一种基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器

摘要

本发明公开了一种基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器，由多个周期单元排列组成阵列相位板；所述周期单元包括衬底层，衬底层上设有二氧化钒层，二氧化钒层上设有纳米柱。当周期单元在阵列相位板所处位置的相位为0时，周期单元上纳米柱的旋转角度相对于x轴为0度；当周期单元在阵列相位板所处位置的相位为π时，周期单元上纳米柱的旋转角度相对于x轴为90度。本发明通过温度控制二氧化钒的相变和改变入射光的偏振态，当圆偏振光或线偏振光垂直入射到通过改变温度可以实现模式切换的超表面时，会在上下表面的主瓣位置生成随传播距离增加主瓣衰减并逐渐弯曲的艾里光束，由此本发明可以在可见光区域实现可调的垂直加速二维艾里光束。

权利要求

1.一种基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器，其特征在于：由多个周期单元(1)排列组成阵列相位板；所述周期单元(1)包括截面为正方形的衬底层(2)，衬底层(2)上设有二氧化钒层(3)，二氧化钒层(3)上设有纳米柱(4)；每个周期单元(1)上所述纳米柱(4)的旋转角度与阵列相位板中相位关系如下：当周期单元(1)在阵列相位板所处位置的相位为0时，周期单元(1)上所述纳米柱(4)的旋转角度相对于x轴为0度；当周期单元(1)在阵列相位板所处位置的相位为π时，周期单元(1)上所述纳米柱(4)的旋转角度相对于x轴为90度；其中：Φ2(x，y)＝phase[Φ1(x，y，z＝0)]；

式中：Ai为艾里函数，a为艾里光束的截断因子；x为横向坐标，y为纵向坐标，x0和y0分别为选取主瓣的半高宽；

通过温度控制二氧化钒的相变和改变入射光的偏振态，可以实现超表面的模式转换，以实现可调的艾里光束。

2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器，其特征在于：所述衬底层(2)为截面是正方形的柱体，衬底层(2)的宽度为340nm，衬底层(2)的高度是

300nm；所述衬底层(2)的材质为二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器，其特征在于：所述二氧化钒层(3)为截面是正方形的柱体，二氧化钒层(3)的宽度为340nm，二氧化钒层(3)的高度是100nm；所述衬底层(2)的材质为二氧化硅。

4.根据权利要求1所述的基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器，其特征在于：所述纳米柱(4)的高度为700nm，长度为237nm，宽度为107nm，所述纳米柱(4)的材质为二氧化钛。

5.根据权利要求1所述的基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器，其特征在于：所述周期单元(1)排列组成阵列的面积为21μm×21μm。

说明书

一种基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器，属于光学领域。

背景技术

[0002] 正如人们所知，光束是具有衍射特性。然而，在自由空间中传播的光束随着传输距离的增加能量逐渐分散，光斑由内向外扩大，不利于在光通信和军事等领域的应用。由此人们迫切找到新的解决方案—无衍射光束。最具代表的沿直线传输的无衍射光束是贝塞尔(Bessel)光束,而沿曲线传输的无衍射光束是近几年研究热门的艾里光束，它也是加速光束的一种代表形式。在量子力学框架下,通常用薛定谔方程描述粒子和波的运动。1979年，Berry和Balazs从理论上证明艾里函数，即一维形式薛定谔方程的特殊解，其粒子和波携带有无穷能量。2007年，Siviloglou和他的学生通过理论推导和实验证明引入了有限能量艾里光束。艾里光束是自由空间中沿着弯曲路径传播的无衍射光束，其振幅强度满足粒子在重力的作用下做平抛运动所产生的抛物线形轨迹。此外，艾里光束还具有自愈特性，若在某个位置遮挡其主瓣,传输一定距离后,被遮挡的主瓣能够重新“长出”,这种奇异特性可以阻抗外界环境对它的破坏。通常，产生艾里光束的装置有很多，例如利用空间光调制器(SLMs)或透射型液晶对光束进行立方相位调制，这些光学器件设备庞大，投入成本高，生成的艾里光束具有较大的光束宽度和固定的非衍射传播距离，不利于在光学成像、艾里表面等离子体激元、激光器和光子弹等场景应用。到目前为止，等离激元和介质超表面已经推动光子学领域朝着更深远的方向发展，由他们组成的多功能超薄光学设备在电子束、高分辨率光学显微镜和生物细胞的光学操作等方面具有强大的应用前景。

[0003] 超表面对应着超材料的二维结构，是由亚波长金属或介电材料排列组成。它能在纳米结构上动态调控入射光的振幅、相位及偏振模式，因而吸引大量研究人员的关注。在最近几年，人们陆续实现基于超表面对入射波的波前进行纯相位调制或复振幅调制来产生艾里光束，在这方面已取得重大进展。然而考虑到设计单元的固定波长及周期的局限性，对散射光的相位延迟无法覆盖整个2π区域，使得超表面透射率或反射率偏低。接着人们提出了功能复用的超表面器件，但功能增加也会增大设计难度，而且降低了波前调控功能的灵活性。实现高效率透射、功能可调谐和结构简单的超表面艾里光束发生器，已成为人们后续不断探索的动力。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于，提供一种基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器。本发明可以产生高效率的艾里光束，具有高传输效率的优点。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器；由多个周期单元排列组成阵列相位板；所述周期单元包括截面为正方形的衬底层，衬底层上设有二氧化钒层，二氧化钒层上设有纳米柱；每个周期单元上所述纳米柱(4)的旋转角度与阵列相位板中相位关系如下：

[0006]

[0007]

[0008] 式中：Ai为艾里函数，a为艾里光束的截断因子；x为横向坐标，y为纵向坐标，x0和y0分别为选取主瓣的半高宽；

[0009] 当周期单元在阵列相位板所处位置的相位为0时，周期单元上所述纳米柱的旋转角度相对于x轴为0度；当周期单元在阵列相位板所处位置的相位为π时，周期单元上所述纳米柱的旋转角度相对于x轴为90度。

[0010] 上述的基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器，所述衬底层为截面是正方形的柱体，衬底层的宽度为340nm，衬底层的高度是300nm；所述衬底层的材质为二氧化硅。

[0011] 前述的基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器，所述二氧化钒层为截面是正方形的柱体，二氧化钒层的宽度为340nm，二氧化钒层的高度是100nm；所述衬底层的材质为二氧化硅。

[0012] 前述的基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器，所述纳米柱的高度为700nm，长度为237nm，宽度为107nm；所述纳米柱的材质为二氧化钛。

[0013] 前述的基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器，所述周期单元排列组成阵列的面积为21μm×21μm。

[0014] 与现有技术相比，本发明基于PB相位原理的前提下，通过温度控制二氧化钒的相变和改变入射光的偏振态，当圆偏振光或线偏振光垂直入射到通过改变温度可以实现模式切换的超表面时，会在上下表面的主瓣位置生成随传播距离增加主瓣衰减并逐渐弯曲的艾里光束，由此本发明可以在可见光区域实现可调的垂直加速二维(2D)艾里光束。本发明利用二氧化钒在不同温度下的会处于绝缘相和金属相，在常温下，即二氧化钒是绝缘态时，通过本发明可以产生透射式的二维艾里光束，它具有较高的偏振转化效率和传输效率；在高温下，即二氧化钒是金属态时，入射的圆偏振光会由透射式转换成反射式的二维艾里光束。通过本发明产生透射式和反射式的艾里光束，其传输效率分别高达97％和70％。本发明的艾里光束发生装置能为高效产生和动态调控光束提供了创造紧凑型光学和光子平台的可能性。本发明除具有偏振转换、光束控制和切换工作模式外，还有望在全息成像等集成的紧凑型光学系统中得到应用，并为高分辨率光学成像系统的应用开辟一条新颖的道路。

附图说明

[0015] 图1是本发明的结构示意图；

[0016] 图2是周期单元的结构示意图；

[0017] 图3是本发明产生二维垂直加速艾里光束分布示意图；

[0018] 图4(a)是模拟二氧化钒处于绝缘体相时，透射场的透过率和偏振转化率随单元胞尺寸变化的函数示意图；

[0019] 图4(b)是实验仿真数据(球形)和理论公式计算(实线)了右旋圆偏振光入射下，验证了垂直加速艾里光束主瓣偏转的传播轨迹示意图；

[0020] 图4(c)是当二氧化钒处于金属相时，反射场的反射率和偏振转化率随单元尺寸变化的分布图。

[0021] 图4(d)按照设计恰当的超表面尺寸大小，模拟了不同位置所需的相位分布图；

[0022] 图4(e)所设计超表面的相位分布图；

[0023] 图4(f)是设计超表面的相位分布图的模拟值与理论曲线示意图；

[0024] 图5是透射型超表面生成二维艾里光束的不同平面场图，其中附图5(a)在右旋圆偏振光或左旋圆偏振光入射条件下产生艾里光束的纵向场图；图5(b)记录了z＝50um、z＝55um、z＝60um和z＝65um纵向位置的x‑y平面场分布；图5(c)在图5(b)对应的位置基础上提取光束主瓣处的场廓线，测量的半高宽为归一化的场强值。

[0025] 图6是反射型超表面生成二维艾里光束的不同平面场图；图6(a)在右旋圆偏振光或左旋圆偏振光入射条件下产生艾里光束的纵向场图；图6(b)记录了不同传播平面纵向位置的x‑y平面场分布；图6(c)是在图(b)对应的位置基础上提取光束主瓣处的场廓线示意图；

[0026] 图7是本发明二维艾里光束的自愈情况示意图；

[0027] 图8是三种光源分别垂直入射透射模式下的艾里光束发生器，在距离超表面z＝60um处产生x‑y截面的光场强度分布图案。

[0028] 附图标记：1‑周期单元，2‑衬底层，3‑二氧化钒层，4‑纳米柱。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

[0030] 实施例：一种基于二氧化钒超表面的动态可调艾里光束发生器，由多个周期单元1排列组成阵列相位板，该阵列相位板呈正方形。所述周期单元1排列组成阵列的面积为21μm×21μm。所述周期单元1包括截面为正方形的衬底层2，衬底层2上设有二氧化钒层3，二氧化钒层3上设有纳米柱4。所述衬底层2为截面是正方形的柱体，衬底层2的宽度为340nm，衬底层2的高度是300nm；所述衬底层2的材质为二氧化硅。所述二氧化钒层3为截面是正方形的柱体，二氧化钒层3的宽度为340nm，二氧化钒层3的高度是100nm；所述衬底层2的材质为二氧化硅。所述纳米柱4的高度为700nm，长度为237nm，宽度为107nm；所述纳米柱4的材质为二氧化钛。每个周期单元1上所述纳米柱4的旋转角度与阵列相位板中相位关系如下：

[0031]

[0032]

[0033] 式中：Ai为艾里函数，a为艾里光束的截断因子；x为横向坐标，y为纵向坐标，x0和y0分别为选取主瓣的半高宽；

[0034] 当周期单元1在阵列相位板所处位置的相位为0时，周期单元1上所述纳米柱4的旋转角度相对于x轴为0度；当周期单元1在阵列相位板所处位置的相位为π时，周期单元1上所述纳米柱4的旋转角度相对于x轴为90度。

[0035] 在本实施例中，要考虑到艾里光束的最小旁瓣至少需要两个单元才能满足奈奎斯特采样定理。图3是产生二维垂直加速艾里光束分布示意图。该超表面是在玻璃和二氧化钒衬底上由亚波长矩形介质纳米柱阵列组成的，其阵列面积为21μm×21μm。当圆偏振光或线偏振光垂直入射到通过改变温度可以实现模式切换的超表面时，会在上下表面的主瓣位置生成随传播距离增加主瓣衰减并逐渐弯曲的艾里光束，从图中清楚地观察出沿弯曲轨迹传播时具备无衍射、自弯曲和自愈等特征。本发明通过时域有限差分求解器扫描纳米柱的几何参数和光学参数，优化后的每个周期单元的宽度(晶格常数)为P＝340nm。为了确保有足够的传输效率，选取的纳米柱高度为H＝700nm。

[0036] 本实施例中，艾里光束发生器的超表面由二氧化钛(TiO2)纳米柱组成，由米氏散射原理可知，TiO2拥有较高的折射率，与光耦合作用强，可用来产生高效率的垂直加速二维艾里光束。本实施例中，二氧化钒层中的二氧化钒是一种典型的相变材料，在室温下处于绝缘态，当温度升高到超过相变温度340K，即Tc＝68℃时，二氧化钒会发生相变。二氧化钒的晶格由低温时的单斜金红石结构转变到高温时的四方金红石结构，外在表现为从绝缘态突变为金属态，并且这种相变是可逆的，其电阻率变化最高达5个数量级。在可见光频带范围内，当外界温度低于相变点时，二氧化钒相应的介电常数ε＝9。当温度高于相变点时，金属与冷等离子体相似，可以用色散模型来表示。考虑到纳米结构的非局域特性，需要建立合适的模型来解决色散介质问题，例如Debye模型、Lorentz模型、Drude模型等。本发明采用的是利用Drude‑Two‑CP模型转化为改进形式的Drude–Lorentz模型，通过数值计算和时域有限差分法(FDTD solutions,Lumerical Inc.)，将数据参数导入材料库中，构建新颖的二氧化钒材料，且适用于宽频带范围。

[0037] 假设洛伦兹模型的极点数为2，二氧化钒相对介电常数可用下式方程表示：

[0038]

[0039]

[0040] 其中，ε∞是频率趋于无限大时的介电常数，ΩD是等离子体频率，γ碰撞频率，ω为工作角频率，j为虚数单位，χι为介质磁化率函数，Γι为阻尼系数，Δει为权重因子。

[0041] 首先，利用Lumerical软件中的FDTD组件在可见光波段进行模拟仿真，分别计算二氧化钒绝缘态和金属态下的单个纳米准原子的传输效率(透射率和反射率)以及偏振转换效率。为了使可操作的左右圆偏振光值最大化，偏振转换效率定义为FOM＝T(LCP)‑T(RCP)。在x和y方向采用周期性边界条件，z边界采用完全匹配层(PML)边界条件。如图4所示，为了保证高效的传输效率和实现偏振态的完美转换，不断改变纳米准原子的空间几何形状。当L从230nm到250nm，W从100nm到120nm变化时，使其转化效率达到最优化，经过试验，本实施例中的纳米柱长度优选为237nm，宽度优选为107nm。图4(a)表示二氧化钒处于绝缘态时，单元结构保持高透射率和偏振转换效率。图4(c)显示了当二氧化钒处于金属状态时反射光的反射率和转化率。在几何形状覆盖的大部分区域内，传输效率高于95％，偏振态转化率在90％以上，符合预期结果。进一步地，通过比较图4(a)和(c)可以发现，不同工作模式下，单个纳米准原子的透射率和反射率产生显著区别，这是由于二氧化钒处于金属态时，入射光经过二氧化钒界面后，反射光在二氧化钛波导里产生光学共振，导致大部分能量损失，只有约三分之一的能量能被充分利用。

[0042] 为了验证艾里光束的传播特性，本发明依据理论计算和拟合实验仿真数据，比较了艾里光束在不同传播距离下沿光轴的强度分布。艾里光束主瓣偏转与传播距离满足理论关系式 按照二维艾里函数相位分布函数表达式，设计超表面的相位分布如图4(e)所示。从图4(f)可以看出模拟值与理论曲线基本一致。值得注意的是，垂直加速的二维艾里光束主瓣的偏转方向选取的是沿x轴和y轴的对角线方向，即u方向。

[0043] 进一步的，本发明对其产生的2D(二维)艾里光束的进行实验测量和特性验证。包括透射型超表面传输性质、反射型超表面传输特性和二维艾里光束的自愈特性。

[0044] 在透射型超表面传输性质的验证中，本发明通过入射不同偏振光(LP、LCP、RCP)和控制温度来实现超表面不同模式相互切换的垂直加速二维艾里光束。在工作波长处，依据光学傍轴波动方程推导得到的二维相位分布，再结合数值仿真优化算法，从而得到沿不同传播方向产生的光强分布，如图5所示。从三维(3D)远场图案中依次提取不同z位置的横向电场图，沿着横向场图主瓣位置的对角线方向(即u方向)，重新整合放大后的离散纵向二维电场，图5(a)是形成二维艾里光束的纵向场图，它由主瓣和多个副瓣组成。从图中可以清楚的看出，在传输过程中能量聚焦后出现明显衰减，即具备无衍射特性，以及表现出横向自由加速现象。图5(b)展示了在z＝50um到z＝65um处的纵向位置的横场分布。观察x‑y平面晶格图案可知，光束的绝大部分能量集中在主瓣区域，且主瓣分布大致相同,随着z增加，主瓣能量越集中，光强越大。同时也可以看出主瓣光场沿着u方向呈现加速前进特性。图5(c)显示的场分布图是图5(b)在相应位置沿着传播方向横截面提取出来的归一化强度分布。此外,图5(a)‑(b)表现出随着传输距离的增加,艾里光束旁瓣构成的“尾翼”也随之变大。这是因为传播距离的增加，半高宽的值也在增大，外在表现是波形束腰尺寸明显变宽，副瓣能量汇聚到主瓣区域，且副瓣能量也随之减弱。

[0045] 在反射型超表面传输特性的实验中，其实验结果如图6所示。图6(a)‑(b)显示的是沿着不同平面生成光束的场图。图6(c)是沿u方向的不同传播平面(z＝50um、z＝55um、z＝60um和z＝65um)得到的归一化场强分布。和透射模式下实现的功能一样，该超表面可以产生和操控自弯曲传输和沿着特定角度进行自加速运动。和透射式艾里光束发生器相比，由于反射式艾里光束发生器产生的散射光在二氧化钛层反射不完全，会有少数光向周围发散，实现的二维加速光束平整度较透射式超表面略弱，FWHM相对偏大。但本发明产生的反射式艾里光还是具有较好的能量传输效率，有望在微粒子操纵等离子体通道的产生以及艾里激光器等众多研究领域里广泛应用。

[0046] 在二维艾里光束的自愈特性验证中，无衍射光束的自愈特性可由Babinet准则解释。人们用大量实验和仿真数据证实，自愈合行为是垂直加速光束的独特性质之一，本发明则通过阻挡部分艾里光束来研究其自愈特性。若将其主瓣区域进行遮挡，随着传输距离的增加，挡住的主瓣区域能进行自我修复，旁瓣的能量从周围区域向主瓣阻挡区域流动，这时主瓣会恢复成与未遮挡时一样的强度分布形状。基于以上描述的特性，申请人对设计的可调艾里光束发生器进行研究和证实。在构建完整的纳米柱阵列基础上，申请人在距离超表面z＝3.3um空间位置处放置一个大小接近主瓣尺寸的球形金属阻碍物，研究在主瓣被遮挡时，二维艾里光束的自愈情况,如图7所示。如图7(b)(c)所示，经过一段距离的传输后,在一定空间范围内，如选择z＝10um处,主瓣能量近乎为零，就像被消除一样。从能量分布来看，根据艾里光束的自愈特性，光束在传播过程中汇聚到一起，如在z＝55um处。由于主瓣被遮挡后能量有所损失，故在整个传输过程中光强相对减少并出现断续传播的情况，如图7(a)。从图7中可以看出，本发明产生的光束在主瓣被遮挡时，具有自愈情况，说明本发明产生光束符合艾里光束的特性。

[0047] 进一步地，申请人对本发明产生的艾里光束进行能量传输效率的测量和对照。数值模拟结果表明，在透射模式和反射模式下，艾里光束能量传输效率分别高达97％和70％，这是从三维远场图案里提取生成二维艾里光束的全部光学强度。其中，转化效率定义为出射的左旋圆偏振光LCP(或右旋圆偏振光RCP)与入射的总能量(LCP+RCP)之比。值得注意的是，与反射模式相比，透射模式的艾里光束发生器实现效果较为理想，产生的效率远高于反射式。为了掌握不同光源对艾里光束发生器产生的影响，申请人模拟了两种工作模式下不同偏振态的平面波照射下的艾里光束发生器。结果如图8(a)‑(c)所示，图8是三种光源分别垂直入射透射模式下的艾里光束发生器，在距离超表面z＝60um处产生x‑y截面的光场强度分布图案。如图所示，对于不同偏振光入射的平面波，模拟的场强分布变化不大，微小差别是众多副瓣能量大小不同。LCP和RCP入射时相应的光学强度转化效率均为97％；入射线偏振光时，出射的LCP和RCP能量各占总能量的一半。

[0048] 对于不同偏振态入射的平面波，模拟的场强分布变化不大。LCP和RCP入射时相应的光学强度转化效率均为97％，线偏振光的转化效率占入射总能量的一半，因此本发明的艾里光束发生器是偏振敏感的，对入射光有一定的选择性和灵活性。

[0049] 综上所述，本发明基于PB相位原理的前提下，通过温度控制二氧化钒的相变和改变入射光的偏振态，当圆偏振光或线偏振光垂直入射到通过改变温度可以实现模式切换的超表面时，会在上下表面的主瓣位置生成随传播距离增加主瓣衰减并逐渐弯曲的艾里光束，由此本发明可以在可见光区域实现可调的垂直加速二维(2D)艾里光束。本发明利用二氧化钒在不同温度下的会处于绝缘相和金属相，在常温下，即二氧化钒是绝缘态时，通过本发明可以产生透射式的二维艾里光束，它具有较高的偏振转化效率和传输效率；在高温下，即二氧化钒是金属态时，入射的圆偏振光会由透射式转换成反射式的二维艾里光束。通过本发明产生透射式和反射式的艾里光束，其传输效率分别高达97％和70％。本发明的艾里光束发生装置能为高效产生和动态调控光束提供了创造紧凑型光学和光子平台的可能性。本发明除具有偏振转换、光束控制和切换工作模式外，还有望在全息成像等集成的紧凑型光学系统中得到应用，并为高分辨率光学成像系统的应用开辟一条新颖的道路。