CN108983443B - 一种产生无衍射光学涡旋晶格的超颖表面及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种产生无衍射光学涡旋晶格的超颖表面及其设计方法，所述方法包括以入射光垂直入射超颖表面，通过超颖表面的入射光被转换成具有特定相位差且向预先设置方向进行偏转的透射独立光束，透射独立光束彼此交叠产生无衍射光学涡旋晶格。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及一种产生无衍射光学涡旋晶格的超颖表面及其设计方法。
背景技术
无衍射光学涡旋晶格具有独特的横向光势场周期性分布以及沿光传播方向的衍射不变特性，在周期型激光直写、多通道光学微操控以及生物细胞筛选等多领域获得广泛应用。目前，人们可以通过多孔干涉仪或空间光调制器配合傅立叶变换透镜产生多种类型的光学涡旋晶格。但是，目前所使用的光学***大多较为庞大，光路调节复杂，并且不能很好的和其他光学***进行集成；另外，这类***产生的涡旋晶格尺寸较大，这就限制了光学涡旋晶格特别是在微观领域的应用。
发明内容
因此，本发明的目的是为解决上述不足，提供一种可集成的产生微米级无衍射光学涡旋晶格的超颖表面及其设计方法。该方法通过调整透光纳米矩形孔阵列的偏转方向，实现对透射光相位的精确调制，进而实现超颖表面各透射光束向特定方向的偏折，在干涉场中得到无衍射涡旋晶格。本发明在微米尺度实现光束的偏折，并在近表面范围内产生无衍射光学涡旋晶格，***简洁，可集成度高，有很好的应用前景。
本发明通过以下技术方案实现：
本申请提供了一种可产生无衍射涡旋晶格的超颖表面及其设计方法，以及使用该超颖表面产生无衍射涡旋晶格的方法，如图1所示，本发明的超颖表面包括1金膜、2石英衬底、3圆形区域和4纳米矩形孔。
本申请中，石英衬底用于支撑金膜；金膜以磁控溅射的方式镀在石英衬底表面(石英衬底厚度0.1-1毫米)，金膜厚度为100-200纳米，在可见光波段不透光；纳米矩形孔阵列分布于金膜上N个直径均为D的圆形区域，且在任一圆形区域内，纳米孔间的横向及纵向间距均为相同值p；任一圆形区域中心到金膜中心的距离均为d，且第n个圆形区域中心相对于金膜中心的方位角为φn＝2(n-1)π/N；进一步地，所述纳米矩形孔长度为l、宽度为w，其中λ>l>2w，λ为入射光波长。
本发明中，N为非零的整数，n≥1；D、p、d、l、w均大于0。
所述入射光波长为390-760纳米。
以入射光自石英衬底方向垂直入射本申请的超颖表面，所述入射光被转换成具有特定相位差且向预先设置方向进行偏转的透射独立光束，这些独立光束彼此交叠产生无衍射光学涡旋晶格。
进一步地，所述入射光为左旋圆偏振光；所述具有特定相位差且向预先设置方向进行偏转的透射独立光束在超颖表面处符合相位延迟分布：
其中，(xsamp,n,ysamp,n)是第n个圆形区域上任一点的位置坐标，k＝2π/λ是入射光波矢常数，λ为入射光波长，φsamp,n是第n个圆形区域上任一点相对于金膜中心的方位角，
是第n个圆形区域强加给该处透射光束的相位值(即
是第n个圆形区域对该圆形区域处透射光束附加的初始相位值)，ztar是所有透射独立光束交叠区域的中心(交叠点)距离金膜表面的垂直距离，其决定了各光束向该交叠区域中心的偏转角度为arctan(d/ztar)，设计时，该交叠区域的交叠点即为预先设置的方向。
进一步地，以金膜上第n个圆形区域中的任一纳米矩形孔的中心为取样点，该取样点的相位值为
并以该点为中心将其在金膜平面旋转角度θ(xsamp,n,ysamp,n)，取样点相位值与旋转角度的关系符合
所述无衍射涡旋晶格可以为Kagome类型、Honeycomb类型等无衍射涡旋晶格。
本申请还提供设计上述可产生无衍射涡旋晶格的超颖表面的方法，所述方法包括以下步骤：
为方便表述，定义金膜表面位于xoy平面，中心为o点，任意一圆形区域圆心(中心点)到o点的距离均为d，第n个圆形区域的中心点相对于o点的方位角为Φn＝2(n-1)π/N。并设定入射光波长为λ，自石英衬底方向垂直入射超颖表面。
(1)设定金膜上任意透光圆形区域透射光的目标交叠点为z轴上距离超颖表面ztar位置处，即所有圆形区域透射光均偏折向z轴，偏转角度为arctan(d/ztar)；
(2)根据步骤(1)中的偏转角度，反推金膜上第一个圆形区域上任意位置(用坐标表示为(xsamp,1,ysamp,1))处所携带的相位值，得到
其中，k＝2π/λ是入射光的波矢常数，该相位分布
随x坐标值线性变化，其作用效果为偏折光楔，因此，也可定义该相位分布为偏折光楔相位；
(3)将步骤(2)中的偏折光楔相位分布
整体绕z轴逆时针旋转角度Φn，得到第n个圆形区域上任意一点(xsamp,n,ysamp,n)处的相位分布；为了用公式进行表示，设定φsamp,n为该点相对于金膜中心o点的方位角，得到第n个圆形区域上任意一点的相位表达式，如下：
(4)设定任意一圆形区域的初始设定相位值为
将步骤(3)中任意一点处的相位分布
加上
得到携带特定相位差的偏折光楔相位分布，表示为：
即
由此，可确定任意圆形区域所处相位分布；
(5)在金膜上任意一圆形区域分别沿x方向和y方向均间隔距离p确定取样点，并对步骤(4)中相应位置处的相位值进行取样；
(6)以步骤(5)确定的取样点为中心，确定长度为l，宽度为w的矩形，长轴沿x方向；
(7)以步骤(6)中的矩形中点为中心将其在xoy平面(即金膜表面)逆时针旋转；旋转角度为θ(xsamp,n,ysamp,n)，其与该点处相位取样值
的关系为
根据该关系，得到任意矩形的位置、大小和角度分布；
(8)使用聚焦离子束刻蚀的方法根据步骤(7)中确定的矩形位置刻蚀金膜，即得产生无衍射光学涡旋晶格的超颖表面。
此外，本发明提供了一种产生无衍射涡旋晶格的方法，所述方法包括以入射光垂直入射超颖表面，通过超颖表面的入射光被转换成具有特定相位差且向预先设置方向进行偏转的透射独立光束，透射独立光束彼此交叠产生无衍射光学涡旋晶格。
其中，所述超颖表面包括石英衬底、金膜、圆形区域以及纳米矩形孔阵列；石英衬底用于支撑金膜；金膜以磁控溅射的方式镀在石英衬底表面，纳米矩形孔阵列分布于金膜上的圆形区域内。
其中，所述金膜的厚度为100-200纳米，石英衬底厚度为0.1-1毫米。
进一步地，所述入射光为左旋圆偏振光，其自石英衬底方向垂直入射超颖表面，入射光光波长为390-760纳米。
进一步地，所述超颖表面通过如下方法设计得到：
定义金膜表面位于xoy平面，中心为o点，金膜表面上有N个直径为D的圆形区域，任意圆形区域圆心到o点的距离均为d，第n个圆形区域的中心点相对于o点的方位角为Φn＝2(n-1)π/N；并设定入射光波长为λ；入射光自石英衬底方向垂直入射；
步骤(1)：设定金膜上任意透光圆形区域透射光的目标交叠点为z轴(垂直于金膜表面的垂直轴，过o点)上距离超颖表面ztar处，即所有圆形区域透射光均偏折向z轴，偏转角度为
步骤(2)：根据步骤(1)中的偏转角度，反推金膜上第一个圆形区域上任意位置，用坐标(xsamp,1,ysamp,1)表示该位置处所携带的相位值(相位分布)，得到
其中，k＝2π/λ是入射光的波矢常数，该相位分布
随x坐标值线性变化，其作用效果为偏折光楔，因此，也可定义该相位分布为偏折光楔相位；
步骤(3)：将步骤(2)中的偏折光楔相位分布
整体绕z轴逆时针旋转角度Φn，得到第n个圆形区域上任意一点处的相位分布，该处以坐标表示为(xsamp,n,ysamp,n)；
为了用公式进行表示，设定φsamp,n为该点相对于金膜中心o点的方位角，得到第n个圆形区域上任意一点的相位表达式，如下：
步骤(4)：设定第n个圆形区域上任意一点处的初始设定相位值为
(
是第n个圆形区域强加给该处透射光束的相位值或者理解为第n个圆形区域对该圆形区域处透射光束附加的初始相位值)，将步骤(3)中任意一点处的相位分布
加上相位差
得到携带特定相位差的偏折光楔相位分布，表示为：
即
由此，可确定金膜上任意圆形区域的相位分布；
步骤(5)：在金膜上任意一圆形区域分别沿x方向和y方向均间隔距离p确定取样点，并对步骤(4)中相应位置处的相位值进行取样；
步骤(6)：以步骤(5)确定的取样点为中心，确定长度为l，宽度为w的矩形，长轴沿x方向；
步骤(7)：以步骤(6)中的矩形中点为中心将其在xoy平面(即金膜表面)逆时针旋转；旋转角度为θ(xsamp,n,ysamp,n)，其与该点处相位取样值
的关系为
根据该关系，得到任意矩形的位置、大小和角度分布；
步骤(8)：使用聚焦离子束刻蚀的方法根据步骤(7)中确定的矩形位置刻蚀金膜，即得产生无衍射光学涡旋晶格的超颖表面。
进一步地，所述无衍射涡旋晶格的方法包括以左旋圆偏振光为入射光自石英衬底方向垂直入射所述的超颖表面，通过超颖表面的入射光被转换成具有特定相位差
且向z轴偏转
角度的透射独立光束，透射独立光束彼此交叠在垂直距离金膜表面ztar位置垂直方向前后段各距离Dztar/2d(D与ztar为乘的关系)的范围内获得无衍射光学涡旋晶格。该晶格保持无衍射特性的区域为以z轴(过金膜平面中心o点)为旋转对称轴的梭子形区域，该梭形区域的水平中截面(该中截面以ztar位点为中心点)直径为金膜上圆形区域的直径D，梭形区域垂直方向长度为Dztar/d。
如无特殊说明，本申请中所述垂直(方向)、水平(方向)均是以金膜表面(xoy平面)为基准面。
进一步地，所述无衍射光学涡旋晶格为Kagome类型或Honeycomb类型的无衍射涡旋晶格。
此外，本发明还提供了一种产生Kagome类型无衍射涡旋晶格的方法，所述方法包括制备超颖表面，以左旋圆偏振光垂直入射超颖表面，通过超颖表面的入射光被转换成具有特定相位差且向预先设置方向进行偏转的透射独立光束，透射独立光束彼此交叠产生Kagome类型无衍射涡旋晶格；
其中，所述超颖表面包括石英衬底、金膜、圆形区域以及纳米矩形孔阵列；石英衬底用于支撑金膜；金膜以磁控溅射的方式镀在石英衬底表面，纳米矩形孔阵列分布于金膜上的圆形区域内，所述超颖表面通过如下方法得到：
设定入射的左旋圆偏振光波长为λ＝532nm，目标交叠点距离在z轴上且距离金膜表面ztar位置的距离为16微米；金膜上具有N＝6个直径为D＝8微米的透光圆形区域，且各圆形区域中心到金膜中心o点的距离均为d＝8微米，第n个圆形区域的方位角为Φn＝(n-1)π/3，即各圆形区域中心点位于边长为8微米的正六边形顶点；
(1)对应于Kagome涡旋晶格，第n个圆形区域处透射光束携带的固有相位为
将以上参数带入相位延迟分布公式
得到各圆形区域处所需的相位分布；
(2)在各圆形区域沿x和y方向均每间隔p＝220纳米对步骤(1)中的相位分布进行取样；
(3)以步骤(2)中的取样点为中心，确定长度l＝150纳米、宽度w为70纳米的矩形孔，并根据步骤(2)中取样出的相位值确定矩形孔的长轴方向；对所有取样点进行该操作后，得到金膜表面纳米矩形孔阵列的分布图样；
(4)在0.5毫米厚的石英衬底上磁控溅射200纳米厚金膜，并使用聚焦离子束刻蚀出步骤(3)中的矩形孔阵列图样，得到产生Kagome光学晶格的超颖表面。
进一步地，所述产生Kagome类型无衍射涡旋晶格的方法包括使用波长为532纳米的左旋圆偏振光自石英衬底垂直照射超颖表面，即可在垂直距离金膜表面ztar位置垂直方向前后各8微米(Dztar/2d)范围内产生Kagome光学晶格，该晶格保持无衍射特性的区域为以z轴(过金膜平面中心o点)为旋转对称轴的梭子形区域，该梭形区域的水平中截面(该中截面以ztar位点为中心点)直径为金膜上圆形区域的直径D＝8微米，梭形区域垂直方向长度为Dztar/d＝16微米。
本发明有益效果：现有技术主要通过空间光调制器以及透镜的组合来产生无衍射涡旋晶格，所需的光路庞大且复杂；目前暂无公开或启示可利用超颖表面产生无衍射涡旋晶格。本申请不使用传统光学元件即可产生无衍射涡旋晶格，***大大微型化、可集成化；产生的涡旋晶格出现在距离超颖表面数微米处，晶格尺寸在波长量级，相比传统方法大大缩小，可应用于微观领域。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为本发明的超颖表面的结构示意图；其中，1为金膜，2为石英衬底，3为圆形区域，4为纳米矩形孔。
图2为相应于产生无衍射Kagome晶格的金膜超颖表面上相位延迟分布；其中，以灰度代表相位延迟值由-π到π的变化(黑色为-π，白色为π)。
图3为相应于产生无衍射Kagome晶格的金膜超颖表面纳米矩形孔阵列的分布图样。
图4为产生无衍射Kagome晶格实例的金膜超颖表面SEM图像。
图5为实例产生的无衍射Kagome晶格在距离金膜表面16微米处的光强分布。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
实施例产生Kagome类型无衍射涡旋晶格的超颖表面
具体地，在本实施例中，产生Kagome类型无衍射涡旋晶格的超颖表面可通过以下步骤实现：
假设入射的左旋圆偏振光波长为λ＝532nm，目标交叠点距离在z轴上且距离金膜表面ztar位置的距离为16微米；金膜上具有N＝6个直径为D＝8微米的透光圆形区域，且各圆形区域中心到金膜中心o点的距离均为d＝8微米，第n个圆形区域的方位角为Φn＝(n-1)π/3，即各圆形区域中心点位于边长为8微米的正六边形顶点。
(1)对应于Kagome涡旋晶格，第n个圆形区域处透射光束携带的固有相位为
将以上参数带入相位延迟分布公式
得到各圆形区域处所需的相位分布，如图2所示。
(2)在各圆形区域沿x和y方向均每间隔220纳米对图2所示的相位分布进行取样。
(3)以步骤(2)中的取样点为中心，确定长度为150纳米、宽度为70纳米的矩形孔，并根据步骤(2)中取样出的相位值确定矩形孔的长轴方向。例如，若该处相位取样值为
则长轴与x轴的夹角为θ＝45°。对所有取样点进行该操作后，得到金膜表面纳米矩形孔阵列的分布图样，如图3所示。
(4)在0.5毫米厚的石英衬底上磁控溅射200纳米厚金膜，并使用聚焦离子束刻蚀出步骤(3)中图3所示的矩形孔阵列图样，得到产生Kagome光学晶格的超颖表面。其SEM图像如图4。
使用波长为532纳米的左旋圆偏振光自石英衬底垂直照射步骤(4)中得到的超颖表面，即可在垂直距离金膜表面ztar位置处垂直方向前后各8微米形成的空间范围内产生Kagome光学晶格。该晶格保持无衍射特性的区域为以z轴为旋转对称轴的梭子形区域，该梭子形区域的水平中截面(中截面以ztar位点为中心点)直径为金膜上圆形区域的直径D＝8微米，该梭子形区域的垂直方向长度为Dztar/d＝16微米。其中，图5即为产生的无衍射Kagome晶格在距离金膜表面16微米处的光强分布。
以上显示和描述阐述了本发明的基本原理、主要特征本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种产生无衍射涡旋晶格的方法，所述方法包括以入射光垂直入射超颖表面，通过超颖表面的入射光被转换成具有特定相位差且向预先设置方向进行偏转的透射独立光束，透射独立光束彼此交叠产生无衍射光学涡旋晶格；
所述超颖表面包括石英衬底、金膜、圆形区域以及纳米矩形孔阵列；石英衬底用于支撑金膜；金膜以磁控溅射的方式镀在石英衬底表面，纳米矩形孔阵列分布于金膜上的圆形区域内；
所述超颖表面通过如下方法设计得到：
定义金膜表面位于xoy平面，中心为o点，金膜表面上有N个直径为D的圆形区域，任意圆形区域圆心到o点的距离均为d，第n个圆形区域的中心点相对于o点的方位角为Φn＝2(n-1)π/N；并设定入射光波长为λ；入射光自石英衬底方向垂直入射；
步骤(1)：设定金膜上任意透光圆形区域透射光的目标交叠点为z轴上距离超颖表面ztar处，即所有圆形区域透射光均偏折向z轴，偏转角度为
其中z轴为通过金膜表面中心o点且垂直于金膜表面的垂直轴；
步骤(2)：根据步骤(1)中的偏转角度，反推金膜上第一个圆形区域上任意位置，用坐标(xsamp,1,ysamp,1)表示该位置处所携带的相位值，即相位分布，得到
其中，k＝2π/λ是入射光的波矢常数，该相位分布
随x坐标值线性变化，其作用效果为偏折光楔，因此，也可定义该相位分布为偏折光楔相位；
步骤(3)：将步骤(2)中的偏折光楔相位分布
整体绕z轴逆时针旋转角度Φn，得到第n个圆形区域上任意一点处的相位分布，该处以坐标表示为(xsamp,n,ysamp,n)；
为了用公式进行表示，设定φsamp,n为该点相对于金膜中心o点的方位角，得到第n个圆形区域上任意一点的相位表达式，如下：
步骤(4)：设定第n个圆形区域上任意一点处的初始设定相位差，该相位差为相位值
相位值
是第n个圆形区域强加给该处透射光束的相位值或者是第n个圆形区域对该圆形区域处透射光束附加的初始相位值，将步骤(3)中任意一点处的相位分布
加上相位差
得到携带特定相位差的偏折光楔相位分布，表示为：
即
由此，可确定金膜上任意圆形区域的相位分布；
步骤(5)：在金膜上任意一圆形区域分别沿x方向和y方向均间隔距离p确定取样点，并对步骤(4)中相应位置处的相位值进行取样；
步骤(6)：以步骤(5)确定的取样点为中心，确定长度为l，宽度为w的矩形，长轴沿x方向；
步骤(7)：以步骤(6)中的矩形中点为中心将其在xoy平面，即金膜表面逆时针旋转；旋转角度为θ(xsamp,n,ysamp,n)，其与该点处相位取样值
的关系为
根据该关系，得到任意矩形的位置、大小和角度分布；
步骤(8)：使用聚焦离子束刻蚀的方法根据步骤(7)中确定的矩形位置刻蚀金膜，即得产生无衍射光学涡旋晶格的超颖表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金膜的厚度为100-200纳米。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述入射光为左旋圆偏振光，其自石英衬底方向垂直入射超颖表面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以左旋圆偏振光为入射光自石英衬底方向垂直入射所述的超颖表面，通过超颖表面的入射光被转换成具有特定相位差
且向z轴偏转
角度的透射独立光束，透射独立光束彼此交叠在垂直距离金膜表面ztar位置处，以ztar位置为中间点垂直向上和向下Dztar/2d距离的区域内获得无衍射光学涡旋晶格；
该晶格保持无衍射特性的区域为以过金膜平面中心o点的垂直轴z轴为旋转对称轴的梭子形区域，该梭子形区域的中截面以距离金膜表面ztar位置处为中心点，该中截面的直径为金膜上圆形区域的直径D，梭子形区域在垂直空间上的长度为Dztar/d。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无衍射光学涡旋晶格为Kagome类型或Honeycomb类型的无衍射涡旋晶格。
6.一种产生Kagome类型无衍射涡旋晶格的方法，所述方法包括制备超颖表面，以左旋圆偏振光垂直入射超颖表面，通过超颖表面的入射光被转换成具有特定相位差且向预先设置方向进行偏转的透射独立光束，透射独立光束彼此交叠产生Kagome类型无衍射涡旋晶格；
其中，所述超颖表面包括石英衬底、金膜、圆形区域以及纳米矩形孔阵列；石英衬底用于支撑金膜；金膜以磁控溅射的方式镀在石英衬底表面，纳米矩形孔阵列分布于金膜上的圆形区域内，所述超颖表面通过如下方法得到：
设定入射的左旋圆偏振光波长为λ＝532nm，目标交叠点为z轴上距离金膜表面ztar位置处，距离ztar为16微米；金膜上具有N＝6个直径为D＝8微米的透光圆形区域，且各圆形区域中心到金膜中心o点的距离均为d＝8微米，第n个圆形区域的方位角为Φn＝(n-1)π/3，即各圆形区域中心点位于边长为8微米的正六边形顶点，其中，z轴为通过金膜表面中心o点且垂直于金膜表面的垂直轴；
(1)对应于Kagome涡旋晶格，第n个圆形区域处透射光束携带的固有相位为
将以上参数带入相位延迟分布公式
得到各圆形区域处所需的相位分布；其中，k＝2π/λ是入射光波矢常数，
为坐标(xsamp，n，ysamp，n)处偏折光楔相位；
(2)在各圆形区域沿x和y方向均每间隔p＝220纳米对步骤(1)中的相位分布进行取样；
(3)以步骤(2)中的取样点为中心，确定长度l＝150纳米、宽度w为70纳米的矩形孔，并根据步骤(2)中取样出的相位值确定矩形孔的长轴方向；对所有取样点进行该操作后，得到金膜表面纳米矩形孔阵列的分布图样；
(4)在0.5毫米厚的石英衬底上磁控溅射200纳米厚金膜，并使用聚焦离子束刻蚀出步骤(3)中的矩形孔阵列图样，得到产生Kagome光学晶格的超颖表面。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用波长为532纳米的左旋圆偏振光自石英衬底垂直照射超颖表面，即可在垂直距离金膜表面ztar位置垂直方向前后各8微米
区域范围内产生Kagome光学晶格，该晶格保持无衍射特性的区域为以过金膜平面中心o点的垂直轴z轴为旋转对称轴的梭子形区域，该梭子形区域的中截面以ztar位置为中心点，该中截面的直径为金膜上圆形区域的直径D＝8微米，梭子形区域长度为Dztar/d＝16微米。
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