一种等离激元超表面及径向和角向偏振矢量光束产生方法

本发明涉及光场调控，尤其涉及一种等离激元超表面及径向和角向偏振矢量光束产生方法。

背景技术：

1、矢量光束是一种偏振态空间分布不均匀的光场，因其具有与传统标量光场不同的独特性而引起广泛的关注，其在粒子加速、粒子捕获、激光材料加工、高分辨率成像等领域具有广泛应用。矢量光束的典型代表是径向矢量光束和角向矢量光束，因其偏振态分布呈现出柱对称特点，又被称为柱形矢量光束。径向矢量光束可以在焦平面上产生强烈的纵向电场分量，从而可以产生比均匀偏振光束更尖锐的聚焦光斑；角向矢量光束可聚焦到一个中空的暗点，这些特性在改变聚焦性能、提高光俘获效率和超越分辨率极限等方面具有重要意义。此外，在量子物理中，矢量光束对应于高维希尔伯特空间中的基本态，为量子信息协议提供了新的重要资源，并作为信息载体编码旋转不变的量子位被应用于无对准的远距离量子通讯。

2、目前，多种不同的产生矢量光束的方法被相继提出，如在michelson干涉仪(即迈克尔逊干涉仪)、mach-zehnder干涉仪(即马赫-曾德尔干涉仪)、sagnac干涉仪(即塞格纳克干涉仪)等不同光学系统中，采用不同的光学器件，如空间光调制器、波片、daman光栅、q板等，产生高阶庞加莱(poincaré)光束、杂化偏振矢量光束和阵列矢量光束等。然而，上述现有的矢量光束生成方法存在操作复杂、功能简单、实用率低等缺点，阻碍了光学器件集成化与小型化的发展趋势。

3、超表面是一种由亚波长结构排列成的非均匀各向异性的人工材料，在与光相互作用的过程中显现出强烈的自旋轨道相互作用而产生空间变化的光学响应，通过调节单元结构的形状、尺寸及排布方式等可以在亚波长尺度上有效调控光场的振幅、相位及偏振特性，为复杂结构光场的调控提供了新的重要手段。随着微纳加工技术的发展，具有各种各样功能的超表面得以制备，例如偏振转换器件、高分辨率全息成像、宽带消色差超构透镜等。因此，如何设计超表面使其产生所需的矢量光束成为光场调控技术领域中的重点研究问题。其中，lin等人提出了一种由正交纳米缝对阵列组成的超表面，实现了表面等离激元(surface plasmon polariton,spp)在超表面上的单向传播，spp的叠加不依赖于线偏振光，而是依赖于圆偏振光的旋性,由于螺旋结构对中心区域产生对称影响，进而有利于操纵spp场并产生光强分布具有面包圈状的矢量光场；yue等人利用等离激元超表面通过调控偏振态，实现了在亚波长尺度上的多通道轨道角动量叠加；g.spektor等人利用等离激元超表面结合几何相位以及动态相位在太赫兹等离激元场，实现了轨道角动量的产生和叠加。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种等离激元超表面及径向和角向偏振矢量光束产生方法，该等离激元超表面上设有方位角度不断旋转的多个正交纳米缝对，且多个正交纳米缝对依次排列在分段螺旋线上，基于所提出的等离激元超表面，实现具有径向和角向偏振特性的矢量光束的产生，解决现有矢量光束生成方法操作复杂、体积大、实用率低的问题。

2、第一方面，本公开提供了一种等离激元超表面。

3、一种等离激元超表面，所述超表面以石英玻璃为衬底，所述衬底上镀有金膜，所述金膜上刻蚀方位角度不断旋转的多个正交纳米缝对，且多个正交纳米缝对依次均匀排列，形成内外圈两条螺旋线；

4、其中，所述螺旋线上的正交纳米缝对自转，所述正交纳米缝对是指相互垂直且存在一定间距的两个纳米缝。

5、进一步的技术方案，所述螺旋线分为正螺旋线和负螺旋线。

6、进一步的技术方案，内圈正螺旋线为以起始半径为r0沿逆时针方向旋转一圈到终止半径为r0+λspp的螺旋线；

7、内圈负螺旋线为以起始半径为r0沿逆时针方向旋转一圈到终止半径为r0-λspp的螺旋线。

8、进一步的技术方案，内外圈两条螺旋线之间的径向距离d始终保持一致；同一条螺旋线上两个相邻纳米缝之间的角向距离s始终保持一致。

9、进一步的技术方案，所述螺旋线为分段螺旋线，分段的段数为螺旋线阶数。

10、第二方面，本公开提供了一种径向和角向偏振矢量光束产生方法。

11、一种径向和角向偏振矢量光束产生方法，包括：利用圆偏振光垂直入射第一方面所提出的等离激元超表面，生成径向和角向偏振矢量光束。

12、进一步的技术方案，利用左旋圆偏振光垂直入射第一方面所提出的等离激元超表面，生成径向偏振矢量光束；利用右旋圆偏振光垂直入射第一方面所提出的等离激元超表面，生成角向偏振矢量光束。

13、进一步的技术方案，利用左旋圆偏振光垂直入射第一方面所提出的等离激元超表面，所述超表面上刻蚀的多个正交纳米缝对形成的内外圈两条螺旋线为负螺旋线，则在螺旋中心区域生成径向偏振矢量涡旋光束。

14、进一步的技术方案，利用右旋圆偏振光垂直入射第一方面所提出的等离激元超表面，所述超表面上刻蚀的多个正交纳米缝对形成的内外圈两条螺旋线为正螺旋线，则在螺旋中心区域生成角向偏振矢量涡旋光束。

15、进一步的技术方案，激光器产生设定波长的入射光，入射光通过二分之一波片后转化为竖直线偏振光，偏振光通过四分之一波片后转化为圆偏振光，圆偏振光从第一方面所提出的等离激元超表面衬底一侧垂直射入，通过显微物镜对超表面样品表面散射的光波进行放大，再通过旋转线性偏振器获得不同偏振态的分量场，最后利用高速光谱采集scmos相机对总光场和各分量光场进行采集，获取径向和角向偏振态分布的矢量光场。

16、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

17、本发明提供了一种等离激元超表面及径向和角向偏振矢量光束产生方法，该等离激元超表面上设有方位角度不断旋转的多个正交纳米缝对，且多个正交纳米缝对依次排列在分段螺旋线上，基于所提出的等离激元超表面，实现具有径向和角向偏振特性的矢量光束的产生，解决现有矢量光束生成方法操作复杂、体积大、实用率低的问题。

技术特征：

1.一种等离激元超表面，其特征是，所述超表面以石英玻璃为衬底，所述衬底上镀有金膜，所述金膜上刻蚀方位角度不断旋转的多个正交纳米缝对，且多个正交纳米缝对依次均匀排列，形成内外圈两条螺旋线；

2.如权利要求1所述的等离激元超表面，其特征是，所述螺旋线分为正螺旋线和负螺旋线。

3.如权利要求2所述的等离激元超表面，其特征是，内圈正螺旋线为以起始半径为r0沿逆时针方向旋转一圈到终止半径为r0+λspp的螺旋线；

4.如权利要求1所述的等离激元超表面，其特征是，内外圈两条螺旋线之间的径向距离d始终保持一致；同一条螺旋线上两个相邻纳米缝之间的角向距离s始终保持一致。

5.如权利要求1所述的等离激元超表面，其特征是，所述螺旋线为分段螺旋线，分段的段数为螺旋线阶数。

6.一种径向和角向偏振矢量光束产生方法，其特征是，利用圆偏振光垂直入射如权利要求1-5任一项所述的等离激元超表面，生成径向和角向偏振矢量光束。

7.如权利要求6所述的径向和角向偏振矢量光束产生方法，其特征是，利用左旋圆偏振光垂直入射所述等离激元超表面，生成径向偏振矢量光束；利用右旋圆偏振光垂直入射所述等离激元超表面，生成角向偏振矢量光束。

8.如权利要求7所述的径向和角向偏振矢量光束产生方法，其特征是，利用左旋圆偏振光垂直入射所述等离激元超表面，所述超表面上刻蚀的多个正交纳米缝对形成的内外圈两条螺旋线为负螺旋线，则在螺旋中心区域生成径向偏振矢量涡旋光束。

9.如权利要求7所述的径向和角向偏振矢量光束产生方法，其特征是，利用右旋圆偏振光垂直入射所述等离激元超表面，所述超表面上刻蚀的多个正交纳米缝对形成的内外圈两条螺旋线为正螺旋线，则在螺旋中心区域生成角向偏振矢量涡旋光束。

10.如权利要求6所述的径向和角向偏振矢量光束产生方法，其特征是，激光器产生设定波长的入射光，入射光通过二分之一波片后转化为竖直线偏振光，偏振光通过四分之一波片后转化为圆偏振光，圆偏振光从所述等离激元超表面衬底一侧垂直射入，通过显微物镜对超表面样品表面散射的光波进行放大，再通过旋转线性偏振器获得不同偏振态的分量场，最后利用高速光谱采集scmos相机对总光场和各分量光场进行采集，获取径向和角向偏振态分布的矢量光场。

技术总结
本发明公开了一种等离激元超表面及径向和角向偏振矢量光束产生方法，该超表面以石英玻璃为衬底，衬底上镀有金膜，金膜上刻蚀方位角度不断旋转的多个正交纳米缝对，且多个正交纳米缝对依次均匀排列，形成内外圈两条螺旋线，其中，螺旋线上的正交纳米缝对自转，正交纳米缝对是指相互垂直且存在一定间距的两个纳米缝；利用圆偏振光垂直入射所述等离激元超表面，生成径向和角向偏振矢量光束。本发明基于所提出的等离激元超表面，实现具有径向和角向偏振特性的矢量光束的产生，解决现有矢量光束生成方法操作复杂、体积大、实用率低的问题。

技术研发人员：朱邵文,杨璐瑶,崔国森,刘春香
受保护的技术使用者：山东师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14