CN106597578A - 新月风车型超结构表面 - Google Patents

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Abstract

一种产生局域复合偏振光场的新月风车型超结构表面。该超结构的基底为光学介质材料，超结构表面为风车型纳米金属结构，由多个扇叶等角度排列构成，每个扇叶为新月形。风车型结构将入射光能量束缚到超结构表面，并最终在每个新月形扇叶尖端产生局域强场；由于风车的扇叶等角度排列，同时可以将入射的线偏光转化为局域复合偏振。改变扇叶数N和新月形因子m可调控聚焦场的聚焦点数、增强因子以及局域偏振态。本发明可用作偏振转换器、粒子操控波导，对光场偏振调制、纳米操纵等领域有重要的应用价值。

Description

新月风车型超结构表面
技术领域
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风车型超结构表面。
背景技术
超表面是一维或二维亚波长周期的人工等离子体阵列。由于超表面的厚度与操作波长相比极小，超表面可被视为使入射光振幅和相位发生突变的不连续界面，因此超表面通常用于光场调控，如：相位调控、偏振调控等。国际上现有超表面研究中很少考虑同时实现矢量光场局部偏振调控和强聚焦光场调控。与本发明相关的研究中风车型超结构表面的风车扇叶形状种类有：L字形、棒形、方锤形、凵字形，这些研究对风车型超结构表面的手性材料特性关注较多，很少关注超表面的矢量光场调控。在强聚焦光场调控方面，国际上有些研究小组提出了新月形纳米结构，该结构将入射光能量束缚在表面并在新月形尖端产生高强度聚焦光场，而新月形纳米结构没有被应用于风车型超表面。
发明内容
本发明目的是解决同时实现局部矢量光场强度和偏振调控的问题，提供一种新型的产生局域复合偏振光场的新月风车型超结构表面。本发明创造性地将新月形纳米结构与风车型超表面相结合，以同时实现局域矢量光场强度和偏振的调控。
本发明技术方案
能够产生局域复合偏振光场的新月风车型超结构表面，该超结构由基底和风车型结构复合组成，基底为光学介质材料，超结构表面为风车型纳米金属结构，由N个扇叶等角度排列构成，每个扇叶为新月形，N个新月形结构扇叶将平面圆周角度等分为N份。所述新月形扇叶的几何形状可等效于两个截面半径不同的圆柱体截取而得，其中大圆柱体截面圆心在小圆柱体截面边缘，新月形扇叶由圆柱体1被圆柱体2截取而成，两个圆柱体的截面半径满足关系式
其中m定义为新月形因子，m≥2且m为正整数，R1为圆柱体1的截面半径，R2为圆柱体2的截面半径，截面圆心距
介质基底为立方体结构，基底尺寸为S×S×H，其中S为基底的长和宽，即基底的横截面为正方形，H为基底的厚度。
所述的新月风车型超结构表面，能够将入射光能量束缚到超结构表面，并最终在每个新月形扇叶尖端产生局域强场；由于风车的扇叶等角度排列，同时可以将入射的线偏光转化为局域复合偏振。改变扇叶数N和新月形因子m可调控聚焦场的聚焦点数、增强因子以及局域偏振态。
本发明的优点和积极效果：
本发明提供的新月风车型超结构表面，能够将入射光能量束缚到超结构表面，并最终在每个新月形扇叶尖端产生局域强场；由于风车的扇叶等角度排列，同时可以将入射的线偏光转化为局域复合偏振。改变扇叶数N和新月形因子m可调控聚焦场的聚焦点数、增强因子以及局域偏振态。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。本发明可用作偏振转换器、粒子操控波导，对光场偏振调制、纳米操纵等领域有重要的应用价值。
附图说明
图1是二氧化硅玻璃基底和新月风车形金属结构复合构成的在金属平面能产生光场偏振改变的、在扇叶尖端能产生聚焦光场的四叶新月风车型超结构表面(以扇叶数N＝4为例)。其中：(a)是新月风车型超结构表面的主视图；(b)是新月风车型超结构表面的右视图；(c)是新月风车型超结构表面的俯视图；(d)是新月形扇叶结构的几何示意图。
图2是线偏振可见光波段高斯光束垂直入射时，新月风车型超结构表面金属平面光场偏振的方向(以扇叶数N＝4、新月形因子m＝2为例)。其中：(a)是新月风车型超结构表面金属平面电场偏振方向；(b)是新月风车型超结构表面金属平面磁场偏振方向。
图3是线偏振可见光波段高斯光束垂直入射时，新月风车型超结构表面金属扇叶尖端产生的聚焦光场强度分布示意图。其中：(a)是N＝2、m＝2时聚焦光场强度分布示意图；(b)是N＝4、m＝2时聚焦光场强度分布示意图；(c)是N＝7、m＝2时聚焦光场强度分布示意图；(d)是N＝4、m＝3时聚焦光场强度分布示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明提供的新月风车型超结构表面，该超结构由介质基底和风车形金属结构复合构成，风车型金属结构的扇叶为新月形结构，扇叶数为N，风车型结构由新月形结构等角度同旋转方向排列构成，将平面圆周角度等分为N份。介质基底为立方体结构，基底尺寸为S×S×H，其中S为基底的长和宽，H为基底的厚度。新月形扇叶的几何形状可等效于两个圆柱体截取而得，截取新月形形状的圆柱体1和圆柱体2的截面半径满足关系式
其中m定义为新月形因子，m≥2且m为正整数，R1为圆柱体1的截面半径，R2为圆柱体2的截面半径，截面圆心距
本发明中新月风车型超结构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新月风车型结构。
具体应用实例1
新月风车型超结构表面的具体参数如下：
介质基底材料为二氧化硅玻璃，新月风车型金属材料为银，入射波长λ＝600nm，此时银材料折射率nAg＝0.04741+4.0419i，二氧化硅玻璃折射率ng＝1.5163+1.0566×10-8i。基底尺寸为300nm×300nm×80nm，风车扇叶数为N＝4，风车型金属由四个等角度分布的新月形金属构成，新月形金属形状可等效于圆柱体1被圆柱体2截取而得，新月形因子m＝2，材料选取R1＝50nm，则R2≈71nm，截面圆心距d＝50nm。入射光为线偏振高斯光束，其电场偏振方向与图1(c)中x轴正方向相同，磁场偏振方向与图1(c)中y轴正方向相同。
图2是线偏振可见光波段高斯光束垂直入射时，新月风车形超结构表面金属平面光场偏振的方向(以扇叶数N＝4、新月形因子m＝2为例)。其中：(a)是新月风车型超结构表面金属平面电场偏振方向，其偏振方向为径向偏振方向；(b)是新月风车型超结构表面金属平面磁场偏振方向，其偏振方向与电场偏振方向垂直，为角向偏振方向。
图3是线偏振可见光波段高斯光束垂直入射时，新月风车型超结构表面金属扇叶尖端产生的聚焦光场强度分布示意图。其中：(a)是扇叶数N＝2时聚焦光场强度分布示意图；(b)是扇叶数N＝4时聚焦光场强度分布示意图；(c)是扇叶数N＝7时聚焦光场强度分布示意图；(d)是N＝4、m＝3时聚焦光场强度分布示意图。风车型金属结构中心吸收光场能量，并在风车型每个新月形扇叶尖端产生高强度局域聚焦场。当扇叶数N改变时，聚焦场聚焦点数及增强因子会发生改变；当新月形因子m改变时，由于m增加会导致新月形金属内曲线曲率增大，从而导致厚度增大，进而增强因子会随m增大而减小。因此，改变扇叶数N和新月形因子m可调控聚焦场的聚焦点数、增强因子以及局域偏振态。
在风车型金属结构表面激发的表面等离激元，沿着新月形扇叶表面向顶端传播，在顶端形成纳米聚焦光场。所述的四叶新月风车型超结构表面，风车型超结构将入射光能量束缚到超结构表面，并最终在每个新月形扇叶尖端产生局域强场；由于风车的扇叶等角度排列，同时可以将入射的线偏光转化为局域复合偏振。改变扇叶数N和新月形因子m可调控聚焦场的聚焦点数、增强因子以及局域偏振态。本发明可用作偏振转换器、粒子操控波导，对光场偏振调制、纳米操纵等领域有重要的应用价值。

Claims (3)

1.一种产生局域复合偏振光场的新月风车型超结构表面，其特征在于该超结构的基底为光学介质材料，超结构表面为风车型纳米金属结构，由N个扇叶等角度排列构成，每个扇叶为新月形，N个新月形结构扇叶将平面圆周角度等分为N份；所述新月形扇叶的几何形状可等效于两个截面半径不同的圆柱体截取而得。
2.根据权利要求1所述的新月风车型超结构表面，其特征在于介质基底为立方体结构，基底尺寸为S×S×H，其中S为基底的长和宽，H为基底的厚度；新月形扇叶由圆柱体1被圆柱体2截取而成，两个圆柱体的截面半径满足关系式
R 2 = m · R 1
其中m定义为新月形因子，m≥2且m为正整数，R1为圆柱体1的截面半径，R2为圆柱体2的截面半径，截面圆心距为
d = m 2 - 1 · R 1 .
3.根据权利要求1或2所述的新月风车型超结构表面，其特征在于风车型超结构将入射光能量束缚到超结构表面，并最终在每个新月形扇叶尖端产生局域强场；由于风车的扇叶等角度排列，同时能够将入射的线偏光转化为局域复合偏振；改变扇叶数N和新月形因子m能够调控聚焦场的聚焦点数、增强因子以及局域偏振态。
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