材料是二氧化钛、硅、锗、氮化镓或硫化锌，纳米柱高度为500nm～2000nm，纳米柱的周期，即相邻纳米柱的间距，为300nm～1800nm，纳米柱的长和宽的为70nm～1500nm。纳米柱的旋转为0～π弧度。

【技术特征摘要】
1.一种全电介质材料的多通道聚焦涡旋光束产生器，包括衬底(2)、电介质纳米柱阵列(1)，其特征在于：所述的多通道聚焦涡旋光束产生器的结构为：在所述的衬底(2)上生长电介质纳米柱阵列(1)；所述衬底(2)的材料是二氧化硅、氮化硅、宝石片、锗或氟化镁；所述电介质纳米柱阵列(1的材料是二氧化钛、硅、锗、氮化镓或硫化锌，纳米柱高度为500nm～2000nm，纳米柱的周期，即相邻纳米柱的间距，为300nm～1800nm，纳米柱的长和宽的为70nm～1500nm。纳米柱...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冠海，欧凯，郁菲茏，赵增月，陈金，陈效双，陆卫，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31