[發明專利]一種基于多圈螺旋線形納米槽結構的渦旋光束生成器

在審

• 申請號: 202210661978.7
• 申請日: 2022-06-13
• 公開（公告）號: CN114994930A
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 金中薇
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B27/00;G02B5/18
• 代理公司: 江蘇斐多律師事務所 32332
• 代理人: 向妮

本發明公開一種基于多圈螺旋線形納米槽結構的渦旋光束生成器，包括襯底以及形成于襯底上的微納結構，其中，微納結構被構造為具有M圈連續的螺旋線形的納米槽微結構，M≥3；工作波長范圍內的入射光垂直入射所述渦旋光束生成器，透過納米槽微結構后在菲涅爾遠場區域通過干涉形成具有長焦深的級聯式連續拓撲荷數的渦旋光束。本發明所公開的渦旋光束生成器可在寬波帶下工作，生成級聯式連續階數的渦旋光束，還可通過改變入射波長或焦平面位置，靈活調節所產生渦旋光束的階數，且產生的各階渦旋光束都具有長焦深。

技術領域

本發明屬于微納光學器件技術領域，具體涉及一種基于多圈螺旋形納米槽結構的渦旋光束生成器。

背景技術

攜帶軌道角動量的渦旋光束的獨特光學特性激發了各種先進的應用，如微納粒子操縱、傳感與探測、高維光通信、光學計量、顯微成像等。傳統上，產生渦旋光束的器件有螺旋相位板、叉形光柵、和空間光調制器等。但這些器件通常單一器件只能產生某一特定階數的渦旋光束，且工作帶寬較窄。因此不能滿足需要多個不同階數渦旋光束的應用場合以及一些需要寬波段工作波長的場景。此外，這些器件尺寸較大，不利于系統的小型化和集成化發展。

近年來，超表面光學器件的出現為器件的小型化和集成化帶來了新的機遇，通過在亞波長尺度調節光的振幅、相位、偏振等特性，從而實現波前的任意調控。基于超表面的渦旋光束生成器的設計通常分為兩步：首先，通過設計對入射光產生0～2π梯度相位響應的微納單元結構；然后，對這些微納單元結構進行特定排布從而在在菲涅爾遠場累積需要的相位分布。然而，基于這種超表面的渦旋光束生成器的加工制備依賴于昂貴的多步驟納米制造技術，如電子束光刻或聚焦離子束等，其制造時間根據其結構復雜性通常需要數小時甚至幾天，不利于量產化。

此外，無論是利用傳統器件(如螺旋相位板、空間光調制器)還是利用超表面產生渦旋光束，設計者通常采用單圈螺旋線形的相位或振幅排布，從而形成渦旋光束。然而，這種方法形成的渦旋光束往往焦深較短，或在形成渦旋光束后立即發散。而在實際應用中，如捕獲微小粒子和顯微成像中，需要無衍射渦旋光束。

發明內容

為解決上述問題，本發明提出一基于多圈螺旋形納米槽結構的渦旋光束生成器，該渦旋光束生成器的結構同時結合了螺旋線形納米槽以及菲涅爾波帶片兩種結構，從而可以產生具有長焦深的級聯式連續階數的渦旋光束。該渦旋透鏡可在寬波帶下工作，且可通過改變入射波長或焦平面位置，方便地調節所產生渦旋光束的階數。

本發明的具體技術方案如下：

一種基于多圈螺旋線形納米槽結構的渦旋光束生成器，其特征在于，包括襯底，以及形成于襯底上的微納結構；所述微納結構被構造為具有M圈連續的螺旋線形的納米槽微結構，所述M≥3；工作波長范圍內的入射光垂直入射所述渦旋光束生成器，透過納米槽微結構后在菲涅爾遠場區域通過干涉形成具有長焦深的級聯式連續拓撲荷數的渦旋光束；所述螺旋線的公式為：式中，θ∈[0,M·2π]，r₀＜＜z₀，式中，θ為螺旋線的方位角，r₀為螺旋線的起始半徑，λ₀為預設工作波長，l₀為預設螺旋線的拓撲荷數，z₀表示預設聚焦面距所述微納結構在光的傳播方向上的距離，r_θ為方位角θ對應的螺旋線半徑，M為螺旋線的圈數。

作為一種優選方案，所述入射光的波長為預設工作波長λ₀時，在一系列預設聚焦面z₀/n 處分別得到階數l＝n的渦旋光束；在工作波長范圍內，若改變入射光的波長為λ，則在距所述微納結構z＝λ₀z₀/nλ處分別得到階數l＝n的渦旋光束，n＝1,2,3,4,5…。

作為一種優選方案，所述微納結構中納米槽微結構之外的區域的透光率不大于5％。

作為一種優選方案，所述微納結構采用金、銀、鋁、鉻中的任意一種金屬材料制作；所述微納結構的厚度為50～200nm。