[實用新型]全電介質材料的多通道聚焦渦旋光束產生器

有效

• 申請號: 201821638646.2
• 申請日: 2018-10-10
• 公開（公告）號: CN209148978U
• 公開（公告）日: 2019-07-23
• 發明（設計）人: 李冠海;歐凱;郁菲蘢;趙增月;陳金;陳效雙;陸衛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本專利公開了一種全電介質材料的多通道聚焦渦旋光束產生器，包括襯底、介質納米柱陣列。這些介質納米柱按照特定的方式排布在襯底上；本專利通過選擇合適的納米柱周期與納米柱的尺寸(長﹑寬﹑高)，通過引入幾何相位，調節納米柱繞其中心軸的旋轉角度，從而實現對透過光束的波前相位進行全相位操控。將透鏡和渦旋相位板的功能集成到一塊介質納米柱陣列器件上，實現對渦旋光束的聚焦，在設定的焦平面上產生“甜甜圈式”的能量密度分布。基于全息原理，在一個器件上實現了渦旋光束的多路產生。本專利大大提升了渦旋光產生器件的效率，降低器件的尺寸,提高了器件的可集成性。

技術領域

本專利涉及光束整形及空間光場調控技術，具體指一種全電介質材料的高效率高數值孔徑的多通道聚焦渦旋光束產生器及其制備方法。

背景技術

隨著現代通信技術的發展，信息容量的爆發式增長對信道傳輸容量提出了更高的要求。渦旋光束因其獨特的物理性質在提高信道傳輸容量方面存在著令人看好的應用前景，因此在過去的幾年中基于渦旋光束軌道角動量的研究無論是在光子學或者射頻通信領域都備受關注。

角動量是電磁波的一種內稟的物理屬性，由自旋角動量(SAM)和軌道角動量(OAM)組成。圓偏振光束攜帶有自旋角動量很早就被理論與實驗所證實。 1992年艾倫等發現可用一個方位相位項exp(ilθ)描述由帶有的軌道角動量的光子組成的光束，其中l可以取任意整數。軌道角動量來源于相位波前的螺旋性質，螺旋型的相位分布意味著光的線動量有一個方位分量。從此之后，渦旋光束的研究成為了一個熱點。與自旋角動量相比，軌道角動量對數據傳輸更有用。其中l是OAM的模數，也稱為拓撲電荷數，可以是任意大的整數，θ為波面上坐標的方位角(θ＝atan(x/y))。因此在渦旋光束的相位波前中心存在相位奇點，導致渦旋光束在與傳播軸垂直的方向具有甜甜圈式的密度輪廓分布。與電磁波的偏振狀態只提供有限的通道相比，OAM可以有無限多的彼此正交的本征態(也稱為OAM模)，從而可以提供更多的信道來增加通信傳輸容量。

傳統的產生渦旋光束的方法有螺旋相位片﹑柱透鏡﹑空間光調制器﹑叉形全息光柵等。然而由于這些傳統的器件尺寸很大，光路系統復雜，因此很難被集成到光子集成電路中去，大大阻礙了渦旋光束在光子集成電路中的應用。因此，尋找一種易集成的﹑簡單快捷的﹑能量分辨率高的渦旋光束產生器件已迫在眉睫。

目前，由周期或非周期亞波長厚度納米柱陣列組成的二維超構材料(即二維超表面)由于其在對光束的偏振態﹑振幅﹑波前相位靈活有效的調控能力以及現代納米加工的技術的巨大突破而備受關注。人們已經基于二維超表面調控光束波前的技術制備出了集中渦旋光束產生器件，器件具有10％～45％的產生效率。另外，基于金屬納米孔天線陣列對光束的振幅和相位同時調控，從而達到抑制高次衍射階，提高渦旋光束的能量分辨率，減小噪聲的目的，制備出了多路渦旋光束產生器件，然而由于金屬的歐姆損耗及反射輻射損耗比較高，導致渦旋產生器的效率很低(約15％)。因此，基于全電介質材料的極低損耗特性，并將透鏡的聚焦功能和渦旋相位片的功能集成到一塊器件上，實現對渦旋光束的聚焦，不僅可以得到較高的渦旋光束產生效率，而且極大提高了焦平面上渦旋光束的能量分辨率，幾乎沒有高階衍射的噪聲干擾。

發明內容

本專利主要針對傳統渦旋光產生器件的體積大﹑光路系統復雜﹑難于集成到光子電路中的不足，提出了一種基于全電介質材料的多路聚焦渦旋光束產生器及制備方法。

本專利所公開的一種基于全電介質材料的多通道聚焦渦旋光束產生器結構，包括襯底2、介質納米柱陣列1。在所述的襯底2上按照從下向上的順序依次生長介質納米柱陣列2。