海豚形元胞圆阵列超表面的制作方法

本发明属于光学和光电技术领域，涉及光场偏振调制、纳米操纵、表面等离子体激发，特别是一种产生局域复合偏振光场的新型的海豚形元胞圆阵列超表面。

背景技术：

当光通过具有亚波长特征的结构材料时，其传播常数可以取决于其偏振状态，即使其所有成分都是光学各向同性的。目前已有许多种类的亚波长尺度光学器件被设计出来，其可以调控光场的偏振态，即自旋角动量。同时，与光场空间自由度相关的轨道角动量也可以被调控。轨道角动量由于其无限尺寸而被确定为提高光子的信息承载能力的有用自由度，并且由于相位和强度的奇点，已经发现光学操纵和度量具有广泛的应用。

近几年利用超表面调控轨道角动量已成为涡旋光束领域的研究热点之一。超表面是一维或二维亚波长周期的人工等离子体阵列，近年来被关注度持续上升。由于超表面的厚度与操作波长相比极小，超表面可以被视为一个使入射光振幅和相位发生突然变化的不连续界面，因此超表面通常被用于光场调控，诸如强度调控、相位调控、偏振调控等。如今被使用最多的方法是利用纳米尺度长方体金属纳米棒通过排列成不同阵列形式形成超表面，基于pancharatnam-berry相位变化原理，将入射的左旋/右旋圆偏振光调控为透射的矢量涡旋光束，已经提出的单等离子体超表面、硅纳米棒超表面等，都是基于上述原理将圆偏振光调控为涡旋光束，且此类调控的物理模型也已被建立。但是现有研究成果中，对于如何将线偏振光调控为涡旋光束的研究尚且不足。

综上，本发明创新性地从元胞结构以及阵列形式的设计出发，提出了一种产生局域复合偏振光场的新型的海豚形元胞圆阵列超表面。该超表面为圆阵列形微纳金属结构，由多个海豚形金属元胞结构等角度旋转排列构成圆形阵列。圆阵列上排列的海豚形元胞数量为n，海豚形元胞几何中心与圆阵列几何中心的连线将圆分成n等份，海豚形元胞结构的中轴线永远指向圆阵列圆心。海豚形金属元胞将入射光能量束缚到结构表面，并最终在每个海豚形元胞尖端产生局域强场，提出了结构因子m(m＞1)，通过改变结构因子m值得大小，可实现调控聚焦场的增强因子的功能。在此创新的基础上，由于海豚形金属元胞自身结构以及等角度排列而成的圆阵列结构，本发明创新性地将入射的线偏振光转化为螺旋相位光束。透射光场z方向分量ez的强度占总光场e强度的比例随传播距离增加而减小，但随传播距离增加ez相位螺旋效果越好。

技术实现要素：

本发明提供了一种产生局域复合偏振光场的新型的海豚形元胞圆阵列超表面。该超表面为圆阵列形微纳米金属结构，由多个海豚形金属元胞结构等角度旋转排列构成圆形阵列。海豚形元胞结构的中轴线永远指向圆阵列圆心。海豚形金属元胞几何结构由两个半新月形结构以尖端相反的状态截面相接构成，其中半新月形结构由两个半圆柱体截取而得。圆阵列上排列的海豚形元胞数量为n(n≥3且n为正整数)，海豚形元胞几何中心与圆阵列几何中心的连线将圆分成n等份，海豚形元胞结构的中轴线永远指向圆阵列圆心，圆阵列半径(即圆阵列中心到海豚形结构几何中心的距离)为r，相邻两个海豚形元胞结构的几何中心的夹角α＝360°/n，其中截取海豚形元胞结构的半圆柱体1和半圆柱体2的半径分别为r1和r2且满足关系式r2＝mr1(其中m＞1)，m定义为结构因子，两圆柱体截面圆为内切关系，截面圆心距d＝(m-1)r1，海豚形元胞结构两尖端的间距d′＝2(r1+r2)。

所述的海豚形元胞圆阵列超表面，海豚形金属元胞将入射光能量束缚到结构表面，并最终在每个海豚形元胞尖端产生局域强场，改变结构因子m可调控聚焦场的增强因子；由于海豚形金属元胞自身结构以及等角度排列而成的圆阵列结构，同时可以将入射的线偏振光转化为螺旋相位光束，透射光场z方向分量ez的强度占总光场e强度的比例随传播距离增加而减小，但随传播距离增加ez相位螺旋效果越好。

本发明的优点和积极效果：

所述的海豚形元胞圆阵列超表面，海豚形金属元胞将入射光能量束缚到结构表面，并最终在每个海豚形元胞尖端产生局域强场，改变结构因子m(m＞1)可调控聚焦场的增强因子；由于海豚形金属元胞自身结构以及等角度排列而成的圆阵列结构，同时可以将入射的线偏振光转化为螺旋相位光束，透射光场z方向分量ez的强度占总光场e强度的比例随传播距离增加而减小，但随传播距离增加ez相位螺旋效果越好。同时，超结构表面具有制造简单、方便集成集总组件在结构表面的优点。本发明可用作光学镊子、光学角动量调控器，对宽带光通信、光学成像、纳米操控等领域有重要的应用价值。

附图说明

图1是海豚形金属元胞结构排列构成的能在每个海豚形元胞尖端产生局域强场的、能产生透射光场偏振改变的海豚形元胞圆阵列超表面。其中：(a)是海豚形金属元胞结构截面图形几何示意图；(b)是海豚形元胞圆阵列超表面结构截面图形几何示意图(以n＝8为例)。

图2是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射大圆柱半径r2＝300nm固定、结构因子m不同的海豚形金属元胞结构时，海豚形金属元胞结构尖端产生的聚焦光场的强度分布示意图。其中：(a)是光入射到结构因子m＝1.5的海豚形金属元胞结构时聚焦光场强度分布示意图(其中右侧图例为增强因子以自然底数求得的对数值)；(b)是光入射到结构因子m＝2的海豚形金属元胞结构时聚焦光场强度分布示意图(其中右侧图例为增强因子以自然底数求得的对数值)；(c)是光入射到结构因子m＝3的海豚形金属元胞结构时聚焦光场强度分布示意图(其中右侧图例为增强因子以自然底数求得的对数值)。

图3是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处的透射场的强度和相位分布示意图(以n＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场的强度分布示意图；(b)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的强度分布示意图；(d)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场的强度分布示意图；(f)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图。

图4是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处光场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例及透射场ez分量的相位分布(以n＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝400nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例；(b)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝400nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝800nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例；(d)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝800nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例；(f)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明提供的海豚形元胞圆阵列超表面，该超表面为圆阵列形微纳米金属结构，由多个海豚形金属元胞结构等角度旋转排列构成圆形阵列，海豚形元胞结构的中轴线永远指向圆阵列圆心，海豚形金属元胞几何结构由两个半新月形结构以尖端相反的状态截面相接构成，其中半新月形结构由两个半圆柱体截取而得。圆阵列上排列的海豚形元胞数量为n(n≥3且n为正整数)，海豚形元胞几何中心与圆阵列几何中心的连线将圆分成n等份，海豚形元胞结构的中轴线永远指向圆阵列圆心，圆阵列半径(即圆阵列中心到海豚形结构几何中心的距离)为r，相邻两个海豚形元胞结构的几何中心的夹角α＝360°/n，其中截取海豚形元胞结构的半圆柱体1和半圆柱体2的半径分别为r1和r2且满足关系式r2＝mr1(其中m＞1)，m定义为结构因子，两圆柱体截面圆为内切关系，截面圆心距d＝(m-1)r1，海豚形元胞结构两尖端的间距d′＝2(r1+r2)。

本发明中海豚形元胞圆阵列超表面的制作可采用对向靶直流磁控溅射和聚焦离子束刻蚀技术来实现。其具体步骤如下：

(1)利用对向靶直流磁控溅射方法在石英等玻璃衬底上或硅等半导体衬底上溅射金、银、铝、铜等纳金属膜；

(2)利用聚焦离子束刻蚀技术或电子束直写技术在纳金属膜上刻蚀金属海豚形元胞圆阵列结构。

具体应用实例1

海豚形元胞圆阵列超表面的具体参数如下为例：

海豚形金属元胞材料为银，入射波长λ＝660nm，此时银材料折射率nag＝0.049889+4.4869i。该超表面为圆阵列形微纳米金属结构，由多个海豚形金属元胞结构等角度旋转排列构成，海豚形金属元胞几何结构由两个半新月形结构以尖端相反的状态截面相接构成，其中半新月形结构由两个半圆柱体截取而得。圆阵列上排列的海豚形元胞数量为n＝8，海豚形元胞几何中心与圆阵列几何中心的连线将圆分成n＝8等份，海豚形元胞结构的中轴线永远指向圆阵列圆心，圆阵列半径(即圆阵列中心到海豚形结构几何中心的距离)为r＝1μm，相邻两个海豚形元胞结构的几何中心的夹角α＝360°/n＝45°，截取海豚形元胞结构的半圆柱体2的半径r2＝300nm，结构因子m＝2，则半圆柱体1的半径r1＝150nm。两圆柱体截面圆为内切关系，根据上述参数可得截面圆心距d＝150nm，海豚形元胞结构两尖端的间距d′＝900nm。

图2是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射大圆柱半径r2＝300nm固定、结构因子m不同的海豚形金属元胞结构时，海豚形金属元胞结构尖端产生的聚焦光场的强度分布示意图。其中：(a)是光入射到结构因子m＝1.5的海豚形金属元胞结构时聚焦光场强度分布示意图(其中右侧图例为增强因子以自然底数求得的对数值)；(b)是光入射到结构因子m＝2的海豚形金属元胞结构时聚焦光场强度分布示意图(其中右侧图例为增强因子以自然底数求得的对数值)；(c)是光入射到结构因子m＝3的海豚形金属元胞结构时聚焦光场强度分布示意图(其中右侧图例为增强因子以自然底数求得的对数值)。从结果中可以看到，当结构因子m＝1.5时，增强因子约为e⁷≈1.0966×10³；当结构因子m＝2时，增强因子约为e⁶≈4.0343×10²；当结构因子m＝3时，增强因子约为e⁴≈5.4598×10¹。由此分析，当结构因子m改变时，由于m减小会导致海豚形元胞结构曲线曲率增大，从而形成更为理想的结构尖端，进而增强因子会随m的减小而增大。因此，改变结构因子m(m＞1)可调控聚焦场的增强因子。

图3是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处的透射场的强度和相位分布示意图(以n＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场的强度分布示意图；(b)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的强度分布示意图；(d)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场的强度分布示意图；(f)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图。从计算结果里不难看出，入射光照射到海豚形元胞圆阵列超表面时，内圈的聚焦场使得在圆阵列中心处产生螺旋相位光场，随传播距离的增大，螺旋相位光场逐渐发散，中心处相位涡旋愈发明显，随着距离继续增大，涡旋特性已不是非常明显，即线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，可在超表面后方产生局域螺旋相位光场。

图4是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处光场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例及透射场ez分量的相位分布(以n＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝400nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例；(b)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝400nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝800nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例；(d)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝800nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例；(f)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图。从结果中可以看出，当d＝400nm时，ez分量的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例最高可达到80％；当d＝800nm时，ez分量的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例最高已降至45％；当d＝2000nm时，ez分量的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例最高只有20％。但随着距离d的增大，透射场ez分量中心处相位螺旋效果明显提高。综上分析，透射光场z方向分量ez的强度占总光场e强度的比例随传播距离增加而减小，但随传播距离增加ez相位螺旋效果越好。