基于惠更斯超颖表面产生贝塞尔光束阵列的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于惠更斯超颖表面产生贝塞尔光束阵列的方法，属于微纳光学和二元光学应用技术领域。本发明专利技术首先通过遗传算法优化达曼光栅单元相位以实现均一功率的分束功能，然后叠加贝塞尔光束相位得到总的相位。接下来根据优化好的总相位对超颖表面进行编码。通过改变圆盘纳米柱单元的半径，使超颖表面对出射光束的相位和振幅进行任意地调控。通过改变纳米柱单元半径能够使透射光相位变化覆盖0‑2π的范围，同时保持透过率达到百分之七十以上，生成相应介质超颖表面结构的加工文件。采用激光照射在样品上，会在透射方向生成贝塞尔光束阵列，并且这种生成结果是和入射偏振无关的，并具有传播距离远、效率高的特点。

Generation of Bessel beam array based on Huygens hyperglume surface

【技术实现步骤摘要】
基于惠更斯超颖表面产生贝塞尔光束阵列的方法
本专利技术涉及一种产生偏振不依赖的大容量贝塞尔光束阵列方法，特别涉及一种基于惠更斯超颖表面产生贝塞尔光束阵列的方法，属于微纳光学和二元光学应用

技术介绍
超颖表面通常是由单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。传统光学元件是通过光在传播过程中的相位累积来调控光场的，而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形状、材料、尺寸，能够灵活调控入射光的波面。惠更斯超颖表面是超颖表面的一种，惠更斯超颖表面利用正交电、磁偶极子的组合，基于惠更斯次波源原理，产生近似均一的透过效率。由于惠更斯超颖表面提供了光场调控的新方法和灵活性，研究人员将惠更斯超颖表面应用于光束整形、偏振转换、涡旋光束的产生、信息通讯等领域。贝塞尔光束具有非衍射特性，其形式是第一类贝塞尔函数。这种光束是图灵(Durnin)在1987年解惠特克的亥姆霍兹方程解时发现的。由贝塞尔光束组成的阵列称为贝塞尔光束阵列。贝塞尔光束的产生主要分为面内表面波产生以及面外传播产生。一直以来，研究人员提出了许多产生贝塞尔光束阵列的方法。传统上，贝塞尔光束的产生的方法包括使用柱透镜，衍射光学元件，复合全息图或空间光调制器(SLM)等。但是这些方法受制于光束质量、传输效率、传播距离等的问题。还受到有限数值孔径(NA)、偏振相关等的限制。此外这些方法产生贝塞尔光束的元件普遍都比较大不能够很好的集成于光电器件中。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于惠更斯超颖表面产生贝塞尔光束阵列的方法，该方法将结合了达曼光栅相位、贝塞尔光束相位、柱透镜相位的总相位编码到同一超颖表面，每个超颖表面单元仅由单个圆盘纳米柱构成，能够提高传统的贝塞尔光束产生方法产生光束的质量，并且能够实现较长传播距离的高效率贝塞尔光束阵列产生。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。基于惠更斯超颖表面产生贝塞尔光束阵列的方法，首先通过优化算法优化达曼光栅单元相位以实现均一功率的分束功能，然后叠加贝塞尔光束相位、柱透镜相位得到总的相位。接下来根据优化好的总相位对超颖表面进行编码。用于编码的超颖表面是可以通过调节尺寸实现对入射光场进行振幅和相位调控的天线。由于通过改变天线尺寸能够使出射光相位变化覆盖0-2π的范围，同时保持较高均匀透过率，因此选定若干个不同尺寸对应结构进行编码，从而生成相应介质超颖表面结构的加工文件。根据加工文件采用微纳加工工艺加工超颖表面样品。激光照射在样品上，会生成贝塞尔光束阵列，并且这种生成结果是和入射偏振无关的，并具有传播距离远、效率高的特点。基于惠更斯超颖表面产生贝塞尔光束阵列的方法，包括如下步骤：步骤一：利用模拟退火算法、遗传算法等优化算法优化产生大周期单元相位信息，大周期单元的尺寸可调，并且组成大周期单元的小周期尺寸也可调；再将大周期单元按照达曼光栅的周期排列，得到阵列；通过在阵列中加入柱透镜相位信息，得到阵列的总相位信息，此时，阵列的总相位信息的振幅表达形式为U0＝exp(1i*gr)*exp(1i*B)*tpp,其中gr＝exp(-1i2πr/r0)是柱透镜的相位因子，i是虚数单位，是径向的(P是小周期单元尺寸，x和y分别是笛卡尔坐标系下的x方向和y方向的坐标)，r0是调控贝塞尔光束半径的常数。B是基于遗传算法或者模拟退火算法优化得到的达曼光栅的阵列的相位信息，即是在加入柱透镜相位信息之前的阵列的相位信息；是圆形光阑。阵列的总相位信息用于惠更斯超颖表面的编码。步骤二：用于编码的惠更斯超颖表面为纳米天线，入射光场照射到所述纳米天线，出射光场的振幅和相位会随着纳米天线结构尺寸的变化而变化；因此通过改变纳米天线的结构尺寸、周期或结构尺寸和周期，能够对惠更斯超颖表面出射光束的相位和振幅进行任意地调控。扫描纳米天线的结构尺寸，得到每个结构尺寸对应的振幅相位分布，并在满足振幅较为均一的前提下选取相位能覆盖0-2π范围的若干点作为编码总相位分布的结构。步骤三：根据步骤二得到的若干个结构对步骤一得到的总相位信息进行编码；进而确定纳米天线阵列的尺寸分布，从而生成相应惠更斯超颖表面结构的加工文件。步骤四：利用步骤三所得惠更斯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，制备惠更斯超颖表面阵列。将激光入射到惠更斯超颖表面上得到贝塞尔光束阵列。步骤二所述扫描纳米天线的结构尺寸，得到每个结构尺寸对应的振幅相位分布的方法包括：时域有限差分方法(FDTD)或者有限元法(FEM)等相关电磁计算方法计算电磁场。有益效果：1、本专利技术公开的基于惠更斯超颖表面产生贝塞尔光束阵列的方法，利用模拟退火优化算法或者遗传算法得到达曼光栅分束器的超单元相位，超单元大小为可调，并产生达曼光栅的周期排列。通过加入柱透镜相位得到总的相位。该相位用于惠更斯超颖表面的编码。2、本专利技术公开的基于惠更斯超颖表面产生贝塞尔光束阵列的方法，用于实现贝塞尔光束阵列产生的惠更斯超颖表面是由具有不同结构尺寸的纳米天线阵列构成，通过改变纳米柱的尺寸，使惠更斯超颖表面对出射光束的相位和振幅进行任意地调控。3、本专利技术公开的基于惠更斯超颖表面产生贝塞尔光束阵列的方法，相比与传统的柱透镜、空间光调制器等产生贝塞尔光束的方法，能够极大地提高紧凑性，可应用于纳米器件集成。此外，还可以克服传统方法所面临的诸如光束生成质量和效率等挑战。同时，基于惠更斯超颖表面产生的的贝塞尔光束具有偏振不敏感特性。本方法于并行激光制造，分子传输和细胞检测的高效光学镊子等应用场合。附图说明图1是本专利技术的一种基于惠更斯超颖表面的贝塞尔光束阵列生成流程图；图2是基于惠更斯超颖表面的贝塞尔光束阵列生成示意图。灰色箭头表示入射光的偏振。(a)由纳米柱组成的以产生贝塞尔光束阵列的惠更斯超颖表面的图示。(b)贝塞尔光束的三维图像。(c)单个贝塞尔光束的横截面线。图3是惠更斯超颖表面的模拟。(a)惠更斯超颖表面单元由二氧化硅基底上方的圆柱形纳米柱组成。(b)通过改变纳米柱的半径来改变惠更斯超颖表面单元的振幅和相位。图4是贝塞尔光束阵列的仿真结果。以下是我们的惠更斯超颖表面和贝塞尔光束生成的设计过程。(a)达曼光栅的相位轮廓。插图是一个大周期单元内的优化相位分布。(b)柱透镜的相位轮廓。(c)将达曼光栅与柱透镜函数相结合的最终贝塞尔相位轮廓。(d)利用菲涅耳传播原理对贝塞尔光束进行数值模拟。图5是加工样品和实验设置。(a)-(b)惠更斯超颖表面的SEM图像的侧视图。(c)实验装置。图6是贝塞尔光束阵列生成的实验结果。(a)在xy平面中生成的5×5贝塞尔光束阵列的实验结果。白色箭头表示我们用于生成yz平面的级次。(b)贝塞尔光束阵列在yz平面内具有非衍射传播特性。可以清楚地观察到贝塞尔光束的5个主要级次。(c)对应于xy平面中的贝塞尔光束的某一级次的横截面线(实验结果)。(d)对应于xy平面中的贝塞尔光束的某一级次的横截面线(仿真结果)。具体实施方式为了更好的说明本专利技术的目的和优点，下面结合附图和实施例对
技术实现思路
做进一步说明。实施例1：由于微纳加工技术的成熟，大规模的微纳元件器件加工成为可能。加上超颖表面本身本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于惠更斯超颖表面产生贝塞尔光束阵列的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：利用优化算法优化产生大周期单元相位信息，大周期单元的尺寸可调，并且组成大周期单元的小周期尺寸也可调；再将大周期单元按照达曼光栅的周期排列，得到阵列；通过在阵列中加入柱透镜相位信息，得到阵列的总相位信息，阵列的总相位信息的振幅表达形式为U0＝exp(1i*gr)*exp(1i*B)*tpp，其中gr＝exp(‑1i2πr/r0)是柱透镜的相位因子，i是虚数单位，

【技术特征摘要】
2019.04.11 CN 20191028886401.基于惠更斯超颖表面产生贝塞尔光束阵列的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：利用优化算法优化产生大周期单元相位信息，大周期单元的尺寸可调，并且组成大周期单元的小周期尺寸也可调；再将大周期单元按照达曼光栅的周期排列，得到阵列；通过在阵列中加入柱透镜相位信息，得到阵列的总相位信息，阵列的总相位信息的振幅表达形式为U0＝exp(1i*gr)*exp(1i*B)*tpp，其中gr＝exp(-1i2πr/r0)是柱透镜的相位因子，i是虚数单位，是径向的(P是小周期单元尺寸，x和y分别是笛卡尔坐标系下的x方向和y方向的坐标)，r0是调控贝塞尔光束半径的常数。B是基于遗传算法或者模拟退火算法优化得到的达曼光栅的阵列的相位信息，即是在加入柱透镜相位信息之前的阵列的相位信息；是圆形光阑。阵列的总相位信息用于惠更斯超颖表面的编码。步骤二：用于编码的惠更斯超颖表面为纳米天线，入射光场照射到所述纳米天线，出射光场的振幅和相位会随着纳米天线结构尺寸的变化而变化；因此通过改变纳米天线的...

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