纳米双蝶形天线阵列结构的制作方法

本发明属于纳米天线领域，涉及光场偏振调制、纳米操纵、表面等离子体激发，提出了一种增强涡旋光束定向传输能力的纳米双蝶形天线阵列。涡旋光束由海豚形元胞圆阵列超表面产生的局域复合偏振光场生成，经片上纳米双蝶形天线阵列得到定向辐射增强。

背景技术：

目前，有许多种类的亚波长尺度的光学器件用于调控光场的自旋角动量与轨道角动量。近年来，利用轨道角动量提高信息承载能力的应用被广泛关注，而对于如何提高含轨道角动量(oam)光束的传播效率逐渐称为研究热点之一。

2011年，oam波束实现由光纤耦合器的产生，其模式纯度可达96.4％以上。但是由于光纤耦合器的波导色散差，使得高阶oam模对波长的变化敏感，从而导致模式的不稳定。而传统的oam波束产生方法，如螺旋相位板法、计算全息法，由于外加调制光路，导致oam波衰严重。

光学器件的微型化与集成化是当前光学领域研究的重要课题，然而传统光学器件却存在体型较大、难以集成等缺陷。2016年，在银膜上刻环形孔的结构的提出，使器件可以在实现高集成度的同时抑制相位噪声。但是其并未提高单一方向波束强度。

本发明通过一组纳米双蝶形天线阵列，提高了oam波束中ez强度的占比，提升了oam的检测性能。由于纳米天线阵列微型、轻便，这有利于尽可能地缩小器件的尺寸。

技术实现要素：

本发明提供了一种增强涡旋光束ez的强度占总光场e强度比例的双蝶形天线阵列。该天线阵列由n组的双蝶形天线单元组成，每个天线单元由两组垂直的蝶形天线元组成。每组蝶形天线由两个三角偶极子天线元组成。三角天线偶极子长度l＝60nm，底边长d＝10nm，高度h＝30nm，蝶形天线缝隙l0＝10nm。n组天线距离结构轴心的距离为r，相邻两组天线关于轴心的夹角α＝360°/n。

所述的天线阵列结构具有良好的定向场增强、辐射的作用，能够显著增强涡旋光束ez的强度占比，这对于涡旋光束的检测有重要意义。

本发明的优点和积极效果：

海豚形金属元胞将入射光能量束缚到结构表面，将入射的线偏振光转化为螺旋相位光束后，产生局域复合偏振光场透过所述的定向片上纳米双蝶形天线阵列，该纳米双蝶形天线阵列使得透射光场z方向分量ez的强度占总光场e强度的比例在相同传播距离下相比于未使用所述纳米双蝶形天线阵列的超表面显著增强。同时，所述天线对原超表面产生的居于复合型光场的相位螺旋效果没有明显的影响。该结构具有良好的定向场增强、辐射的作用，能够显著增强涡旋光束ez的强度占比，这对于涡旋光束的检测有重要意义。该纳米双蝶形天线结构具有方向性良好、增益高、制造简单、方便集成集总组件在结构表面的优点。本发明提高光通信的稳定度、灵敏度，对宽带光通信、光学成像、纳米操控等领域有重要的应用价值。

附图说明

图1是纳米天线阵列的结构图。其中：(a)是其中一组双蝶形天线结构及其对应海豚形元胞的主视图，主视图双蝶形天线阵列平面构成xoy平面，如图(c)所示，以双蝶形天线阵列垂直于三角偶极子元的方向为z轴。(c)是放置于海豚形元胞圆阵列超表面上的纳米双蝶形天线阵列的俯视图。

图2是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处的透射场的强度与使用纳米天线阵列结构时超表面后方不同距离处的透射场的强度对比示意图(以n＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场的强度分布示意图；(b)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场的强度分布示意图；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的强度分布示意图；(d)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的强度分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场的强度分布示意图；(f)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场的强度分布示意图。

图3是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处光场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例与使用纳米双蝶形天线阵列后超表面后方不同距离处光场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例在相同距离下的对比示意图(以n＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度的比例；(b)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度的比例；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例；(d)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度的比例；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例；(f)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度的比例。

图4是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处光场ez分量的相位分布与使用纳米双蝶形天线阵列后超表面后方不同距离处光场ez分量的相位分布在相同距离下的对比示意图(以n＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(b)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(c)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(d)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(f)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1(a)所示，本发明提供的片上定向纳米双蝶形天线阵列基本单元为三角偶极子天线元，两个对称的三角天线元构成一组蝶形天线，两组正交的蝶形天线构成双蝶形天线元。每组蝶形天线由两个三角偶极子天线元组成。三角天线偶极子长度l＝60nm，底边长d＝10nm，高度h＝30nm，蝶形天线缝隙l0＝10nm。n组天线距离结构轴心的距离为r，相邻两组天线关于轴心的夹角α＝360°/n。天线阵列应放置在海豚形元胞圆阵列超表面上方d0处。

本发明纳米双蝶形天线的制作可采用对向靶直流磁控溅射和聚焦离子束刻蚀技术来实现。其具体步骤如下：

(1)利用对向靶直流磁控溅射方法在石英等玻璃衬底上或硅等半导体衬底上溅射金、银、铝、铜等纳金属膜；

(2)利用聚焦离子束刻蚀技术或电子束直写技术在纳金属膜上刻蚀纳米天线结构。

具体应用实例1

片上定向纳米双蝶形天线阵列优化海豚形元胞圆阵列超表面产生的局域复合偏振光场的具体参数如下为例：

取入射波长564nm下，定向纳米双蝶形天线阵列材料为铝(ε＝-42.1+11.9*i)，如图1(a)所示，三角天线偶极子长度l＝60nm，底边长d＝10nm，高度h＝30nm，蝶形天线缝隙l0＝10nm。

如图1(b)所示，该天线阵列共有n＝8组，天线近圆心端距离圆心r＝1000nm，相邻两组天线关于轴心的夹角α＝45°，天线阵列位于海豚形元胞圆阵列超表面上方d0＝140nm处。

图2是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处的透射场的强度与使用纳米天线阵列结构时超表面后方不同距离处的透射场的强度对比示意图(以n＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场的强度分布示意图；(b)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场的强度分布示意图；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的强度分布示意图；(d)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的强度分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场的强度分布示意图；(f)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场的强度分布示意图。从计算结果里不难看出，使用纳米双蝶形天线阵列后，入射光照射到海豚形元胞圆阵列超表面时，由于纳米双蝶形天线的定向辐射再次激发该局域复合光场，相同传播距离的下，螺旋相位光场强度更高，中心处相位涡旋更加明显。从结果中可以看出，当d＝1000nm、2000nm、3000nm时，使用双蝶形天线阵列能小幅度增强透射场的强度。

图3是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处光场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例与使用纳米双蝶形天线阵列后超表面后方不同距离处光场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例在相同距离下的对比示意图(以n＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度的比例；(b)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度的比例；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例；(d)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度的比例；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例；(f)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场z分量ez的光场强度|ez|²占总光场强度的比例。从结果中可以看出，当d＝1000nm时，ez分量的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例最高分别可达到8％、11％；当d＝2000nm时，ez分量的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例最高已分别降至3％、4％；当d＝3000nm时，ez分量的光场强度|ez|²占总光场强度|e|²的比例最高分别为1.4％、1.4％。随着距离d的增大，透射场ez占比减小。综上分析，双蝶形天线阵列对透射光场z方向分量ez的强度占总光场e强度的占比有一定的增强作用。

图4是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处光场ez分量的相位分布与使用纳米双蝶形天线阵列后超表面后方不同距离处光场ez分量的相位分布在相同距离下的对比示意图(以n＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(b)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝1000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(c)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(d)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝2000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图；(f)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方d＝3000nm处的透射场的ez分量相位分布示意图。从结果中可以看出，当d＝1000nm时，ez分量相位分布大致相近；当d＝2000nm、3000nm时，使用纳米双蝶形天线阵列的结构海豚形元胞圆阵列超表面透射场的分量相位分布良好，在可使用、调节范围内。综上分析，随传播距离增加ez相位螺旋效果越好，纳米双蝶形天线结构对于海豚形元胞圆阵列超表面透射场ez分量相位分布无明显消极作用，同时，对透射光场z方向分量ez的强度占总光场e强度的占比有一定的增强作用。