Menu 

Menu
  1. 首页
  2. 行业新闻
  3. 基于级联低折射率超材料的圆柱矢量光束紧聚焦场生成

基于级联低折射率超材料的圆柱矢量光束紧聚焦场生成

基于级联低折射率超材料的圆柱矢量光束紧聚焦场生成

图1 级联超材料实现圆柱矢量光束紧聚焦场

1. 导读

偏振作为光的重要特性一直是光学研究的热点，尤其是对非均匀偏振分布的矢量光束的研究引起了研究人员极大的兴趣。最为基础的圆柱矢量光束的特解(径向和角向矢量光束)因其独特的偏振分布在现代光学中有着非常重要的应用。将圆柱矢量光束进行紧聚焦操作，可以在光镊技术、信息储存、微加工和光学成像等领域应用。在太赫兹波段，传统产生矢量紧聚焦场需要的设备结构复杂、繁多且成本高昂，这对于太赫兹矢量光束紧聚焦场的实际研究十分不利。
针对这些问题，近日中国计量大学井绪峰教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一套普适性方案，利用超材料和超表面来进行不同矢量光束的生成与聚焦（见图1），并将其与3D打印技术相结合。超材料模块能够产生具有不同矢量特性的光束，将其与超透镜模块进行物理级联，在不同偏振态入射光模式下产生多种紧聚焦场，通过数值模拟仿真研究不同模态下的聚焦特性。基于3D打印技术，团队将设计的模块进行制备并搭建测试光路对其进行实验验证。仿真结果与实验结果充分证明了所提出方案的可行性和灵活性。
该研究成果将3D打印与超材料相结合，方便快捷地进行设计和修改，从而极大地提高了超材料的设计和制造效率。并且，3D打印能够有效降低生产成本，尤其是在短期生产和定制化生产方面，为进一步进行不同矢量光束紧聚焦方面的研究提供了新的思路。

2. 研究背景

偏振是光束的重要属性之一，在光与物质相互作用中起着重要作用。过去主要研究空间均匀的偏振态，例如线偏振，圆偏振与椭圆偏振等，这些偏振态与光束横截面的空间位置无关，近年来偏振空间非均匀分布光束的传播与聚焦性质获得了极大的关注，可应用于信息储存、光通信等领域。
将具有不同矢量特性的光束与高数值孔径透镜相结合能够产生独特丰富的紧聚焦性能，打破传统标量衍射理论下的聚焦特性。紧聚焦场的实现在传统光路中包含多种光学器件。装置系统的结构复杂并且笨重，具有很低的集成度，阻碍了开发集成度高的矢量光束生成装置。随着超材料的兴起，为解决集成度低这一难题提供了新的方向。
超材料是具有特殊性质的人工材料，能够有效地对电磁波进行灵活调控，而超表面是超材料的二维表现形式。将二者结合可以对电磁波进行更细致的调控，同时对电磁波的偏振特性、振幅、相位进行调制。目前国内外关于利用超材料进行矢量光束生成和聚焦的研究已经有很多，但是大部分都依赖于高折射率材料进行制备，并且需要相当高精度的制造流程。如何拓展现有材料的范围，使用更加普适化与低成本的手段进行超材料的制造，使得整个设计流程更加简化是研究的重点。

3. 创新研究

针对上述分析，研究人员使用3D打印技术实现全介质级联超材料生成不同矢量光束的紧聚焦场。通过对矩形柱单元和非对称双方柱单元的参数调制，成功利用低折射率树脂材料构建了超材料模块与超透镜模块，并基于超表面透镜的平坦特性将其与超材料进行物理级联。设计的模块进行了级联与非级联状态的数值模拟仿真，并搭建光路对其传播特性进行了表征。
首先是利用超材料阵列对入射光波前相位与振幅进行灵活调控，将一对正交偏振的线偏光分别转化为径向圆柱矢量光束和角向圆柱矢量光束。阵列由长方形柱单元集成（见图2）。单元结构可以通过改变长轴、短轴以及柱高的尺寸进行分别优化设计，实现对入射平面波的精确波前调控。对不同高度和周期的单元性能进行了筛选，探索其在不同波长下的性能表征，可以看到其在工作波长下具有良好的相位与透射性能。

基于级联低折射率超材料的圆柱矢量光束紧聚焦场生成

图2 3D打印制备的超材料模块与超表面模块结构实物图。
随后，研究人员基于非对称散射模式超表面单元的衍射能量分布特性设计了具有高数值孔径的超表面透镜。在长方形衬底上独特的非对称双方柱结构设计（见图2），能够使衍射能量在衍射能级上进行选择性分配，将能量尽可能多的集中在期望的偏转方向。透镜的大小受到焦距的限制，透镜不同区域上的单元被设计为产生与其在透镜内的径向位置相对应的不同偏转角度，从而将理想抛物线相位映射近似为分段线性相位映射。非衍射周期保持恒定，而衍射周期不断改变，以便在相应角度产生第一阶衍射。每一圈环带上的单元结构在保证偏转效果的前提下尽可能多的集成，以实现能量转化效率的最大化。
基于以上设计，研究人员选择了红蜡作为3D打印材料，它拥有最佳的细节性能，在打印光滑表面方面具有优势，具体材料参数见图3。在整个工作波段，红蜡具有1.68左右的折射率和非常低的损耗。仿真结果表明，该材料能够满足设计要求。为了与模拟结果相对应，研究人员分别打印了两个模块，对这两个模块进行了级联前与级联后的测试。
图4为级联前实验强度分布。观察径向矢量光实验情况，可以看到没有偏振片的整体光斑大小依然保持20mm左右，与初始光斑类似，整体透射均匀，中心处产生了半径为3mm的光强奇点，光斑边缘强度减弱，存在光强离散点分布，与仿真结果吻合。添加偏振片后，经过偏振滤波的强度分布中心存在宽度4.5mm左右的条状暗斑，且随偏振片旋转而旋转。观察角向矢量光实验情况， 未放置偏振片时，光斑大小略小于径向矢量光模式，符合单元对x极化波与y极化波透射的差异性，偏振检测情况也与径向矢量光模式类似，条状暗斑大小一致。在相同的偏振片角度下，径向矢量光与角向矢量光的中心条状暗斑始终保持正交。

基于级联低折射率超材料的圆柱矢量光束紧聚焦场生成

图3 3D打印材料性能参数。

基于级联低折射率超材料的圆柱矢量光束紧聚焦场生成

图4 超材料模块生成矢量光束实验结果。
图5为级联超材料模块生成矢量光束实验结果。观察径向矢量光紧聚焦后的归一化实验强度分布，与x轴和y轴对齐的偏振滤波结果仍然符合径向矢量光的偏振特性，并且与仿真结果保持一致。其切向分量为具有中心光强奇点的环状光斑，其总场为实心光斑，且中心处光强明显强于焦斑边缘，证明其中心存在紧聚焦产生的强纵向分量。观察角向矢量光测试结果，偏振滤波后的归一化光强度同样符合其角向偏振特性，其切向场分量为空心环状光斑，与总场强度保持一致。

基于级联低折射率超材料的圆柱矢量光束紧聚焦场生成

图5 级联超材料实验结果。
仅通过改变入射光束的偏振方向，实心焦点就转变为空心焦点，这足以证明我们设计的结构可以达到预期的功能。实验结果与仿真结果保持一致。

4. 应用与展望

研究团队提出的基于级联低折射率超材料的圆柱矢量光束紧聚焦场，是采用一种超材料阵列，能够将正交线偏振入射光转换为相应的圆柱矢量光束。结合所设计的另一个高数值孔径超透镜模块，将二者物理级联生成矢量光束紧聚焦场，进行了理论分析和数值模拟，并进行了制备和实验验证。基于3D打印技术制造微结构的高度自由度，使用低折射率材料进行构建，从而实现紧聚焦场生成。在0.1THz的频率下，对两个独立模块和级联模块进行了实验测试。实验结果与仿真结果基本一致，为太赫兹波段紧聚焦场的调节提供了新的思路。
该研究成果以“Tight Focusing Field of Cylindrical Vector Beams Based on Cascaded Low-Refractive Index Metamaterials”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Lan Ke, Chenxia Li, Simeng Zhang, Bo Fang, Ying Tang, Zhi Hong, Xufeng Jing，其中Lan Ke(柯岚)为第一作者，李晨霞教授和井绪峰教授为通讯作者。

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间联系我们，我们将协调进行处理，最终解释权归旭为光电所有。

Light | 宽带量子点频率调制光频梳Light | 宽带量子点频率调制光频梳 Photoacoustics | 光学频率梳与音叉增强光声光谱的非线性融合Photoacoustics | 光学频率梳与音叉增强光声光谱的非线性融合 超分辨显微术：打破Abbe衍射极限的桎梏超分辨显微术：打破Abbe衍射极限的桎梏 Image基于波前编码的无热化红外成像技术综述（特邀） 南京大学等在量子拓扑光子学领域取得进展南京大学等在量子拓扑光子学领域取得进展 定向能武器系统技术介绍定向能武器系统技术介绍 双光子3d打印–用于光学相干断层扫描光纤探针的双光子聚合 3D 打印自由曲面微光学器件