一种高效率超表面涡旋聚焦透镜制造技术

本发明专利技术公开一种高效率超表面涡旋聚焦透镜，涉及光学透镜技术领域，该透镜包括基底和设置于基底上的具有涡旋聚焦特性的相位波阵面；所述的相位波阵面由多个纳米柱构成，并根据各纳米柱所处位置点赋予其对应的相位值以将入射平面波转换为具有任意轨道角动量的涡旋光且聚焦在指定焦距处；形成波长量级的能量环；由于所使用的理论机制可以充分利用除吸收和反射之外的入射光能量，加上对纳米天线的尺寸和分布周期的优化，以及对目标波阵面进行的逐点而不是逐区域的相位调制，所设计的超表面涡旋透镜的聚焦效率可以高达80％，形成波长量级的高能涡旋光。

【技术实现步骤摘要】
一种高效率超表面涡旋聚焦透镜
本专利技术涉及光学透镜
，尤其涉及一种高效率超表面涡旋聚焦透镜。
技术介绍
传统复杂涡旋光束的产生多依赖于笨重或昂贵的装置，例如螺旋相位板，电脑计算的全息图，亚波长光栅，环形光栅和非晶介质如晶体液体等。到目前为止，在基于超表面的涡旋的发展方面已经有了很大进展，然而，它们的相位实现机制很大程度上依赖于入射光的交叉偏振分量，共偏振分量不参与波前操纵而被浪费，这种设计在理论上，除了诸如吸收和反射之类的常见损耗之外，还会导致总的入射功率的额外损失。此外，之前用于产生涡旋的超表面的波前多采用逐区域调控，这使得方位角上的相位分布非常粗糙和不均匀，导致产生的涡流质量不高。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
中的问题提供一种高效率超表面涡旋聚焦透镜，提高透镜聚焦效率形成波长量级的高能涡旋光。为了实现上述目的，本专利技术提出一种高效率超表面涡旋聚焦透镜，包括基底和设置于基底上的具有涡旋聚焦特性的相位波阵面；所述的相位波阵面由多个纳米柱构成，并根据各纳米柱所处位置点赋予其对应的相位值以将入射平面波转换为具有任意轨道角动量的涡旋光且聚焦在指定焦距处。优选地，所述的纳米柱，其截面为正方形且通过设置正方形的边长以覆盖相位范围。优选地，所述的相位波阵面为螺旋波阵面和球形波阵面的叠加。优选地，所述的多个纳米柱，具体为：亚波长的等距纳米天线。优选地，所述的基底为平面基底。优选地，所述的根据各纳米柱所处位置点赋予其对应的相位值，具体为：在各纳米柱的位置(xi，yi)处应赋予以下的相位值：其中，xi为纳米柱的面内横坐标，yi为纳米柱的面内纵坐标，λ0为涡旋透镜的预设波长，l为指定轨道角动量状态的整数，f0为涡旋透镜的焦距，θ为方位角。优选地，所述的正方形的最大边长等于单位单元尺寸，且单位单元尺寸满足奈奎斯特采样标准。本专利技术提出一种高效率超表面涡旋聚焦透镜，主要基于平板波导的有效折射率理论设计了具有亚波长厚度，能够高效地进行涡旋聚焦的超表面涡旋透镜；所设计的超表面涡旋透镜首先可以将入射平面波转换为具有任意轨道角动量的涡旋光，然后再将该涡旋光聚焦在指定焦距处，形成波长量级的能量环；由于所使用的理论机制可以充分利用除吸收和反射之外的入射光能量，加上对纳米天线的尺寸和分布周期的优化，以及对目标波阵面进行的逐点而不是逐区域的相位调制，所设计的超表面涡旋透镜的聚焦效率可以高达80％，形成波长量级的高能涡旋光。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1为本专利技术一种实施例中高效率超表面涡旋聚焦透镜结构示意图；图2为本专利技术一种实施例中涡旋聚焦光束示意图，其中，(a)为涡旋聚焦光束；(b)为不同轨道角动量的涡旋光束，(c)为聚焦光束；图3为本专利技术一种实施例中高效率超表面涡旋聚焦透镜产生涡旋聚焦光束示意图；图4为本专利技术一种实施例中纳米柱结构示意图，其中，图(a)为纳米柱高度示意图，图(b)为纳米柱宽度示意图；图5为本专利技术一种实施例中高效率超表面涡旋聚焦透镜性能示意图，其中，图(a)为相位与方形宽度关系示意图，图(b)为传输与方形宽度关系示意图，图(c)为方形宽度与相位及振幅关系示意图；图6为本专利技术一种实施例中纳米柱中的电场分布图，其中，图(a)为50nm宽度电场分布示意图，图(b)为150nm宽度电场分布示意图，图(c)为250nm宽度电场分布示意图；图7为本专利技术一种实施例中不同纳米方柱中的归一化基模示意图；图8为本专利技术一种实施例中纳米方柱耦合性能示意图，图(a)为双矩形波导定向耦合器模型示意图，图(b)为不同纳米方柱对在不同距离处的耦合系数示意图；图9为本专利技术一种实施例中平面波经过l＝1的涡旋透镜后在不同的z值上的场强、电场和相位分布示意图，其中，(a)为不同的z值上的场强示意图，(b)为不同的z值上的电场示意图，(c)为不同的z值上的相位分布示意图；图10为本专利技术一种实施例中l＝1涡旋透镜的聚焦特性分析示意图，其中，图(a)为x-z平面上的光强分布示意图，图(b)为焦平面上的场强分布示意图，图(c)为通过焦环中心的横向和纵向光强分布示意图；图11为本专利技术一种实施例中轨道角动量为2-8的涡旋光示意图，其中，(a)为距离超表面出射面0.12μm处形成的涡旋电场分布示意图，(b)为距离超表面出射面0.12μm处形成的涡旋相位分布示意图，(c)为在所产生的涡旋光在焦平面上的相应电场分布示意图，(d)为在所产生的涡旋光在焦平面上的相应相位分布示意图；图12为本专利技术一种实施例中l＝2到8的涡旋超透镜的焦平面场强分布与焦环的横向和纵向场强分布，其中，图(a)为焦平面场强分布示意图，图(b)为焦环的横向和纵向场强分布示意图；图13为本专利技术一种实施例中焦环性能示意图，其中，图(a)为焦环上的峰值聚焦强度与轨道角动量数关系示意图，图(b)为焦环上的总能量和焦环的尺寸(半高宽和峰峰距离)之间的关系示意图；图14为本专利技术一种实施例中拓扑荷为0和1的涡旋超透镜的色散特性示意图，其中，图(a)为为光经过两个透镜后在x-z平面中的强度分布示意图，图(b)为两个涡旋透镜在焦平面上的场强分布示意图；图(c)为具有l＝0和1的涡旋透镜的模拟焦距偏移与具有相同几何参数的衍射透镜的色散特性关系示意图。本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明，若本专利技术实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，若本专利技术实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本专利技术要求的保护范围之内。本专利技术提出一种高效率超表面涡旋聚焦透镜；本专利技术一种优选实施例中，如图1所示，所述的高效率超表面涡旋聚焦透镜包括平面基底1和设置于平面基底上的具有涡旋聚焦特性的相位波阵面2；所述的相位波阵面2由多个纳米柱构成，并根据各纳米柱所处位置点赋予其对应的相位值以将入射平面波转换为具有任意轨道角动量的涡旋光且聚焦在指定焦距处。本专利技术实施例中，如图2所示，图2中(a)显示了本专利技术的涡旋聚焦光束，其相位波阵面的调控可以看作两个波阵面的叠加：第一个为螺旋波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效率超表面涡旋聚焦透镜，其特征在于，包括基底和设置于基底上的具有涡旋聚焦特性的相位波阵面；所述的相位波阵面由多个纳米柱构成，根据各纳米柱所处位置点赋予其对应的相位值以将入射平面波转换为具有任意轨道角动量的涡旋光且聚焦在指定焦距处。

【技术特征摘要】
1.一种高效率超表面涡旋聚焦透镜，其特征在于，包括基底和设置于基底上的具有涡旋聚焦特性的相位波阵面；所述的相位波阵面由多个纳米柱构成，根据各纳米柱所处位置点赋予其对应的相位值以将入射平面波转换为具有任意轨道角动量的涡旋光且聚焦在指定焦距处。2.根据权利要求1所述的高效率超表面涡旋聚焦透镜，其特征在于，所述的纳米柱，其截面为正方形且通过设置正方形的边长以覆盖相位范围。3.根据权利要求1所述的高效率超表面涡旋聚焦透镜，其特征在于，所述的相位波阵面为螺旋波阵面和球形波阵面的叠加。4.根据权利要求1所述的高效率超表面涡旋聚焦透镜，其特征在于，所述的多个纳米柱，具体为...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦中超，梁瑶瑶，毛敏，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44