[发明专利]同时在近远场双通道生成涡旋光场的平面光学器件及其设计和制备

权利要求书

1.一种平面光学器件，能够同时在近场和远场双通道生成涡旋光场，包括透明衬底、金属薄膜和纳米孔阵列构成的超构表面结构，其中，所述金属薄膜位于透明衬底之上，纳米孔阵列位于金属薄膜之中；其特征在于，所述纳米孔阵列由矩形纳米孔组成，入射光从透明衬底一侧入射，构成透射式的光路形式；在特定旋性的圆偏振光入射下，所述纳米孔阵列构成的超构表面结构能在光学近场产生特定拓扑荷数目的表面等离激元涡旋光场，同时也能在透射方向的远场产生特定拓扑荷数目的自由空间涡旋光场；所述纳米孔阵列是通过几何相位的原理将近场表面等离激元涡旋光场和远场自由空间涡旋光场相位分布相结合而设计出的：

以σ表示入射圆偏振光的旋性，σ＝±1，当为左旋圆偏振光时σ＝-1，为右旋圆偏振光时σ＝+1；θ表示矩形纳米孔的转角，即其长边与x轴正方向的夹角；r为纳米孔所在位置P(x,y)到阵列中心O(0,0)的距离，即为纳米孔所在位置P(x,y)相对x轴正方向的方位角；当纳米孔阵列在近场生成拓扑荷为l₁的表面等离激元涡旋光场时，满足相位方程(1)：

方程(1)中，k_spp为表面等离激元的波矢，满足关系其中ε_d为远场所处介质的介电常数，ε_m是传播表面等离激元的金属薄膜的介电常数，λ为入射光的波长；Φ₁为一表示初始相位的常数值；π为圆周率；m为一任意整数值；

当纳米孔阵列在远场生成拓扑荷为l₂的自由空间涡旋光场时，满足相位方程(2)：

方程(2)中，k为入射光在自由空间中的波矢，满足关系λ为入射光的波长；Φ₂为一表示初始相位的常数值；π为圆周率；n为一任意整数值；参数f为远场涡旋光场聚焦位置F离纳米孔阵列中心O(0,0)的距离，即焦距；

联立方程(1)和方程(2)将几何参数θ消掉，得到方程(3)；

其中M＝2m-n，取值为任意整数值；参数k_spp、k、Φ₁、Φ₂、l₁、l₂和f均为预先设定的固定值，其中k_spp、k由设定的入射光波长和材料介电常数决定，M为设计过程中可变的整数参量，因而方程(3)确定了符合要求的纳米孔阵列中每一个纳米孔在极坐标系下的位置坐标利用方程(3)确定了纳米孔的位置后，将位置坐标代入方程(1)得到对应位置处纳米孔的转角参数θ，从而得到纳米孔阵列中每一个纳米孔的完整几何参数

所述纳米孔阵列图案为内环半径R₁和外环半径R₂的圆环形，按照如下设计步骤得到纳米孔阵列：

1)设定入射圆偏振光的旋性σ，波长λ，初始相位Φ₁、Φ₂，远场涡旋光场焦距f，以及近场表面等离激元涡旋光场拓扑荷l₁和远场自由空间涡旋光场拓扑荷l₂；由关系式和得到方程(1)、(2)和(3)中的波矢k_spp和k；设定纳米孔阵列圆环形图案的内环半径R₁和外环半径R₂，设定纳米孔间距d；

2)将方程(3)中的参量M和取为一系列数值，其中M取为一系列间隔为1的整数，表示为M＝M1:1:M2，M1为起始值，M2为大于M1的整数；取值在0-2π，取为间隔为的等差数列由需要得到的阵列密集程度决定，越密集则设定越小；

3)对于每一个M和值，利用方程(3)计算出对应的r，即得到符合该方程要求的纳米孔的位置坐标

4)将纳米孔的位置坐标和相关参数带入方程(1)中，计算出对应该纳米孔的转角θ，由此得到符合方程(1)和方程(3)的纳米孔几何参数

5)判断步骤4)中得到的纳米孔位置是否处于R₁和R₂之间以及纳米孔之间的间距是否大于等于d，即是否有：

R₁≤r≤R₂并且

其中下标i，j表示不同纳米孔的编号，当纳米孔位置处于R₁和R₂之间以及纳米孔之间的间距大于等于d时，则该纳米孔符合最终要求，保存该纳米孔的几何参数否则舍弃并继续计算下一M、对应的r、θ；

6)通过上述步骤3)至5)，计算步骤2)中每一个M、取值对应的并最后将符合要求的几何参数保存，即得到符合设计要求的纳米孔阵列。