一种基于超颖表面复振幅调制的衍射级次选择性激发方法与流程

本发明涉及一种衍射级次独立选择性激发方法，尤其涉及一种基于介质超颖表面复振幅调制的产生方法，属于微纳光学领域。

背景技术：

超颖表面是一类利用人造微纳结构设计实现自然界中不存在的物理特性的平面人造电磁材料，通过亚波长尺寸的纳米天线、谐振腔等结构单元的强烈光学响应改变局部光场响应，从而实现亚波长像素的波前调制。与传统的利用光程积累实现相位改变不同，超颖表面可以在远小于波长的结构上实现相位的突变。此外，超颖表面也可以实现振幅、偏振态、角动量、波矢等其他的光学参量的调控。基于超颖表面的器件和应用研究已经涉及诸多方面，包括平面超透镜、超颖材料波带片、分束器、可调控表面等离激元分束器，以及高分辨率三维全息成像等。

衍射光栅是一种实现光束控制的有效途径。通过光栅周期和占空比的设计，基于光栅方程和严格矢量分析理论，可以实现截止级次内的连续衍射级次激发和特定的能量分布。达曼光栅在传统光栅的基础上进行了改进，通过对光栅周期内划分的每个独立单元进行相位优化，可以实现一维和二维光束阵列，并实现能量的均匀分布或特定的比例分布。然而，这种基于优化算法的设计方法无法实现对未选择级次的完全抑制，因此无法实现对每个级次的独立控制。同时，这种单纯的相位调制难以实现较高的衍射效率。一种可行的解决方法是改变纯相位调制的方法，同时对振幅和相位进行复振幅调制。在尺寸上，传统的达曼器件也无法应用于集成化的光学系统，部分相关的研究已经开始尝试将达曼优化方法与超颖表面相结合，用以生成二维点阵和涡旋阵列。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在无法实现衍射级次独立可选择性激发的问题，本发明公开的一种基于超颖表面复振幅调制的衍射级次选择性激发方法要解决的技术问题为实现对空间传播衍射级次的选择性激发。

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种基于超颖表面复振幅调制的衍射级次选择性激发方法，通过改变超颖表面纳米矩形柱的结构尺寸，获得目标光场的振幅和动态相位信息，通过确定超颖表面纳米矩形柱方位角θ，实现目标光场的相位调制。将振幅与相位信息相结合，从而实现在单个像素内进行任意的复振幅调控。确定超颖表面的周期，将选定的所有衍射级次对应的傅里叶级次进行叠加，并据此设定超颖表面各单元结构的复振幅信息，即实现对空间传播衍射级次的选择性激发。

本发明公开的一种基于超颖表面复振幅调制的衍射级次选择性激发方法，包括如下步骤：

步骤一：通过改变超颖表面纳米矩形柱的结构尺寸实现振幅调制。

所述的超颖表面通过介质材料的纳米矩形柱结构实现。在相同的入射波长及入射偏振的条件下，若保持纳米矩形柱的方位角相同，调节纳米矩形柱几何尺寸能够引起相反旋向透射光复振幅的变化。所述的不同长度和宽度的纳米矩形柱的复振幅透过率通过两个垂直方向的线偏振光入射的结果计算得出。

步骤二：确定超颖表面纳米矩形柱方位角θ，实现目标光场的相位调制。

根据贝里相位原理，当某一旋向的圆偏振光入射时，经各向异性的纳米矩形柱作用后，选取相反旋向的圆偏振透射光，对应偏振态演变的始末状态分别位于邦加球的北极和南极。在外加电场作用下，两个方位角θ不同的纳米矩形柱结构分别产生与本身方位角对应的电极化响应，偏振方向与纳米矩形柱的长轴平行，因此两种对应的电极化响应存在着不同的演化路径。虽然始末状态相同，但所述的两个纳米矩形柱的散射场的相位不同，相位差等于邦加球上两条演化路径包含的空间立体角的一半。因此，根据上述原理，当左旋或右旋的圆偏振光入射时，相反旋向的透射光的相位偏移为纳米矩形柱方位角的二倍。

步骤三：基于超颖表面实现在单个像素内进行任意的复振幅调控。

对于预设不同的振幅值，对应的不同尺寸的纳米矩形柱在实现振幅调制的同时会附带额外的相位变化，通过数值模拟得到所述的额外相位变化量。通过相反方向旋转纳米矩形柱的单元结构，附加的补偿相位αc对上述额外的相位变化进行补偿，即能够使不同长度的纳米矩形柱结构得到相同的初始相位。而根据上述贝里相位原理，不同的方位角会导致散射场产生不同的相位突变。将上述补偿方位角αc与贝里相位相结合实现任意的相位调制。最终所得的纳米矩形柱振幅调制由纳米矩形柱的长度和宽度决定，其方位角θ正比于贝里相位和补偿相位αc的叠加值，即根据公式(1)确定纳米矩形柱方位角θ，根据确定的纳米矩形柱方位角θ实现目标光场的相位调制，进而实现复振幅调制。

θ＝(α-αc)/2(1)

其中：α为目标光场的相位值，αc为补偿相位，其数值等于不同截面尺寸的纳米矩形柱相反旋向透射复振幅的相位变化。

步骤四：确定超颖表面的周期，将选定的所有衍射级次对应的傅里叶级次进行叠加，并据此设定超颖表面各单元结构的复振幅信息，即实现对空间传播衍射级次的选择性激发。

通过步骤一改变纳米矩形柱的尺寸实现振幅调制，通过步骤二确定纳米矩形柱方位角θ实现目标光场的相位调制，并通过步骤三实现对单个像素结构的复振幅调控，并根据实际工况设定的目标复振幅信息确定超颖表面各单元结构的尺寸及方位角θ，即实现对空间传播衍射级次的选择性激发。

还包括步骤五：通过步骤一至步骤四实现的一种基于超颖表面复振幅调制的衍射级次选择性激发方法，对传播场振幅和相位进行任意的调制，对二维空间的衍射级次进行任意的选择，应用于光束整形、激光并行加工以及微纳光学检测等领域解决实际工程问题。

有益效果：

1、本发明公开的一种基于超颖表面复振幅调制的衍射级次选择性激发方法，通过补偿方位角αc与贝里相位相结合，在亚波长尺度进行任意的复振幅调控，实现复杂光场分布与传播，以及衍射级次选择性激发方法。

2、本发明公开的一种基于超颖表面复振幅调制的衍射级次选择性激发方法，采用的是基于超颖表面的介质材料纳米矩形柱阵列结构，能够降低超颖表面设计和加工的复杂程度，能够广泛应用于光场整形，激光并行加工以及微纳光学检测等领域

3、本发明公开的一种基于超颖表面复振幅调制的衍射级次选择性激发方法，通过改变超颖表面纳米矩形柱的结构尺寸及方位角θ的设计，具有对目标光场的振幅值进行分阶处理、目标光场的相位能够实现连续变化的优点。

附图说明

图1为本发明公开的一种基于超颖表面复振幅调制的衍射级次选择性激发方法流程图；

图2为本发明远场衍射级次选择性激发方法的设计原理示意图；

图3为针对目标波长的纳米矩形柱的复振幅信息。其中图3a为透射振幅，图3b为补偿相位，图3c为对应的方位角

图4a为基于本发明加工的超颖表面在扫描电子显微镜下的结果图，图4b为观测的实验装置示意图。p：偏振片；w：1/4波片。

图5基于本发明生成的级次选择性激发结果。其中图a为“meta”图案对应级次的复振幅结果目标图样，图b为5阶振幅及连续相位的数值模拟结果，图c为基于超颖表面加工样品的实验结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

为了验证方法的可行性，以选择性激发形如“meta”的衍射级次为例(各对应级次如图2所示)，进行介质超颖表面纳米矩形柱阵列的具体设计。

本实施例公开一种基于超颖表面复振幅调制的衍射级次选择性激发方法，具体实现方法如下：

步骤一：通过改变超颖表面纳米矩形柱的尺寸实现振幅调制。

所述的超颖表面通过介质材料的纳米矩形柱结构实现。如图2所示，亚波长尺寸的纳米矩形柱加工于玻璃基底上。针对设计波长785nm，介质材料硅的折射率可以通过椭偏仪测量，在设计波长处，测得折射值为n＝3.8502+0.0109i。在相同的入射波长及入射偏振的条件下，若保持纳米矩形柱的方位角相同，调节纳米矩形柱几何尺寸能够引起相反旋向透射光复振幅的变化。所述的不同长度纳米矩形柱的复振幅透过率能够通过两个垂直方向的线偏振光入射的结果计算得出。

将长度和宽度范围分别设置为80至200nm，40nm至150nm，对不同长度和宽度的纳米矩形柱通过数值模拟进行扫描，获得对应尺寸下圆偏振光入射，相反旋向圆偏振光出射的复振幅透过率，从而获得不同尺寸的振幅关系，如图3a所示。

步骤二：确定超颖表面纳米矩形柱方位角θ，实现目标光场的相位调制。

不同尺寸的纳米矩形柱在实现振幅调制的同时会附带额外的相位变化，通过数值模拟能够得到所述的额外相位变化量。通过对附带的额外相位变化进行补偿，即能够使不同长度的纳米矩形柱得到相同的初始相位。同时，根据贝里相位原理，不同的方位角会导致散射场产生不同的相位突变。当一种特定的圆偏振光入射时，相反旋向的透射光的相位偏移为纳米矩形柱方位角的二倍。

步骤三：基于超颖表面实现在单个像素内进行任意的复振幅调控。

选取步骤一中5个不同的振幅值(0.2,0.4,0.6,0.80.9589)，通过数值模拟能够得到不同尺寸的纳米矩形柱在实现振幅调制的同时附带的额外相位变化。通过相反方向旋转纳米矩形柱的单元结构，附加的补偿方位角可对上述额外的相位变化αc进行补偿，即能够使不同长度的纳米矩形柱结构得到相同的初始相位，如图3b所示。而根据上述贝里相位原理，不同的方位角会导致散射场产生不同的相位突变。将上述补偿相位与贝里相位相结合实现任意的相位调制。最终所得的纳米矩形柱振幅调制由纳米矩形柱的长度和宽度决定，其方位角θ为贝里相位和补偿相位的叠加值，即根据公式(1)确定纳米矩形柱方位角θ，根据确定的纳米矩形柱方位角θ实现目标光场的相位调制，进而实现复振幅调制。图3c所示为选定的五个纳米矩形柱的尺寸及其在初始相位时对应的方位角。

步骤四：确定超颖表面的周期，将选定的所有衍射级次对应的傅里叶级次进行叠加，并据此设定超颖表面各单元结构的复振幅信息，即可实现衍射级次的选择性激发。

通过步骤一改变纳米矩形柱的尺寸实现振幅调制，通过步骤二确定纳米矩形柱方位角θ实现目标光场的相位调制，并通过步骤三实现对单个像素结构的复振幅调控。对于各选定的衍射级次，其傅里叶展开式的叠加结果可表示为

其中p,q为二维方向上的衍射级次，dx，dy为两个方向的周期。根据“meta”的图案分布选择对应的各个衍射级次。如图2所示，p,q的值分别在-5至5和-7至7之间。由于据此所选的对应结果各级次的最大值在同一位置重叠，即对于任意的m,n,当(x,y)＝(ndx/p,mdy/q)时，u＝1。这里，该点所对应的值远大于其他位置的数值，因此不利于进行归一化的振幅调制。对各级次进行微小的相位平移，即

其中lc为纳米结构的像素间距。之后，根据公式(3)的振幅和相位值分别选定对应的纳米柱尺寸，并确定所对应的方位角。即可实现衍射级次的选择性激发。

以上所述介质材料的纳米矩形柱可以通过电子束光刻和等离子束刻蚀实现。加工完成的超颖表面在扫描电子显微镜下的结果如图4a所示。最终设计结果的可以通过图4b所示实验装置进行观测。785nm的激光光源经过偏振片和1/4波片转换成所需的圆偏振光入射至样品表面。经过显微物镜在透射方向通过ccd接收。图5a所示为目标图样，图5b，5c分别为模拟结果和实验结果。二者相互吻合良好，未选择级次得到有效抑制。

本实施例可在传播光场实现基于贝里相位的介质超颖表面的任意复杂光场的复振幅调制，实现衍射级次的独立可选择性激发。该复振幅调制方法设计简便，便于加工，可以对振幅和相位进行任意的调制，在光束整形、激光并行加工以及微纳光学检测等领域有着重要的应用价值。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。