对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法技术

本发明专利技术基于SPP的特点提出了一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法，其仅需要在金膜上刻蚀几个按照圆环分布的圆形小孔，容易加工、刻蚀简单。由于表面等离激元的特点，实现了近场轨道角动量检测，因此检测器的大小得到很大的压缩，总的尺寸为十微米量级。在检测原理方面其把不同拓扑荷的入射光和规则且彼此具有明显不同的干涉图案相联系，不需要通过测量角度或者距离等参数就可以直观地获得入射光的拓扑荷值，在高集成度和高微型化的光学系统中具有应用前景。

【技术实现步骤摘要】
对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法
本专利技术应用于光通信领域，更具体地涉及对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构及方法。
技术介绍
涡旋不仅存在于光学之中，在自然界中的许多自然现象也和涡旋有关。光学涡旋在极坐标系下一般存在相位因子exp(ilθ)，其中θ是方位角，l是拓扑荷，每个光子承载的轨道角动量为。正是因为该相位因子的存在，光学涡旋呈现出螺旋形的波前。同时，中心相位信息的不确定性导致光学涡旋中心存在相位奇点，光强的相干相消使得光学涡旋呈现暗中空的特性。涡旋光还被广泛应用于光学捕获，非线性光学，超分辨成像等相关领域的研究。光学涡旋的拓扑荷理论上可以取任意大的整数，而且不同的轨道角动量态相互正交，因此光学涡旋的轨道角动量作为信息载体可以增加一个自由度，理论上单光子可以携带无穷多比特的信息，因此光学涡旋在光通信中具有很大的发展前景，在这个领域中一般都需要识别光学涡旋的拓扑荷。本文基于SPP的特点提出了一种用于检测入射涡旋光拓扑荷的结构，其仅需要在金膜上刻蚀几个按照圆环分布的圆形小孔，容易加工、刻蚀简单。由于表面等离激元的特点，实现了近场轨道角动量检测，因此检测器的大小得到很大的压缩，总的尺寸为十微米量级。在检测原理方面其把不同拓扑荷的入射光和规则且彼此具有明显不同的干涉图案相联系，不需要通过测量角度或者距离等参数就可以直观地获得入射光的拓扑荷值，在高集成度和高微型化的光学系统中具有应用前景。
技术实现思路
本专利技术提出了一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构，其特征在于：包括二氧化硅基底上覆盖的一层金膜，在金膜的圆环上均匀地蚀刻有6个圆孔。优选的，金膜厚度为200nm，6个圆孔的圆心所在的圆环半径为4.5um，每个圆孔的半径为300nm。一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测方法，当携带一定轨道角动量的涡旋光从二氧化硅入射到金膜上的小孔时会在每个小孔激发出表面等离激元，并向中心传播，从而在金膜表面中心形成特定而规则的干涉图案，刻蚀的小孔激发出的表面等离激元会携带入射涡旋光的相位信息，因此不同的入射涡旋光会形成不同的干涉图案，根据干涉图案和入射涡旋光的对应关系可以得到入射涡旋光的拓扑荷值。优选的，入射涡旋光均为右旋圆偏振但是携带不同的拓扑荷，模拟波长设置为980nm。优选的，入射涡旋光为右旋圆偏振光，同时拓扑荷为-1时的涡旋光，在干涉图案的最中心是一个圆形光斑，同时在该圆形光斑的外侧还存在六个相似的圆形光斑，它们组成了一个规则的六边形。优选的，入射涡旋光为右旋圆偏振光，不携带轨道角动量，其干涉图案的中心形成的是一个暗中空的六边形光斑。一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场仿真方法，将每个小孔等效为一个点光源，每个点光源由于入射涡旋光相位因子exp(ilθ)的存在，在拓扑荷l变化时会携带不同的相位信息；仅考虑检测器的中间区域，其拓扑荷为l时电场El表示为，其中，N是刻蚀的小孔的数量，En代表第n个小孔处的电场，E0是每个小孔处的电场振幅，i是虚数单位，s是观测点到等效的点光源的光程，k是产生的SPP的波矢，la是总的拓扑荷数，包括入射涡旋光携带的拓扑荷数l和自旋轨道角动量耦合的拓扑荷lc，lc的取值通常为+1或-1，分别对应右旋圆偏振和左旋圆偏振；根据式(1.1)，在仿真软件中进行数值仿真，并取不同的l值，当l为-1时形成的干涉图案，其中心是一个圆形光斑，在圆形光斑的中心分布着六个相似的圆形光斑，构成一个规则的六边形结构；数值仿真的入射光是右旋圆偏振光不携带轨道角动量时，可以看到在干涉图案中心清晰地形成了一个存在圆形暗中空的六边形光斑。附图说明图1检测器结构示意图；图2采用FDTD算法的模拟结果图；图3根据式1的公式仅计算检测器中心区域的数值仿真结果图。其中，1、圆孔；2、金膜；3、二氧化硅基底。具体实施方式下面结合附图和具体实例对本专利技术的特征作更进一步描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限制本专利技术的范围，凡在本专利技术精神范围内所做的任何等同修改和变换，都在本专利技术保护范围之内。如图1所示，本专利技术中，二氧化硅基底3上覆盖的一层金膜2，金膜2厚度为200nm，在金膜2上半径r0为4.5um的圆环上均匀地蚀刻了6个圆孔1，每个圆孔1的半径r1为300nm。当携带一定轨道角动量的涡旋光从二氧化硅入射到金膜上的小孔时会在每个小孔激发出表面等离激元，并向中心传播，从而在金膜表面中心形成特定而规则的干涉图案。而且因为刻蚀的小孔激发出的表面等离激元会携带入射涡旋光的相位信息，因此不同的入射涡旋光会形成不同的干涉图案，根据干涉图案和入射涡旋光的对应关系可以得到入射涡旋光的拓扑荷值。为了验证上面的推论，我们采用三维有限时域差分法算法进行模拟。入射光均为右旋圆偏振但是携带不同的拓扑荷，模拟波长设置为980nm，图2为得到的金膜表面的干涉图案。图2(a)是入射光为右旋圆偏振，同时拓扑荷为-1时的涡旋光，在干涉图案的最中心是一个圆形光斑，同时在该圆形光斑的外侧还存在六个相似的圆形光斑，它们组成了一个规则的六边形。图2(b)是右旋圆偏振光不携带轨道角动量，其干涉图案的中心形成的是一个暗中空的六边形光斑。图2(c)的干涉图案中心是一个形似6朵花瓣的光斑，同时在其外侧还有6个规则的圆形光斑。图2(d)中形成了六个水滴形组成的规则光斑的干涉图案。由图2可以看出，入射光携带不同的拓扑荷时，在该结构中心表面都形成了规则的干涉图案。而且不同拓扑荷入射光形成的干涉图案具有明显的不同，因此根据干涉图案的不同就可以确定入射涡旋光的拓扑荷数。为了进一步探究检测原理，可以对提出的涡旋光轨道角动量探测器进行抽象。将每个小孔等效为一个点光源，每个点光源由于入射涡旋光相位因子exp(ilθ)的存在，在拓扑荷l变化时会携带不同的相位信息。仅考虑检测器的中间区域，其拓扑荷为l时电场El可以表示为，其中，N是刻蚀的小孔的数量，En代表第n个小孔处的电场，E0是每个小孔处的电场振幅，i是虚数单位，s是观测点到等效的点光源的光程，k是产生的SPP的波矢，la是总的拓扑荷数，包括入射涡旋光携带的拓扑荷数l和自旋轨道角动量耦合的拓扑荷lc，lc的取值通常为+1或-1，分别对应右旋圆偏振和左旋圆偏振。根据式1.1，在仿真软件中进行数值仿真，并取不同的l值，其结果图案如图3所示。图3(a)是当l为-1时形成的干涉图案，其中心是一个圆形光斑，在圆形光斑的中心分布着六个相似的圆形光斑，构成一个规则的六边形结构，这与图2(a)中的三维有限时域差分法模拟结果一致。在图3(b)中，数值仿真的是入射光右旋圆偏振光不携带轨道角动量的情形，可以看到在干涉图案中心清晰地形成了一个存在圆形暗中空的六边形光斑，这与图2(b)中的三维有限时域差分法模拟结果吻合。图3(c)和图3(d)中形成的花瓣形和水滴形干涉图案也分别与图2(c)和图2(d)中的三维有限时域差分法模拟的干涉图案具有相同的特征。从而进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构，其特征在于：包括二氧化硅基底上覆盖的一层金膜，在金膜的圆环上均匀地蚀刻有6个圆孔。/n

【技术特征摘要】
1.一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构，其特征在于：包括二氧化硅基底上覆盖的一层金膜，在金膜的圆环上均匀地蚀刻有6个圆孔。


2.根据权利要求1所述的对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构，其特征在于：金膜厚度为200nm，6个圆孔的圆心所在的圆环半径为4.5um，每个圆孔的半径为300nm。


3.一种对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测方法，其特征在于：根据权利要求1所述的对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测结构，当携带一定轨道角动量的涡旋光从二氧化硅入射到金膜上的小孔时会在每个小孔激发出表面等离激元，并向中心传播，从而在金膜表面中心形成特定而规则的干涉图案，刻蚀的小孔激发出的表面等离激元会携带入射涡旋光的相位信息，因此不同的入射涡旋光会形成不同的干涉图案，根据干涉图案和入射涡旋光的对应关系可以得到入射涡旋光的拓扑荷值。


4.根据权利要求3所述的对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测方法，其特征在于：所述入射涡旋光均为右旋圆偏振但是携带不同的拓扑荷，模拟波长设置为980nm。


5.根据权利要求3-4任一项所述的对称多孔结构的光学涡旋拓扑荷近场检测方法，其特征在于：所述入射涡旋光为右旋圆偏振光，同时拓扑荷为-1时的涡旋光，在干涉图案的最中心是一个圆形光斑，同时在该圆形光斑的外侧还存在六个相似的圆形光斑，它们组成了一个规则的六边形。
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨元杰，谢德昆，董淼，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51