[发明专利]超构表面元件的制造方法及其产生纳米尺度纵向光斑链的方法

说明书

本发明公开了一种超构表面元件的制造方法及其产生纳米尺度纵向光斑链的方法。不同取向或尺寸的纳米天线对入射光进行散射，散射光的相位产生不同的突变，按一定规律将不同取向的纳米天线组成阵列，从而形成超构表面元件，可以实现对入射圆偏振光沿轴向等间距的多点聚焦，产生光斑链。设计时将材料表面划分成亚波长的正方形单元阵列。当正方形单元中心在确定的半径和方位角，施加与之对应的相位调制值。相位调制由镶嵌在正方形单元内的不同取向的长方体纳米天线完成。用圆偏振光入射该超构表面元件产生纳米尺度纵向等间距光斑链。该系统可以组成微型的光镊探针，用于纵向排列或堆砌被操纵的纳米微粒。

技术领域

本发明涉及一种超构表面元件，尤其是一种能产生纳米尺度纵向光斑链的人工超构表面元件，同时还涉及一种基于该元件产生纳米尺度纵向光斑链的方法。

背景技术

由于不同尺寸或取向的金属或电介质纳米天线对入射光散射可以产生相位突变效应和偏振选择效应，在基底表面利用镀膜技术和现代微加工技术，可以加工按相位调制所需要的各类纳米天线阵列，从而得到对入射光的相位、偏振进行调制的各种超构表面元件和器件，如偏振转换器、分束器、色散元件、无色差聚焦透镜等。这类器件厚度和尺寸通常可以在微米量级，因而体积极小，重量轻，易于进行光电子学器件大规模集成，是未来的发展方向。

利用传统的高数值孔径物镜进行矢量光束聚焦，通过相位、振幅或偏振调制能够产生各种各样的聚焦光斑，如环形光斑、链状光斑、螺旋光斑、针状光斑、隧道形光斑、球状光斑、二维阵列光斑和三维阵列光斑。这些光斑在超分辨荧光成像、共焦显微镜、超精密激光并行加工、光刻技术、超分辨激光增材制造、微纳米尺度激光捕获操控以及光学数据存储等领域具有非常广泛的应用。但是随着器件和设备向着小型化、多功能化方向发展，传统的高数值孔径物镜体积显得越来越笨重，已经越来越不适应小型化、多功能化、集成化的要求。对微纳米粒子进行操控、排列和堆砌的纵向光斑链光镊系统也同样需要向着小型化、便携式和多功能化方向发展。

目前还没有能够替代传统的高数值孔径物镜和相位调制元件组合产生纵向等间距光斑链的微型光电材料或器件。

发明内容

本发明提出了一种产生纳米尺度纵向光斑链的元件的制造方法及产生方法，其目的是：提供一种微型光电材料来替代传统的高数值孔径物镜和相位调制元件组合，为光镊系统等设备向小型化、多功能化、集成化的方向发展奠定基础。

本发明技术方案如下：

一种产生纳米尺度纵向光斑链的超构表面元件，通过下述步骤制作：

(1)选择基底材料，在基底材料上镀膜，并根据波长确定亚波长尺寸正方形单元的边长尺寸；

(2)将膜表面划分成MxM个亚波长尺寸正方形单元；以材料中心点为中心，作辐射状射线将基底材料表面划分为若干分区，每个分区再从材料中心点作射线进一步划分成若干中心角相等的子区域，每个分区所包含的子区域的数量n与要产生的光斑链的光斑数相等，每个分区的第i个子区域均对应第i个光斑；

(3)在每个正方形单元中心嵌套一个狭缝，所述狭缝与正方形单元的横向边相平行；

(4)以膜表面中心点为坐标原点建立直角坐标系，所述坐标系的x轴与正方形单元的横向边相平行，根据各正方形单元中心所在的以原点为圆心的圆周的半径、以及该正方形单元中心在该圆周上相对于直角坐标系的方位角，确定该正方形单元内的狭缝需要旋转的角度；

(5)根据计算出的各狭缝需要旋转的角度确定狭缝最终的角度，然后加工各正方形单元内的狭缝，将狭缝位置的膜刻透。

进一步地：所述狭缝需要旋转的角度所述为聚焦球面波产生焦距为f所需要的相位调制值的一半，所述为使产生的光斑沿与超构表面元件垂直的方向产生位移所需要的相位调制值的一半，所述位移是指光斑相对于超构表面元件焦平面的位移。