[发明专利]一种基于金属平板的艾里光束发生器

说明书

本发明公开了一种基于金属平板的艾里光束发生器，所述艾里光束发生器由至少十组平行排列、间隔不等、长度一致的金属平板组，金属平板间的填充材料以及金属平板的支架组成，金属平板在y方向的厚度远大于入射波长，入射光的传播方向为z方向，金属平板周期相等，第一、三、五、七、九组内的金属平板间隔均为d₁，第二、四、六、八、十组内的金属平板间隔均为d₂，金属平板间隔不同时，根据入射光偏振态的不同，会激发出具有不同传播常数的导模模式，经过金属平板在z方向的长度传播后产生位相变化，且金属平板间隔为d₁和d₂时产生的相位变化正好相差π，符合艾里函数的相位要求，每组内金属平板的周期数由艾里函数的振幅分布要求决定。本发明提出的基于金属平板的艾里光束发生器相较于传统艾里函数发生器具有色散小、欧姆损耗低、耦合效率高、结构简单等优点。

技术领域

本发明涉及一种基于金属平板的艾里光束发生器，涉及波导导波领域。

背景技术

太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一，被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。金属在太赫兹波段具有极高的介电常数，相当于一个完美电导体(Perfect Electric Conductor，PEC)，太赫兹辐射无法穿透导电的物体，电磁波在金属表面几乎全部反射，因此对于大多数电磁辐射，金属都是不透明的。太赫兹波在金属平板波导中传播时，群速度随频率变化不大，基本不产生色散，因此能有效抑制传输模中因群速度色散而产生的脉冲展宽，脉冲传输失真小。使用金属板在太赫兹波段制作平板波导时，电磁波在导波层传播发生全反射时几乎不会出现由于衰减导致的倏逝波，没有古斯-汉森位移。

衍射是光束的基本特征，可用于解释大多数经典波动现象。由于存在衍射，常规的无约束光束将逐渐变大，并且在传播过程中能量将逐渐发散。因此，减小或者消除衍射效应是非常重要的。沿着直线和曲线传输的非衍射光束的两个主要代表是贝塞尔光束和艾里光束。除了非衍射外，艾里光束还具有其他有吸引力的特性，如自横向加速特性，自弯曲特性和自愈合特性。由于这些独特的光学特性，艾里光束在很多光学领域具有应用潜力，例如构建自会聚光束、等离子体、微粒操控、光子弹、艾里激光器和大气传输。在1979年Berry和Balazs在量子力学领域作出了重要的预测：薛定谔方程具有遵循艾里函数的波包解。Berry认为，艾里波包是一维薛定谔方程的唯一非衍射解。然而，直到2007年，GeorgiosSiviloglou和其他同事才在自由空间光学系统中观察到了艾里光束。由于艾里函数的复杂性，传统产生艾里光束的方法通常是使用空间光调制器或者相位板来实现相位和幅度调制，例如Siviloglou G A，Broky J，Dogariu A，et al.“Ballistic dynamics of Airybeams，”[J].Optics Letters，2008，33(3)：207-9.和Cao R，Yang Y，Wang J，et al.“Microfabricated continuous cubic phase plate induced Airy beams for opticalmanipulation with high power efficiency，”[J].Applied Physics Letters，2011，99(26)：213901.。然而，这些光学元件通常体积庞大，不利于系统集成，从而限制了其在微纳米技术领域的应用。超表面材料其利用单层结构化的金属材料实现对电磁波的裁剪和调控，可以提供相位和幅度调制，并且近年来已经使用来产生艾里光束，例如Minovich A，Klein A E，Janunts N，et al.“Generation and near-field imaging of Airy surfaceplasmons，”[J].Physical review letters，2011，107(11)：116802.和Li Z，Cheng H，LiuZ，et al.“Plasmonic Airy Beam Generation by Both Phase and AmplitudeModulation with Metasurfaces，”[J].Advanced Optical Materials，2016，4(8)：1230-1235.。然而，实现超表面通常是具有挑战性的，涉及到复杂的设计和昂贵的制作过程，并且应用超表面结构传播电磁波时不可避免的会在电磁波传播过程中产生色散以及欧姆损耗。光学频段使用平行板金属波导实现艾里光束的有Choi D，Lim Y，Lee I M，et al.“Airybeam excitation using a subwavelength metallic slit array，”[J].IEEE PhotonicsTechnology Letters，2012，24(16)：1440-1442.，但是这篇文章中使用阶梯式的传播长度来控制相位增加了实验制作上的难度。因此设计简单制作的艾里光束发生器同时降低电磁波传播过程中产生的色散以及欧姆损耗成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。