[发明专利]一种近远场集成平面光学调控器件及其设计和制备方法

摘要

本发明公开了一种近远场集成平面光学调控器件及其设计和制备方法。该器件在等离激元平面光学元件中首次实现通过入射光自旋对近场表面等离激元和远场空间光的传播同时进行调控，达到近场表面等离激元波单向传播，而远场空间光形成聚焦。通过优化设计，该器件在近场或远场的调控效果可以媲美传统的单一的近场或远场调控器件，在目前光学器件小型化、多功能化以及高密度化的趋势下，该近场和远场光学调控集成器件具有广阔的应用前景。

主权项

1.一种近远场集成平面光学调控器件，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，入射光从透明衬底一侧入射，构成透射式的光路形式；其特征在于，在一种旋性的入射光下所述超构表面结构同时满足在近场激发出单向传播的表面等离激元和在远场实现聚焦，并且通过入射光自旋对近场的表面等离激元和远场的空间光场进行同时调控；其中，对于在所述平面光学调控器件表面的x和y方向上排布的纳米孔阵列，在近场，处于位置x_i的纳米孔激发的表面等离激元向±x方向传播，其场强满足方程(1)：其中，E_z(x)表示坐标x处的表面等离激元场强，i表示纳米孔在x方向上的序号，x_i表示第i个纳米孔在x方向上的位置；k_spp为表面等离激元的波矢量；θ表示纳米孔长边与x正方向的夹角，正号和负号分别对应+x方向和‑x方向传播的表面等离激元；σ表示入射光的自旋态，左旋圆偏振光对应σ＝‑1，右旋圆偏振光对应σ＝+1；当入射左旋圆偏振光所激发的表面等离激元都在+x方向相干增强时，其满足方程(2)：‑k_sppx_i‑θ＝const.  (2)在远场，当入射左旋圆偏振光所激发的远场散射光在金属薄膜一侧聚焦，即远场表现为正极性透镜时，满足方程(3)：其中k表示自由空间的光波矢量，f为聚焦的焦距，const.表示常数；将方程(2)和(3)联立，按照如下设计步骤得到所述即纳米孔阵列：1)选定入射光波长λ和远场焦距f，由和其中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层的介电常数，由此确定方程(2)、(3)中参数k_spp，k和f；2)对方程(2)和(3)中的const.取一系列等间隔的常数，θ限制在0‑180度，在θ‑x坐标图中画出对应方程，得到一系列直线和曲线，它们相交处的坐标(x,θ)即为符合要求的纳米孔位置和旋转角度，由此即得到x方向上一行纳米孔的排列参数，包括位置和旋转角度；3)将步骤2)得到的一行纳米孔在y方向按一定间隔进行平移复制即可得到多行的纳米孔阵列。