[发明专利]一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法

说明书

本发明提供的是一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法。其特征是：实现一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法的器件结构包括激光器1，空间光调制器2，计算机3，起偏器4‑1，1/4波片4‑2，物镜5，衬底6，纳米金属膜7，环形纳米槽8以及纳米探针9。激光器1出射的光束经空间光调制器2变换后转变成涡旋光，该涡旋光随后通过起偏器4‑1，1/4波片4‑2，物镜5垂直入射到衬底6，在纳米环形槽8处激发表面等离极化激元(SPPs)，SPPs在纳米金属膜7表面传递形成电场分布。利用纳米探针9可测量SPPs的强度分布和相位分布。通过计算机3调控空间光调制器2反射光束射入衬底6的横向位置，可在纳米金属膜7表面获得相位奇点并能实现对相位奇点的连续、高精度调控。

(一)技术领域

本发明属于微纳光场调控技术领域，具体涉及的是一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法，可用于纳米粒子的操纵，量子通信和显微成像。

(二)背景技术

奇异光学是现代光学的一个重要分支，研究对象主要包括相位奇异、偏振奇异。奇点光束具有很多有趣的光学特性，在光场的时空演化中起着重要的作用【Principles ofOptics(1980):370-458.】，因此光学奇点的检测和调控等受到了研究人员的广泛关注与研究。

涡旋光是当前应用最广泛的具有相位奇异性的光束，其具有一个螺旋型的相位波前，携带拓扑荷为l的轨道角动量(OAM)。OAM可以转换为机械扭矩，用来捕获和处理纳米粒子【Nature 424.6950(2003):810-816.；Advanced materials 25.8(2013):1114-1117.】。不同拓扑荷取值下的OAM具有空间正交性，可以构建高维的希尔伯特空间，因此涡旋光可以作为光通信中模分复用的载体，是下一代高容量光通信系统的重要候选技术。与此同时，涡旋光束因其环形的强度分布还被广泛应用到光开关【Optics letters 39.17(2014):5098-5101.】等技术上，所以设计器件实现对涡旋光束的调控是当前研究的热点内容。目前已有许多调控涡旋光场的方法【Optics express 22.22(2014):26763-26776.；Optics express22.7(2014):7598-7606.；Optics letters 44.6(2019):1379-1382.；Optics letters44.8(2019):2028-2031.】。然而，这些方法的实现大部分依赖空间光学元件，体积较大，不利于器件集成化，所以人们开始寻找新的方法以实现对涡旋光束的调控。

近些年来，SPPs作为一种新型技术，利用光束与金属表面的电荷集体振荡耦合形成沿金属-介质表面传播的近场电磁波，为人们在微纳尺度上约束和调控光场提供了强大的手段。基于SPPs的微纳结构器件设计极大地缩小了光学器件的体积，易于集成，因此研究人员已提出不少利用SPPs调控涡旋光的有效方法【Nature communications 3.1(2012):1-5.；Advanced Materials 28.13(2016):2533-2539.；Nanoscale 8.4(2016):2227-2233.；Physical review letters 105.15(2010):153601.】。然而，这些方法难以实现对涡旋光场中相位奇点的连续调控。寻找简单，可实现对相位奇点连续、高精度调控的方法是近年来的研究热点和难点，受到人们的广泛研究。例如2018年Optica上有文章【Optica 5.3(2018):283-288.】报道阿基米德螺旋槽结构来实现片上相位奇点的控制。

在以上背景之下，本发明提供一种纳米尺度的片上相位奇点调控方法。本发明通过精确控制涡旋光与纳米环形槽表面等离子体器件的非对准耦合来破坏SPPs涡旋场的圆对称性，进而实现片上相位奇点的精确控制。本发明提供的片上相位奇点调控方法实现简单，可在纳米尺度连续调控片上相位奇点的相对位置，有望在纳米粒子操纵、量子通信和显微成像领域有重要的潜在应用价值。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，可在纳米尺度连续调控的片上相位奇点调控方法。

本发明的目的是这样实现的：