一种基于自旋解耦超表面波带片的矢量波束产生方法

1.本发明涉及新型人工电磁材料和太赫兹科学的技术领域，尤其涉及一种基于自旋解耦超表面波带片的矢量波束产生方法。


背景技术：

2.偏振是电磁波的一种固有特性，它表征了电磁波垂直于传播方向的振动。传统偏振光束的偏振态被认为是均匀分布的，包括线偏振、圆偏振和椭圆偏振。近年来，偏振特性不均匀的光束由于其独特的光学特性，如轴对称分布的矢量光束，逐渐受到人们的关注。与均匀偏振光束相比，具有较强纵向场分布的径向矢量光束携带的能量更集中，这表明该光束可用于高分辨率成像、光学捕获、紫外光刻等领域报道了通过同时控制偏振和相位产生矢量光束的各种方法，包括空间光调制器、光纤光栅、衍射光学元件干涉仪和空间可变延迟板。然而，上述传统光学元件相对笨重，限制了现代光学器件向小型化、集成化方向发展。因此，研究能产生矢量光束的薄器件已成为迫切需要。
3.在亚波长尺度上可以控制振幅、相位和偏振的超表面已被用于成像、全息、自旋轨道角动量转换等。此外，由于设计的灵活性和通用性，超表面已成为产生矢量光束的良好平台。例如，通过两个金属超表面的级联，已经被实验证实可以产生所需的矢量光束。然而，基于超表面的矢量波束产生器的研究主要集中在可见光和近红外波段，在太赫兹波段的报道较少。


技术实现要素：

4.针对现有矢量光束的产生方法使用的光学元件笨重，不能在太赫兹波段实现的技术问题，本发明提出一种基于自旋解耦超表面波带片的矢量波束产生方法，在太赫兹频段内很好的实现了聚焦矢量光束的产生，且结构简单，显著降低了加工难度和节约了制作成本。
5.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于自旋解耦超表面波带片的矢量波束产生方法，其步骤如下：
6.步骤一：设计多个基本结构，基本结构在圆偏振波入射下仅产生交叉偏振波；
7.步骤二：将超表面波带片分成n个同心圆环；
8.步骤三：将步骤一设计的基本结构按照相位分布规则排列构成超平面波带片；
9.步骤四：利用线偏振入射波入射到步骤三设计的超平面波带片上，能产生聚焦的矢量光束。
10.进一步地，所述同心圆环的外半径为：
[0011][0012]
其中，rn为第n个同心圆环的外半径，n表示任意的正整数，λ0是工作波长，f表示超表面波带片的焦距。
[0013]
进一步地，所述相位分布规则为
[0014][0015]
其中，和分别代表所产生的右旋圆偏振波和左旋圆偏振波的相位分布，m为任意正整数，β＝arctan(y/x)表示xoy平面的方位角，l1和l2分别为产生的右旋圆偏振涡旋光束和左旋圆偏振涡旋光束的拓扑荷数。分别表示第n个同心圆环带内所需的右旋圆偏振波和左旋圆偏振波的相位分布。
[0016]
进一步地，为了实现波前操纵，所述基本结构在线偏振入射下，所产生的同偏振波的相位覆盖0-2π。每一个基本结构具有半波片性质，对于圆偏振入射，产生的透射波是交叉偏振波。
[0017]
进一步地，所述基本结构包括基底和介质柱，介质柱设置在基底上，且介质柱位于基底的中心；所述基底和介质柱均基于硅制成。基本结构全部基于高阻硅，而高阻硅的厚度可以是市面上能提供的任意厚度，可以根据市面上硅片的厚度进行设计。
[0018]
进一步地，所述介质柱为长方体介质柱，其具体参数视具体工作频率而定，根据参数扫描的结果判定。介质柱两侧的矩形条的长的范围为40-130μm、宽的范围为40-120μm；所述基底为顶面为正方形的长方体结构，且正方形的边长为140-180μm。可以考虑在0.8-1.2thz范围内进行设计。
[0019]
进一步地，所述基本结构的总厚度为500μm，介质柱刻蚀高度为200μm，便于加工。
[0020]
进一步地，所述超表面波带片的工作频点为1thz，可以有效的选择15个合适的基本结构，实现π/8的相位梯度变化。
[0021]
进一步地，所述超表面波带片在左旋圆偏振波入射下产生聚焦且拓扑荷数为1的右旋圆偏振涡旋光束，而在右旋圆偏振波入射下产生聚焦且拓扑荷数为-1的左旋圆偏振涡旋光束。
[0022]
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明在太赫兹超表面中引入可以独立操纵正交圆偏振波的菲涅耳波带片，以产生聚焦矢量光束；通过选择具有代表性的基本结构作为元原子，并按照一定的相位分布进行排列组成超表面波带片。该超表面波带片可以在左旋圆偏振入射下产生轨道角动量为1的右旋圆偏振光束，同时，该超表面波带片在右旋圆偏振照明下也能产生拓扑荷数为1的左旋圆偏振涡旋光束。实验和模拟结果证实了超表面波带片在线偏振入射下可以产生聚焦的矢量光束。
[0023]
本发明可以在圆偏振波入射下产生携带特定拓扑荷数的交叉偏振波。本发明可以在线偏振波入射下产生聚焦的矢量光束。本发明结合菲涅尔波带片和超表面可以在宽频范围内实现良好的光束聚焦，且具有一定的带宽，这为成像领域提供了良好的平台。且本发明均由全硅材料构成，显著降低了加工难度和节约了制作成本。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1为本发明基本结构的性能示意图，其中，(a)为基本结构的立体图，(b)为单个基本结构的俯视图，(c)为模拟的15个基本结构在1thz下x和y线偏振入射下的透射系数，(d)位由奇数基本结构组成的周期单元在x-p入射下的传播相位分布。
[0026]
图2为本发明可产生矢量光束的超表面波带片的结构示意图。
[0027]
图3为图2中超表面波带片的性能示意图，其中，(a)为超表面波带片的sem图像，(b)为圆偏振波入射下的交叉和同极偏振波的模拟结果，插图为相应的相位分布，(c)为出射波中四个线偏振分量的仿真和实验的强度分布。
[0028]
图4为本发明的仿真结果示意图，其中，(a)为左旋圆偏振波入射下交叉偏振分量在不同频点时的强度分布示意图，(b)为xoz平面上不同频率的右旋圆偏振波入射至超表面波带片时的左旋圆偏振波仿真结果。
具体实施方式
[0029]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]
如图1所示，一种基于自旋解耦超表面波带片的矢量波束产生方法，包括以下步骤：
[0031]
(1)设计基本结构，具有半波片性质，使得基本结构可以在圆偏振波入射下仅产生交叉偏振波。该基本结构在x和y线偏振波入射下产生的同偏振波的振幅接近，相位差为π。
[0032]
如图1所示，基本结构包括基底和矩形介质柱，本发明中超表面波带片工作在1thz处，由图1(a)可以看出，本实施例硅的总厚度为t1+t2＝500μm，介质柱刻蚀高度均为t2＝200μm。图1(b)为基本结构的俯视图，介质柱顶部矩形的长为w1、宽为w2。十五个介质柱的长度w1分别为50,50,50,49,48,46,42,127,118,108,94,84,80,76,76μm，对应的宽度w2分别为120,106,92,85,80,76,76,51,50,50,50,50,48,46,42μm。这15个介质柱依次满足π/8的相位梯度变化，这是通过参数扫描获得的。为了更精确的展示自旋解耦的功能，选取15个介质柱。
[0033]
每个基本结构的周期为p＝150μm。图1(c)展示了这十五个介质柱在x和y线偏振入射下的透射系数。左边的纵坐标表示相位，而右边的纵坐标表示这每个介质柱在x和y线偏振入射下产生的同偏振波的幅度差。这十五个介质柱在x和y线偏振入射下产生的同偏振波的幅度几乎相等，且有π的固定相位差，可以在圆偏振波入射下产生交叉偏振波。如图1(d)所示，将这15个介质柱按1-15进行记号，选取奇数号的介质柱构建周期性单元，该周期性单元在x线偏振入射下产生的透射波的相位存在偏折现象。说明选取的单元可以实现一定的波前操纵，选取偶数个介质柱一样可以达到相位偏振现象。
[0034]
(2)将超表面波带片分为n个同心圆环，并且第n个同心圆环的外半径rn可表示为：
[0035][0036]
其中，n表示任意的正整数，且n最大为6，工作波长λ0为300μm，f＝1.7cm是该超表面波带片的焦距。
[0037]
(3)如图2所示，将设计的十五个介质柱结构按照一定的相位分布排列构成超表面波带片，需遵循的相位分布为：
[0038][0039]
其中，和分别代表所产生的右旋和左旋圆偏振波的相位分布，m为任意正整数，β＝arctan(y/x)表示xoy平面的方位角，l1＝1和l2＝-1分别为右旋和左旋圆偏振涡旋光束的拓扑荷数。分别表示第n个环带内所需的右旋圆偏振波和左旋圆偏振波的相位分布。为了产生聚焦的矢量光束，15个介质柱有的介质柱需要被旋转。
[0040]
通过本发明方法设计的基于自旋解耦超表面波带片的矢量波束产生器可以在线偏振入射下产生聚焦的矢量光束，这为以后的偏振光学的设计提供了新的方向。图3中(a)是对应超表面波带片的sem图。图3中(b)是圆偏振波入射下的交叉和同极偏振波的模拟仿真结果，插图为相应的相位分布。图3中(b)可以看出：该超表面波带片在左旋圆偏振波入射下将产生聚焦且拓扑荷数为1的右旋圆偏振涡旋光束，而在右旋圆偏振波入射下产生聚焦且拓扑荷数为-1的左旋圆偏振涡旋光束。图3中(c)是x和y线偏振入射下四种线偏振分量的强度分布，验证了聚焦矢量光束的产生。在y线偏振入射下，出射波在x线偏振、45
°
线偏振、y线偏振、-45
°
线偏振这几个方向上都存在能量，而且能量方向与偏振方向呈垂直，这个即角向矢量光束。在y线偏振入射下，出射波在x线偏振、45
°
线偏振、y线偏振、-45
°
线偏振这几个方向上都存在能量，而且能量方向与偏振方向平行，这个即径向矢量光束。
[0041]
图4中(a)和图4中(b)分别展示了当不同频率时，设计的超表面波带片在左旋圆偏振和右旋圆偏振波入射下产生的交叉偏振波在xoz面的强度分布，有效的验证了该超表面波带片在0.7-1.2thz频段内具有良好的聚焦特性。通过对比可以看出出射波确实有聚焦的特性，但是在1thz时聚焦能量最强，频点远离1thz聚焦能量变弱。
[0042]
综上所述，本发明提出的方法得到矢量光束产生器是由全硅构成，显著降低了加工难度和节约了制作成本。本发明可以在圆偏振波入射下产生携带特定拓扑荷数的交叉偏振波；可以在线偏振波入射下产生聚焦的矢量光束；可以在宽频范围内实现良好的光束聚焦，这为太赫兹成像领域提供了良好的平台。
[0043]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。