一种产生艾里光束的几何相位型超透镜制造技术

本发明专利技术公开了一种产生艾里光束的几何相位型超透镜，主要以广义斯涅尔定律和几何相位为基础，设计可以用于生成艾里光束的平面超薄超透镜，该超透镜包括作为透镜基底的玻璃，设置于该玻璃上表面的用于调制入射光束的微纳二氧化钛立方体结构层。本发明专利技术提出的基于不同旋转角度单层微纳二氧化钛长方体阵列式分布结构的超透镜，解决了传统上产生艾里光束方法器件笨重和结构复杂的问题。本发明专利技术采用微纳结构改进了传统产生一维、二维以及阵列式艾里光束的方式，尽可能缩小透镜的体积与重量，符合现代化光学器件或光电器件小型化可集成的趋势。

【技术实现步骤摘要】
一种产生艾里光束的几何相位型超透镜
本专利技术属于微纳光学、结构光束产生、超材料/超表面/超透镜等领域，特别涉及一种产生艾里光束的几何相位型超透镜。
技术介绍
艾里光束，最早是在量子力学的背景下，由Berry和Balazs于1979年提出的。作为自由势薛定谔方程的非扩展解，首先通过实验观察的是Siviloglou等人。艾里光束因其自弯曲行为，横向加速度和自愈合等特性受到广泛关注，这种特性也使得艾里光束携带自弯曲的传播方向相位梯度，具有光学通信和光学操控等方面的应用潜力。艾里光束的产生是基于指数截断艾里函数的角傅里叶谱，是具有立方相位调制的高斯光束。在这种情况下，为了产生艾里光，必须要将立方相位加载到入射光中并进一步通过会聚透镜进行傅里叶变换。将立方相位调制到高斯光束上的直接方法是使用空间光调制器，该方法可用于在实验过程中动态调整光束的性能。然而，空间光调制器是一个精密昂贵的装置，且不能承受高功率的激光。此外，液晶产生的相位调制往往会伴随着高散射损耗。另外，还可以使用立方相位掩模、非对称调制二次非线性光学介质中的三波混合过程或利用倾斜简单球面透镜引起的光学像差来产生艾里光。但是这些方法也有一些缺点，例如，相位掩模的制造需要昂贵的光刻技术来产生携带相位调制的图案。非对称极化技术仅限于产生一维艾里光，透镜倾斜需要非常精确的对准。近年来，超表面被认为是具有定制化设计并且十分具有应用潜力的二维超材料，其能够以所期望的灵活方式赋予入射光一定的相位延迟，达到控制透射或反射的电磁波的相位，幅度和偏振的目的。由于这种对入射光的自由调控，超表面已被制造为透镜、波片、偏振器光学器件等。此外，超透镜被逐步设计出用于产生各种特殊形式的光场，如光学涡旋、贝塞尔光束等。对比传统光学元件通过对镜片进行切割，研磨制造，再组合到一起形成透镜组，超透镜满足现代光学器件尺寸的缩小与轻量化，并且可以灵活调控入射光。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种产生艾里光束的几何相位型超透镜。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种产生艾里光束的几何相位型超透镜，所述超透镜包括作为透镜基底的玻璃，设置于该玻璃上表面的用于调制入射光束的微纳二氧化钛立方体结构层，该结构层包括阵列式排布的若干个单层二氧化钛立方体结构单元。进一步地，所述超透镜调制入射光的条件为：入射光为圆偏振光，入射光波长为532nm。进一步地，所述微纳二氧化钛立方体结构层M1在532nm波长的圆偏振光入射情况下，实现半波片功能，用于改变入射光的几何相位。进一步地，以所述玻璃的下表面为x-y平面，垂直于该平面的轴向作为z轴，所述单层二氧化钛立方体结构单元沿z轴的旋转角度可调，用于满足一维艾里光束、二维艾里光束以及阵列式艾里光束的相位分布，实现将入射光调控为一维艾里光束、二维艾里光束以及阵列式艾里光束。进一步地，所述超透镜基底上、下表面的边缘均涂覆有抗反射层。进一步地，所述超透镜上表面覆盖SU-8聚合物，用于填充微纳二氧化钛立方体结构层的间隙。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)本专利技术的光学超透镜是在平面玻璃基底上排列微纳规格二氧化钛立方体结构层的特殊透镜，以实现传统光学中空间光调制器或相位掩膜结合会聚透镜的系统功能，能够以非常有限的体积实现复杂的传统光学系统的功能，其功能性主要依托于微纳规格二氧化钛立方体的排列结构，不同的排列结构能够实现不同的功能，且具有对入射光灵活的调控能力和极大的拓展空间；2)可以通过改变微纳二氧化钛立方体结构层的排布方式，将入射光灵活地调控为一维艾里光束、二维艾里光束以及阵列式艾里光束，简单易实现；3)在保证以上两点能力的情况下使用具有微纳结构的透镜能提高超透镜的工作效率，降低损耗，尽可能缩小透镜系统的体积与重量，具有小型化和可集成的优点。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为一个实施例中产生艾里光束的几何相位型超透镜的结构示意图。图2为一个实施例中用于生成一维艾里光束的超透镜微纳二氧化钛立方体阵列分布图和附加的相位分布图，其中图(a)为微纳二氧化钛立方体阵列分布，图(b)为超透镜微纳二氧化钛立方体阵列所需要的相位调制分布，图(c)为微纳二氧化钛立方体结构单元需要的旋转角度。图3为一个实施例中对用于生成一维艾里光束的超透镜进行仿真的结果图，其中图(a)为一维艾里光束的传播方向x-z平面的光场分布仿真结果图，图(b)为验证其自愈合特性的仿真结果图。图4为一个实施例中对一维艾里光束的附加偏转相位进行调制后的仿真结果图，其中，图(a)为附加偏转角为5°的光场分布仿真结果图，图(b)为附加偏转角为10°的光场分布仿真结果图，图(c)为附加偏转角为15°的光场分布仿真结果图，图中的虚线表示没有附加偏转相位时的一维艾里光束的传播方向。图5为一个实施例中的相位分布图，其中图(a)为三次相位分布图，图(b)为二维艾里光束的相位分布图，也即三次相位分布图进行一次傅里叶变换的结果。图6为一个实施例中用于生成二维艾里光束的超透镜模型俯视示意图，其中包括微纳二氧化钛立方体阵列分布。图7为一个实施例中用于生成二维艾里光束的超透镜模型侧视示意图，其中包括微纳二氧化钛立方体阵列分布。图8为一个实施例中通过图6和图7中超透镜产生的二维艾里光束的光场分布仿真结果图。图9为一个实施例中通过超透镜产生的阵列式艾里光束的光场分布仿真结果图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的几个实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容更加透彻全面。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。在一个实施例中，结合图1，提供了一种产生艾里光束的几何相位型超透镜，所述超透镜包括作为透镜基底的玻璃L1，设置于该玻璃上表面的用于调制入射光束的微纳二氧化钛立方体结构层M1，该结构层包括阵列式排布的若干个单层二氧化钛立方体结构单元。这里优选地，单层二氧化钛立方体结构单元中心间的距离为325nm。进一步地，在其中一个实施例中，所述超透镜调制入射光的条件为：入射光为圆偏振光，入射光波长为532nm。进一步地，在其中一个实施例中，所述微纳二氧化钛立方体结构层M1在532nm波长的圆偏振光入射情况下，实现半波片功能，用于改变入射光的几何相位。进一步地，在其中一个实施例中，以所述玻璃L1的下表面为x-y平面，垂直于该平面的轴向作为z轴，所述单层二氧化钛立方体结构单元沿z轴的旋转角度可调，用于满足一维艾里光束、二维艾里光束以及阵列式艾里光束的相位分布，实现将入射光调控为一维艾里光束、二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种产生艾里光束的几何相位型超透镜，其特征在于，所述超透镜包括作为透镜基底的玻璃(L1)，设置于该玻璃上表面的用于调制入射光束的微纳二氧化钛立方体结构层(M1)，该结构层包括阵列式排布的若干个单层二氧化钛立方体结构单元。/n

【技术特征摘要】
1.一种产生艾里光束的几何相位型超透镜，其特征在于，所述超透镜包括作为透镜基底的玻璃(L1)，设置于该玻璃上表面的用于调制入射光束的微纳二氧化钛立方体结构层(M1)，该结构层包括阵列式排布的若干个单层二氧化钛立方体结构单元。


2.根据权利要求1所述的产生艾里光束的几何相位型超透镜，其特征在于，所述超透镜调制入射光的条件为：入射光为圆偏振光，入射光波长为532nm。


3.根据权利要求2所述的产生艾里光束的几何相位型超透镜，其特征在于，所述微纳二氧化钛立方体结构层(M1)在532nm波长的圆偏振光入射情况下，实现半波片功能，用于改变入射光的几何相位。


4.根据权利要求3所述的产生艾里光束的几何相位型超透镜，其特征在于，以所述玻璃(L1)的下表面为x-y平面，垂直于该平面的轴向作为z轴，所述单层二氧化钛立方体结构单元沿z轴的旋转角度可调，用于满足一维艾里光束、二维艾里光束以及阵列式艾里光束的相位分布，实现将入射光...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈哲，王子尧，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32