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基于反射增强型等离子超表面的具有相位螺旋和强度螺旋的2mu;m波段结构光的产生
摘要：
近年来，人们对于中红外波段（2-20mu;m）光学及光集成芯片表现了很大的兴趣。从可见光到近红外甚至中红外的较宽波长范围内，塑造空间结构能极大增加中红外光子学的应用机会。在这里，我们设计并制备了一种片上反射增强型超表面结构，并利用该器件在2mu;m波段产生了具有相位螺旋和强度螺旋的结构光。首先，利用亚波长工艺结构超表面，在2mu;m波段产生了结构光，大大超过了传统结构光调制的能力；其次，在不使用空间分离光的情况下，产生了抑制环境噪声的自干涉强度螺旋。该研究可能带来结构光在2mu;m波段的广泛应用，如用于通信和非通信（成像、传感）的相位螺旋，以及用于增强显微效果和精密测量的强度螺旋。
近年来人们对于中红外波段（2-20mu;m）光学及光集成芯片展现了很大的兴趣，这是因为这个波段的光学技术在生物化学分子传感、医疗诊断、热成像、红外光谱，无线和光纤通信领域有着广泛的应用。值得注意的是，所有的这些应用都是基于对中红外波段各种物理维度的调控，而其中大部分都只关注了波长维度，而较少关注其空间维度。除了充分探索光波的波长频率、复振幅、时间和偏振等物理维度之外，最近光波的空间维度资源引起了人们在可见光和近红外波长范围越来越大的兴趣，并在光学操控、显微学、量子信息处理和光通信等领域产生了许多新兴的应用。掌握对光波的空间维度的调制可以灵活地塑造光波的空间结构，形成结构多样的模式。除了有经典的具有螺旋相位的OAM模式、偏振态不均匀的矢量模式外，还可以实现对振幅空间调制的特殊模式。结构光在理论上可以是任意形式的，而结构光中具有螺旋特性的模式，如相位螺旋和强度螺旋，近年来受到了广泛的关注，并得到了许多有意义的应用。如前文介绍，具有相位螺旋的OAM模式促进了光镊、量子纠缠、鬼成像和OAM复用光互连的发展。与相位螺旋相比，关于强度螺旋的研究相对较少，它可以由参考平面波与相位螺旋的OAM光束之间干涉产生。事实上强度螺旋模式在计量学中有着非常有价值的应用，比如旋转多普勒的测量和螺旋干涉测量。得益于螺旋强度的独特特性，在螺旋干涉测量中可以利用该模式的强度螺旋线对测量物体进行表面轮廓重建并有能力区分物体的槽和脊。
考虑到目前对中红外光的空间结构的研究非常有限，于是延长可见光和近红外波段对空间维度的开发就显得很有意义。在可见光和近红外波段，我们可以利用商用的空间光调制器（SLM）直接对光场相位调控，产生OAM模式或者螺旋强度模式。但它的体积庞大且不适用于中红外波长（一般调制波段在400 nm到1700nm）。而超表面结构提供了另一种空间光场调制的手段，可以将波长覆盖范围扩展到中红外波段。然而，传统的透射式等离子表面激元的损耗较大。通过在基底增加反射层可以有效地提高超表面的效率。此外，最常见的产生强度螺旋模式方法是通过引入空间分离的参考高斯光束，使其与相位螺旋的OAM模式发生干涉，然而这种方法相对复杂，并且对环境噪声比较敏感。自干涉法则不需要额外的参考高斯光束，可以为强度螺旋模式的产生提供一种简单、稳定、环境噪声不敏感的解决方案。
在这种情况下，寻找一种有效的方法来产生从可见光和近红外延伸到中红外的相位螺旋和自干涉强度螺旋是值得研究的。在这里，我们设计并制备了一种片上反射增强型超表面结构，并利用该器件在2mu;m波段产生了螺旋相位的OAM模式和自干涉效应下的螺旋强度模式。本文中，2mu;m结构光产生是通过反射增强的等离子体超表面实现的。强度螺旋是由超表面的自干涉效应产生的。
图1.利用反射增强型超表面器件产生相位螺旋的OAM模式及强度螺旋模式的原理与概念示意图。(a)超表面上有V字形光学天线，能够产生具有螺旋相位和强度螺旋的结构光。(b) 整体结构从下到上由Au反射层、SiO2隔离层和V字形的Au表面等离激元层组成。(c) V字形光学天线的几何参数L和theta;。
利用反射增强型超表面器件产生相位螺旋的OAM模式及强度螺旋模式的原理与概念示意图见图1。其中超表面结构实际上是一种二维的超材料，它提供了一种与空间设计布局相关的光场操控的方案，是实现结构光产生的关键设备。如图1(a)所示，当入射光为2mu;m的线偏光（如X偏振）时，经过超表面器件反射后会转换为一个正交偏振态（如Y偏振）的螺旋相位OAM模式（散射光）。同时，部分入射光在经过超表面器件反射后会仍然会保持原有的偏振态（如X偏振）和相位分布（反射光），该部分会和散射光OAM模式共线传播。然后通过使用检偏器就可以对转换后的光场进行解耦从而得到相位螺旋的OAM模式，也可以得到由散射光与反射光共同作用的合成态—强度螺旋模式，这种模式是不需要额外的参考高斯光束进行干涉的。由于转换后的相位螺旋OAM模式线与反射光的传播路径相同，所以自干涉得到的强度螺旋是具有鲁棒性的，对环境噪声不敏感。如图1(b)所示，为反射增强型超表面期间的结构设计，整体结构由金反射层、二氧化硅隔离层和金表面等离激元层组成。金反射层可以使入射光在隔离层能来回多次反射，增加光子的利用率从而提高整体的调制效率。表面等离激元是由V字形光学天线阵列构成。图1 (c)所示的是一个V字形光学天线的单元几何结构，其中V字型的两个臂长L相等且夹角为theta;，V字形光学天线的对称轴与x轴的夹角为beta;=-45°。当入射光为X偏振时，可沿V字形天线的对称轴和对称轴法线分解为两个垂直的分量，分别激发出光学天线的对称模态和反对称模态。结果会导致散射出正交偏振态（Y偏振）的光场，同时相位会发生突变，这个过程被称之为异常反射。此外，V字形光学天线结构单元中不同的L和theta;会实现不同的局部相位突变。因此，只需要根据所要求的螺旋相位分布，通过选择合适的V字形天线单元进行分配，就可以很容易地获得具有相位螺旋OAM模式。另外，除了正交偏振态散射光（Y偏振）外，入射光（X偏振）的一部分能量经过超表面期间后仍然会正常反射。值得注意的是，正交偏振态的散射光和同偏振的正常反射光会共线传播，因此可以通过一个检偏器就可以轻松得到强度螺旋模式。
图2. 用FDTD对V字形光学天线仿真的结果。(a)仿真的强度响应与臂长L和夹角theta;的关系。(b)仿真的相位响应与臂长L和夹角theta;的关系。(c)选取的八个V字形光学天线的强度相移和相位响应曲线。(d)OAM 1模式的独立天线排布。
为了优化反射增强型超表面对相位螺旋的OAM模式和强度螺旋模式结构光的产生，我们首先仿真分析了V字形光学天线单元结构在2mu;m波段的响应特性。通过扫描V字形结构的臂长L和夹角theta;，利用时域有限差分（FDTD）方法，我们可以获得在近场条件下光场振幅强度响应和相位响应，如图2(a)和(b)所示。由于在基底加入了反射层结构，使入射光可以在隔离层中多次反射，从图中可以看出仿真结果得到较大的相位响应范围及较高的强度响应。同时因为镜像效应，只需将V字形天线结构的对称轴旋转90°，其正交偏振的散射光就可以获得相同的振幅响应及pi;相移的相位响应。通过选取合适的几何参数的设计和镜像效应就可以简单地实现0到2pi;范围内所有的相位调控。在这里，我们从图2(a)和(b)中选取了振幅响应相近，相位响应逐渐增大（相差pi;/4）的四个点。通过改变对称轴与x轴的夹角为beta;=45°，我们可以获得另外的四个光学天线（镜像效应）。如图2(c)所示，选取的八个具有不同几何尺寸的光学天线提供从0到2pi;等距的相位响应（pi;/ 4），且其强度响应基本相等。此外，我们还仿真计算了同偏振态（正常反射）的振幅和相位响应，以便进行比较。结果发现选取的八个天线同偏振态正常反射下的相位响应基本没有变化。然后根据螺旋相位分布对超表面的光学天线进行排布，就可以得到反射增强型超表面器件了。以OAM 1模式的产生为例，其空间相位分布为沿逆时针方向从0到2pi;的连续变化，结合实际的制备工艺，我们对连续的相位变化进行离散化排布，选取八种天线以角向间隔pi;/4离散化排布，实现了从0到2pi;的调制。对于其他阶次的OAM模式，我们可以将选取的8种光学天线沿方位角离散化排布实现0到2ℓpi;的相位调制（ℓ为OAM模式的拓扑电荷数）。
根据所设计的几何参数，我们制备了反射增强型超表面器件。其制备工艺如下：首先利用电子束蒸发技术在玻璃基板上生长了一层200纳米厚的金反射层；再用等离子体增强化学气相沉积技术在其表面沉积了400纳米厚的二氧化硅隔离层。然后利用电子束光刻技术刻蚀光学天线的结构；经过再一次的EBE生长及显影过程，器件表面就形成了50纳米厚的超表面结构。
图3.扫描电子显微镜下所制备的超表面器件。(a)OAM 1、(b)OAM-1、(c)OAM 2及(d)八个光学天线的细节图。(e)采用空间分离的参考高斯光束的传统干涉方案检测相位螺旋OAM模式和强度螺旋模式。(f)采用基于超表面器件引入的自干涉效应来测量强度螺旋模式。
图3(a)-(c)分别展示了所制备的OAM 1、OAM-1、OAM 2超表面器件的扫描电镜(SEM)图像。从中可以清楚地看到V字形天线阵列不同的排布方式，用于产生不同相位螺旋的OAM模式。而其中8种不同几何尺寸的基本V字形天线单元的SEM图像可以在图3(d)中看到。图3(e)所示的是用以验证在2mu;m波段基于反射增强型超表面器件产生的螺旋相位OAM模式及强度螺旋模式的实验装置图。值得注意的是，这中方案需要采用空间分离的参考高斯光束来进行干涉。2mu;m的光源经掺铥光纤放大器后输出，然后光路由光纤分束器一分为二。其中一路光用于入射超表面器件产生相位螺旋的OAM模式，另一路光作为空间分离的参考光束。入射光经过光纤准直器准直后传播到自由空间中，再经过半波片和起偏器的调节可以获得X方向的线偏振光。然后穿过分束器入射到反射增强型超表面器件上并原路返回，分束器将来自芯片的反射光与参考光合束打向相机方向。之后利用一个检偏器选择正交偏振方向（Y 偏振）便可以在相机上观测到相位螺旋的OAM模式及强度螺旋模式。另外在相机前加入一块反射镜将光耦合如光纤并连接到频谱仪上就可以对光谱进行测量。该装置可以通过可调谐光衰减器对产生的相位螺旋OAM模式和外部参考光的功率进行调节。图3(f)描绘了采用超表面器件引入的自干涉效应2mu;m波段测量螺旋强度模式的实验装置图。与图3 (e)相比，此方案不需要外部参考光路，因为反射增强型超表面器件引入的正常反射光就可以作为其参考光路。为了产生自干涉的强度螺旋模式，可以灵活地调整检偏器快轴的方向（alpha;x̂ beta;ŷ，alpha;：检偏器快轴与x轴之间的夹角余弦值，beta;：检偏器快轴与y 轴之间的夹角余弦值，alpha;2 beta;2= 1）来改变共线传播的相位螺旋OAM模式与正常反射的高斯模式之间的相对强度。
图4. 实测的相位螺旋OAM模式的强度分布和光谱。(a-c)产生的相位螺旋OAM模式（Y偏振）的强度分布图及它们的干涉图案，正常反射（X偏振）的的强度分布图及它们的干涉图案。(d)入射高斯光的光谱与分别携带(e)OAM 1、(f)OAM-1和(g)OAM 2的光谱。
图4为利用图3(e)中的实验装置进行相位螺旋OAM模式的产生与验证实测结果。图4(a1)、(b1)和(c1)分别为携带OAM 1、OAM-1和OAM 2（异常反射散射光）的相位螺旋强度分布，从中可以清楚地看到由于光束中心相位奇点而产生的环形光强分布。相位螺旋OAM模式具有与入射光正交的偏振态（Y偏振）。携带OAM 1、OAM-1和OAM 2的相位螺旋模式的干涉图（与外部参考光的干涉）分别如图4(a2)、(b2)和(c2)所示。其中螺旋的数量表示OAM模式拓扑电荷ℓ的大小，且旋转的方向与正负号相关。在产生相位螺旋OAM 1、OAM-1和OAM 2过程中同偏振态下的正常反射高斯光束(X-Pol)的强度分布如图4(a3)、(b3)和(c3)所示，光斑中心有一个亮点。而对应的干涉图（明暗的同心圆）如图4(a4)、(b4)和(c4)所示。入射光和产生的相位螺旋OAM 1、OAM-1和OAM 2的光谱测量结果分别如图4(d)-(g)所示，可以确认产生的相位螺旋OAM模式的中心波长为2mu;m（~2003.9 nm）。
图5.利用自干涉效应产生的强度螺旋模式的实测与仿真结果。
图5所示为使用图3(f)中的实验装置进行自干涉强度螺旋模式的测量结果。由于正交偏振散射的相位螺旋OAM模式（Y偏振）与同偏振正常反射的高斯模式（X偏振）共线传播，所以通过适当调整检偏器就可以得到一个自干涉的螺旋强度分布，形成一种强度螺旋模式的结构光。当OAM模式和高斯模式投影到检偏器的方向（alpha;x̂ beta;ŷ）上有相同的强度时，产生的螺旋干涉图案效果最佳。在实验中可以观察到这些现象，如图5所当检偏器旋转到90°和0°时，可以清楚地看到环形强度分布的解耦的相位螺旋OAM模式（Y偏振）和光束中心有亮点的正常反射高斯模式（X偏振）。而在这两个旋转角度之间（0°~90°），就会出现螺旋干涉图案。在检偏器达到最佳旋转角度60°时，呈现出了清晰的螺旋强度分布。而当偏移这个最佳旋转角度时，螺旋干涉图变得模糊。从图中可以看出，实验的结果与仿真的结果吻合的较好。在这里，我们定义散射的相位螺旋OAM模式正常反射的高斯模式的相对强度比为ROAM/Gaussian=IOAM/IGaussian。在实验中，所记录的最佳检偏器选择角
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