[发明专利]一种产生无衍射光学涡旋晶格的超颖表面及其设计方法

权利要求书

1.一种产生无衍射涡旋晶格的方法，所述方法包括以入射光垂直入射超颖表面，通过超颖表面的入射光被转换成具有特定相位差且向预先设置方向进行偏转的透射独立光束，透射独立光束彼此交叠产生无衍射光学涡旋晶格；

所述超颖表面包括石英衬底、金膜、圆形区域以及纳米矩形孔阵列；石英衬底用于支撑金膜；金膜以磁控溅射的方式镀在石英衬底表面，纳米矩形孔阵列分布于金膜上的圆形区域内；

所述超颖表面通过如下方法设计得到：

定义金膜表面位于xoy平面，中心为o点，金膜表面上有N个直径为D的圆形区域，任意圆形区域圆心到o点的距离均为d，第n个圆形区域的中心点相对于o点的方位角为Φ_n＝2(n-1)π/N；并设定入射光波长为λ；入射光自石英衬底方向垂直入射；

步骤(1)：设定金膜上任意透光圆形区域透射光的目标交叠点为z轴上距离超颖表面z_tar处，即所有圆形区域透射光均偏折向z轴，偏转角度为其中z轴为通过金膜表面中心o点且垂直于金膜表面的垂直轴；

步骤(2)：根据步骤(1)中的偏转角度，反推金膜上第一个圆形区域上任意位置，用坐标(x_samp,1,y_samp,1)表示该位置处所携带的相位值，即相位分布，得到

其中，k＝2π/λ是入射光的波矢常数，该相位分布随x坐标值线性变化，其作用效果为偏折光楔，因此，也可定义该相位分布为偏折光楔相位；

步骤(3)：将步骤(2)中的偏折光楔相位分布整体绕z轴逆时针旋转角度Φ_n，得到第n个圆形区域上任意一点处的相位分布，该处以坐标表示为(x_samp,n,y_samp,n)；

为了用公式进行表示，设定φ_samp,n为该点相对于金膜中心o点的方位角，得到第n个圆形区域上任意一点的相位表达式，如下：

步骤(4)：设定第n个圆形区域上任意一点处的初始设定相位差，该相位差为相位值相位值是第n个圆形区域强加给该处透射光束的相位值或者是第n个圆形区域对该圆形区域处透射光束附加的初始相位值，将步骤(3)中任意一点处的相位分布加上相位差得到携带特定相位差的偏折光楔相位分布，表示为：即

由此，可确定金膜上任意圆形区域的相位分布；

步骤(5)：在金膜上任意一圆形区域分别沿x方向和y方向均间隔距离p确定取样点，并对步骤(4)中相应位置处的相位值进行取样；

步骤(6)：以步骤(5)确定的取样点为中心，确定长度为l，宽度为w的矩形，长轴沿x方向；

步骤(7)：以步骤(6)中的矩形中点为中心将其在xoy平面，即金膜表面逆时针旋转；旋转角度为θ(x_samp,n,y_samp,n)，其与该点处相位取样值的关系为根据该关系，得到任意矩形的位置、大小和角度分布；

步骤(8)：使用聚焦离子束刻蚀的方法根据步骤(7)中确定的矩形位置刻蚀金膜，即得产生无衍射光学涡旋晶格的超颖表面。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金膜的厚度为100-200纳米。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述入射光为左旋圆偏振光，其自石英衬底方向垂直入射超颖表面。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以左旋圆偏振光为入射光自石英衬底方向垂直入射所述的超颖表面，通过超颖表面的入射光被转换成具有特定相位差且向z轴偏转角度的透射独立光束，透射独立光束彼此交叠在垂直距离金膜表面z_tar位置处，以z_tar位置为中间点垂直向上和向下Dz_tar/2d距离的区域内获得无衍射光学涡旋晶格；

该晶格保持无衍射特性的区域为以过金膜平面中心o点的垂直轴z轴为旋转对称轴的梭子形区域，该梭子形区域的中截面以距离金膜表面z_tar位置处为中心点，该中截面的直径为金膜上圆形区域的直径D，梭子形区域在垂直空间上的长度为Dz_tar/d。