[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

说明书

本发明提供一种产生无衍射光学涡旋晶格的超颖表面及其设计方法，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。

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种产生无衍射光学涡旋晶格的超颖表面及其设计方法。

背景技术

无衍射光学涡旋晶格具有独特的横向光势场周期性分布以及沿光传播方向的衍射不变特性，在周期型激光直写、多通道光学微操控以及生物细胞筛选等多领域获得广泛应用。目前，人们可以通过多孔干涉仪或空间光调制器配合傅立叶变换透镜产生多种类型的光学涡旋晶格。但是，目前所使用的光学系统大多较为庞大，光路调节复杂，并且不能很好的和其他光学系统进行集成；另外，这类系统产生的涡旋晶格尺寸较大，这就限制了光学涡旋晶格特别是在微观领域的应用。

发明内容

因此，本发明的目的是为解决上述不足，提供一种可集成的产生微米级无衍射光学涡旋晶格的超颖表面及其设计方法。该方法通过调整透光纳米矩形孔阵列的偏转方向，实现对透射光相位的精确调制，进而实现超颖表面各透射光束向特定方向的偏折，在干涉场中得到无衍射涡旋晶格。本发明在微米尺度实现光束的偏折，并在近表面范围内产生无衍射光学涡旋晶格，系统简洁，可集成度高，有很好的应用前景。

本发明通过以下技术方案实现：

本申请提供了一种可产生无衍射涡旋晶格的超颖表面及其设计方法，以及使用该超颖表面产生无衍射涡旋晶格的方法，如图1所示，本发明的超颖表面包括1金膜、2石英衬底、3圆形区域和4纳米矩形孔。

本申请中，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(石英衬底厚度0.1-1毫米)，金膜厚度为100-200纳米，在可见光波段不透光；纳米矩形孔阵列分布于金膜上N个直径均为D的圆形区域，且在任一圆形区域内，纳米孔间的横向及纵向间距均为相同值p；任一圆形区域中心到金膜中心的距离均为d，且第n个圆形区域中心相对于金膜中心的方位角为φ_n＝2(n-1)π/N；进一步地，所述纳米矩形孔长度为l、宽度为w，其中λl2w，λ为入射光波长。

本发明中，N为非零的整数，n≥1；D、p、d、l、w均大于0。

所述入射光波长为390-760纳米。

以入射光自石英衬底方向垂直入射本申请的超颖表面，所述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，这些独立光束彼此交叠产生无衍射光学涡旋晶格。

进一步地，所述入射光为左旋圆偏振光；所述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在超颖表面处符合相位延迟分布：

其中，(x_samp,n,y_samp,n)是第n个圆形区域上任一点的位置坐标，k＝2π/λ是入射光波矢常数，λ为入射光波长，φ_samp,n是第n个圆形区域上任一点相对于金膜中心的方位角，是第n个圆形区域强加给该处透射光束的相位值(即是第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)，z_tar是所有透射独立光束交叠区域的中心(交叠点)距离金膜表面的垂直距离，其决定了各光束向该交叠区域中心的偏转角度为arctan(d/z_tar)，设计时，该交叠区域的交叠点即为预先设置的方向。

进一步地，以金膜上第n个圆形区域中的任一纳米矩形孔的中心为取样点，该取样点的相位值为并以该点为中心将其在金膜平面旋转角度θ(x_samp,n,y_samp,n)，取样点相位值与旋转角度的关系符合

所述无衍射涡旋晶格可以为Kagome类型、Honeycomb类型等无衍射涡旋晶格。