基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束產(chǎn)生方法：原理、設(shè)計與應(yīng)用一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，渦旋光束作為一種具有獨(dú)特性質(zhì)的光束，在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，成為了光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。渦旋光束，又被稱為光學(xué)渦旋，其最顯著的特征是具有螺旋狀的波前相位分布，形如漩渦，這使得它在傳播方向上攜帶了軌道角動量（OrbitalAngularMomentum，OAM）。這種特殊的角動量特性為光場調(diào)控賦予了新的自由度，極大地拓展了光束在科學(xué)研究和實際應(yīng)用中的可能性。在光通信領(lǐng)域，隨著信息時代對數(shù)據(jù)傳輸速率和容量的需求呈指數(shù)級增長，傳統(tǒng)的光通信技術(shù)逐漸面臨瓶頸。而渦旋光束的出現(xiàn)為解決這一問題提供了新的思路。由于不同拓?fù)浜蓴?shù)的渦旋光束所攜帶的軌道角動量不同，且各模態(tài)間相互正交，這使得它們可以作為獨(dú)立的信道用于光通信中的復(fù)用技術(shù)。通過在同一光束中復(fù)用多個不同拓?fù)浜蓴?shù)的渦旋光束，能夠顯著提高光通信系統(tǒng)的信息傳輸容量，為實現(xiàn)高速、大容量的光通信提供了有力的技術(shù)支持。例如，在長距離光纖通信中，利用渦旋光束的軌道角動量復(fù)用技術(shù)，可以在不增加光纖數(shù)量和帶寬的情況下，大幅提升數(shù)據(jù)傳輸量，有效緩解通信帶寬緊張的問題。在微粒操控方面，渦旋光束的獨(dú)特光強(qiáng)分布和軌道角動量特性使其成為一種強(qiáng)大的工具。當(dāng)渦旋光束照射到微小粒子上時，其攜帶的軌道角動量可以傳遞給粒子，從而使粒子繞光束中心旋轉(zhuǎn)或沿特定方向移動，實現(xiàn)對粒子的精確操控。這種非接觸式的操控方式在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)中，可用于操控細(xì)胞、生物大分子等微小物體，進(jìn)行細(xì)胞分選、生物分子檢測等實驗；在材料科學(xué)中，可用于組裝納米材料、操控微納粒子等，為新型材料的制備和研究提供了新的方法。在超分辨顯微成像領(lǐng)域，渦旋光束也發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡受到衍射極限的限制，分辨率難以突破一定范圍，而渦旋光束的引入為突破這一限制提供了可能。渦旋光束的中心相位奇點和獨(dú)特的光強(qiáng)分布，使其在與樣品相互作用時能夠產(chǎn)生特殊的光學(xué)效應(yīng)，通過對這些效應(yīng)的檢測和分析，可以獲得比傳統(tǒng)顯微鏡更高分辨率的圖像信息。利用渦旋光束進(jìn)行熒光成像時，可以通過檢測熒光信號的相位變化，實現(xiàn)對樣品中微小結(jié)構(gòu)的超分辨成像，為生物醫(yī)學(xué)研究、材料微觀結(jié)構(gòu)分析等提供更清晰、準(zhǔn)確的圖像數(shù)據(jù)。近紅外渦旋光束在上述應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。近紅外光的波長范圍通常在700-2500納米之間，這一波段具有許多優(yōu)良的特性。近紅外光對生物組織具有較好的穿透能力，且在大氣中的傳輸損耗較低，能夠有效避免光致細(xì)胞毒性，這使得近紅外渦旋光束在生物醫(yī)學(xué)成像和遠(yuǎn)程光通信等應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。在生物醫(yī)學(xué)成像中，近紅外渦旋光束可以深入生物組織內(nèi)部，對深層組織進(jìn)行成像，為疾病的早期診斷和治療提供更全面的信息；在遠(yuǎn)程光通信中，近紅外渦旋光束能夠在大氣中穩(wěn)定傳輸較長距離，減少信號衰減，提高通信質(zhì)量。此外，近紅外光可以方便地由傳統(tǒng)激光器產(chǎn)生，成本相對較低，易于實現(xiàn)和應(yīng)用。產(chǎn)生近紅外渦旋光束的方法眾多，而基于幾何相位超表面的方法近年來受到了廣泛關(guān)注。幾何相位超表面是一種由亞波長尺度的微納結(jié)構(gòu)單元組成的二維平面結(jié)構(gòu)，它能夠通過對光的偏振態(tài)進(jìn)行精確調(diào)控，從而實現(xiàn)對光束相位的靈活控制。這種超表面利用了Pancharatnam-Berry（PB）相位原理，當(dāng)圓偏振光垂直入射到超表面上時，通過旋轉(zhuǎn)各向異性的微納結(jié)構(gòu)單元的角度，可以使光在偏振態(tài)轉(zhuǎn)化過程中獲得與結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)的額外幾何相位?；谶@一原理，通過合理設(shè)計超表面上微納結(jié)構(gòu)單元的排列和旋轉(zhuǎn)角度分布，能夠精確地調(diào)控入射光的相位，使其滿足渦旋光束的螺旋相位分布要求，從而高效地產(chǎn)生近紅外渦旋光束。與傳統(tǒng)的渦旋光束產(chǎn)生方法相比，基于幾何相位超表面的方法具有諸多顯著優(yōu)勢。超表面結(jié)構(gòu)具有體積小、重量輕、易于集成等特點，能夠方便地與其他光學(xué)器件相結(jié)合，構(gòu)建緊湊、高效的光學(xué)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的渦旋光束產(chǎn)生方法，如使用螺旋相位板、空間光調(diào)制器等，往往需要較大的空間和復(fù)雜的光路系統(tǒng)，而幾何相位超表面可以直接集成在光學(xué)芯片上，大大減小了系統(tǒng)的體積和復(fù)雜度。超表面對光的調(diào)控精度高，可以實現(xiàn)對渦旋光束的各種參數(shù)，如拓?fù)浜蓴?shù)、偏振態(tài)、光強(qiáng)分布等進(jìn)行精確控制，滿足不同應(yīng)用場景的需求。幾何相位超表面還具有響應(yīng)速度快、可重構(gòu)性強(qiáng)等優(yōu)點，能夠在不同的工作條件下快速切換產(chǎn)生不同特性的渦旋光束，為實時動態(tài)的光場調(diào)控提供了可能。對基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束產(chǎn)生方法的研究具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。從科學(xué)研究角度來看，深入研究幾何相位超表面與近紅外光的相互作用機(jī)制，有助于揭示光在微納結(jié)構(gòu)中的傳播和調(diào)控規(guī)律，為光場調(diào)控理論的發(fā)展提供新的思路和方法，推動光學(xué)學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展。從實際應(yīng)用角度來看，這種方法能夠為光通信、微粒操控、超分辨顯微成像等領(lǐng)域提供高性能、低成本的近紅外渦旋光束產(chǎn)生技術(shù)，促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，具有廣闊的市場前景和社會經(jīng)濟(jì)效益。1.2近紅外渦旋光束概述1.2.1特性近紅外渦旋光束作為一種特殊的光場，具有一系列獨(dú)特而迷人的特性，這些特性賦予了它在眾多領(lǐng)域中獨(dú)特的應(yīng)用價值。近紅外渦旋光束最為顯著的特性之一是其螺旋相位分布。與普通光束的平面或球面波前不同，渦旋光束的波前呈現(xiàn)出螺旋狀的結(jié)構(gòu)。從數(shù)學(xué)描述上來看，其相位分布通?？梢员硎緸閈exp(il\theta)，其中l(wèi)是拓?fù)浜蓴?shù)，它決定了渦旋的旋轉(zhuǎn)次數(shù)和方向，\theta是方位角。這種螺旋相位結(jié)構(gòu)使得渦旋光束在傳播過程中，波前圍繞光束中心旋轉(zhuǎn)，形成了一種獨(dú)特的渦旋狀形態(tài)。拓?fù)浜蓴?shù)l可以取任意整數(shù)，包括正值、負(fù)值和零。當(dāng)l=0時，光束退化為普通的平面波或高斯光束；而當(dāng)l\neq0時，光束便具有了渦旋特性。l的絕對值越大，渦旋的旋轉(zhuǎn)程度就越高，相位變化也就越劇烈。這種螺旋相位特性是近紅外渦旋光束區(qū)別于其他普通光束的關(guān)鍵特征，也是其許多獨(dú)特應(yīng)用的基礎(chǔ)。近紅外渦旋光束攜帶軌道角動量（OAM），這是其另一個重要特性。軌道角動量是描述物體繞某一軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的物理量，對于渦旋光束而言，其軌道角動量與螺旋相位結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根據(jù)量子力學(xué)理論，渦旋光束中每個光子攜帶的軌道角動量大小為l\hbar，其中\(zhòng)hbar是約化普朗克常數(shù)。這種攜帶軌道角動量的特性使得近紅外渦旋光束在與物質(zhì)相互作用時，能夠產(chǎn)生一些獨(dú)特的現(xiàn)象。當(dāng)渦旋光束照射到微小粒子上時，其攜帶的軌道角動量可以傳遞給粒子，使粒子繞光束中心旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對粒子的光學(xué)操控，這在光學(xué)微操縱、微粒捕獲等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。在光強(qiáng)分布方面，近紅外渦旋光束具有獨(dú)特的環(huán)形分布特征。由于其中心相位奇點的存在，渦旋光束的光強(qiáng)在中心處為零，形成一個暗核，而光強(qiáng)主要集中在圍繞中心的環(huán)形區(qū)域。這種環(huán)形光強(qiáng)分布與普通高斯光束的中心對稱光強(qiáng)分布截然不同。光強(qiáng)分布的具體形狀和大小與渦旋光束的拓?fù)浜蓴?shù)、光束模式以及傳播距離等因素有關(guān)。一般來說，隨著拓?fù)浜蓴?shù)l的增大，環(huán)形光強(qiáng)分布的半徑也會相應(yīng)增大，且光強(qiáng)分布會變得更加分散。這種獨(dú)特的光強(qiáng)分布特性在一些應(yīng)用中具有重要意義，在光學(xué)成像中，環(huán)形光強(qiáng)分布可以提供更高的對比度和分辨率，有助于觀察和分析微小物體的結(jié)構(gòu)和特性；在光通信中，這種分布特性可以減少信號之間的干擾，提高通信系統(tǒng)的性能。近紅外渦旋光束還具有一些其他特性，如相干性和偏振特性等。其相干性與普通光束類似，取決于光源的性質(zhì)和產(chǎn)生方式，但在一些應(yīng)用中，對渦旋光束的相干性要求可能更為嚴(yán)格。在量子通信中，需要渦旋光束具有高相干性，以確保量子信息的準(zhǔn)確傳輸。在偏振特性方面，渦旋光束可以與特定的偏振態(tài)相結(jié)合，形成矢量渦旋光束，這種光束在橫截面上的偏振態(tài)分布會隨著空間位置的變化而變化，進(jìn)一步豐富了渦旋光束的特性和應(yīng)用場景。徑向偏振的渦旋光束在材料加工、粒子加速等領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢，其偏振特性可以增強(qiáng)光束與物質(zhì)的相互作用，實現(xiàn)更高效的加工和加速過程。1.2.2應(yīng)用領(lǐng)域近紅外渦旋光束憑借其獨(dú)特的特性，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛而重要的應(yīng)用，推動了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展。在光通信領(lǐng)域，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對數(shù)據(jù)傳輸速率和容量的需求呈指數(shù)級增長。近紅外渦旋光束的出現(xiàn)為解決這一挑戰(zhàn)提供了新的途徑。由于不同拓?fù)浜蓴?shù)的近紅外渦旋光束攜帶的軌道角動量不同，且各模態(tài)間相互正交，這使得它們可以作為獨(dú)立的信道用于光通信中的復(fù)用技術(shù)。通過在同一光束中復(fù)用多個不同拓?fù)浜蓴?shù)的近紅外渦旋光束，能夠顯著提高光通信系統(tǒng)的信息傳輸容量。在長距離光纖通信中，利用近紅外渦旋光束的軌道角動量復(fù)用技術(shù)，將多個不同拓?fù)浜蓴?shù)的渦旋光束耦合進(jìn)單模光纖中進(jìn)行傳輸，實驗結(jié)果表明，這種復(fù)用方式可以在不增加光纖數(shù)量和帶寬的情況下，使通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸容量提升數(shù)倍甚至數(shù)十倍，有效緩解了通信帶寬緊張的問題，為實現(xiàn)高速、大容量的光通信提供了有力的技術(shù)支持。在自由空間光通信中，近紅外渦旋光束也具有重要應(yīng)用。其在大氣中的傳輸損耗相對較低，能夠在一定程度上克服大氣湍流等因素對光通信的影響，實現(xiàn)穩(wěn)定的長距離通信。利用近紅外渦旋光束進(jìn)行衛(wèi)星與地面之間的通信，可以提高通信的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率，為全球通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了新的思路和方法。在光學(xué)微加工領(lǐng)域，近紅外渦旋光束的獨(dú)特光強(qiáng)分布和軌道角動量特性使其成為一種強(qiáng)大的加工工具。由于近紅外光對許多材料具有較好的穿透能力，結(jié)合渦旋光束的環(huán)形光強(qiáng)分布，能夠在材料內(nèi)部實現(xiàn)高精度的微加工。在激光打孔、微納結(jié)構(gòu)制備等應(yīng)用中，近紅外渦旋光束可以通過精確控制光束的參數(shù)，如拓?fù)浜蓴?shù)、功率等，實現(xiàn)對材料的局部加熱和熔化，從而在材料表面或內(nèi)部形成微小的孔洞或復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整渦旋光束的拓?fù)浜蓴?shù)，可以改變光強(qiáng)分布的半徑和形狀，進(jìn)而控制加工區(qū)域的大小和形狀，實現(xiàn)對微加工過程的精確調(diào)控。近紅外渦旋光束攜帶的軌道角動量還可以用于驅(qū)動微納粒子的旋轉(zhuǎn)和移動，在微納制造中實現(xiàn)對粒子的精確操控和組裝。利用渦旋光束的軌道角動量，將微納粒子捕獲并使其繞光束中心旋轉(zhuǎn)，通過控制光束的移動，可以將粒子精確地放置在預(yù)定位置，實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的自組裝，為制備高性能的微納器件提供了新的方法和技術(shù)。在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，近紅外渦旋光束具有獨(dú)特的優(yōu)勢。近紅外光對生物組織具有較好的穿透能力，能夠深入生物組織內(nèi)部，且對生物組織的損傷較小，這使得近紅外渦旋光束在生物醫(yī)學(xué)成像中具有重要的應(yīng)用價值。在熒光成像中，利用近紅外渦旋光束作為激發(fā)光源，可以激發(fā)生物組織內(nèi)的熒光物質(zhì)發(fā)出熒光，通過檢測熒光信號，可以獲得生物組織的結(jié)構(gòu)和功能信息。由于渦旋光束的中心相位奇點和獨(dú)特的光強(qiáng)分布，在與生物樣品相互作用時，能夠產(chǎn)生特殊的光學(xué)效應(yīng)，通過對這些效應(yīng)的檢測和分析，可以獲得比傳統(tǒng)顯微鏡更高分辨率的圖像信息。利用近紅外渦旋光束進(jìn)行超分辨熒光成像時，通過檢測熒光信號的相位變化，可以實現(xiàn)對生物樣品中微小結(jié)構(gòu)的超分辨成像，為生物醫(yī)學(xué)研究、疾病診斷等提供更清晰、準(zhǔn)確的圖像數(shù)據(jù)，有助于深入了解生物組織的微觀結(jié)構(gòu)和生理過程，為疾病的早期診斷和治療提供有力的支持。1.3幾何相位超表面簡介1.3.1定義與結(jié)構(gòu)特點幾何相位超表面是一種由亞波長尺度的微納結(jié)構(gòu)單元組成的二維平面結(jié)構(gòu)，這些微納結(jié)構(gòu)單元通常被稱為超原子。其關(guān)鍵特征在于能夠通過對光的偏振態(tài)進(jìn)行精確調(diào)控，實現(xiàn)對光束相位的靈活控制，這一特性基于Pancharatnam-Berry（PB）相位原理。從結(jié)構(gòu)上看，幾何相位超表面的亞波長結(jié)構(gòu)單元具有高度的設(shè)計自由度。這些單元的形狀、尺寸、排列方式以及材料屬性等都可以被精心設(shè)計，以實現(xiàn)特定的光學(xué)響應(yīng)。常見的微納結(jié)構(gòu)單元形狀包括矩形、圓形、三角形以及各種異形結(jié)構(gòu)，如H形、V形、十字形等。通過合理選擇這些形狀，并精確控制其尺寸，能夠調(diào)節(jié)微納結(jié)構(gòu)單元對光的散射和吸收特性，從而實現(xiàn)對光的相位、偏振和振幅的有效調(diào)控。例如，在一些基于金屬材料的幾何相位超表面中，通過設(shè)計矩形的金屬納米結(jié)構(gòu)單元，并調(diào)整其長度和寬度，可以精確控制單元對光的散射相位，進(jìn)而實現(xiàn)對光束波前的精確調(diào)控。微納結(jié)構(gòu)單元在超表面上的排列方式也是影響其光學(xué)性能的重要因素。它們可以按照周期性或非周期性的方式排列。周期性排列的結(jié)構(gòu)單元可以使超表面具有規(guī)則的光學(xué)響應(yīng)，便于分析和設(shè)計；而非周期性排列則可以賦予超表面一些特殊的光學(xué)性質(zhì)，如打破對稱性、實現(xiàn)寬帶響應(yīng)等。在一些用于產(chǎn)生渦旋光束的幾何相位超表面中，采用了周期性排列的微納結(jié)構(gòu)單元，通過精確控制單元之間的相位差，實現(xiàn)了對光束相位的連續(xù)螺旋調(diào)制，從而高效地產(chǎn)生了渦旋光束。1.3.2調(diào)控光場原理幾何相位超表面對光場的調(diào)控主要基于Pancharatnam-Berry相位原理。當(dāng)圓偏振光垂直入射到幾何相位超表面上時，超表面上各向異性的微納結(jié)構(gòu)單元會使光的偏振態(tài)發(fā)生變化。假設(shè)入射光為左旋圓偏振光（LCP），當(dāng)它經(jīng)過微納結(jié)構(gòu)單元時，由于單元的各向異性，光的偏振態(tài)會逐漸轉(zhuǎn)化為右旋圓偏振光（RCP），在這個偏振態(tài)轉(zhuǎn)化過程中，光會獲得一個額外的相位，這個相位就是PB相位。具體來說，PB相位與微納結(jié)構(gòu)單元的旋轉(zhuǎn)角度密切相關(guān)。當(dāng)微納結(jié)構(gòu)單元的旋轉(zhuǎn)角度為\alpha（逆時針旋轉(zhuǎn)）時，光在偏振態(tài)轉(zhuǎn)化過程中獲得的PB相位為2\alpha。這意味著通過精確控制超表面上不同位置處微納結(jié)構(gòu)單元的旋轉(zhuǎn)角度，就可以實現(xiàn)對光相位的精確調(diào)控。為了產(chǎn)生具有特定螺旋相位分布的渦旋光束，可以在超表面上設(shè)計一系列微納結(jié)構(gòu)單元，使其旋轉(zhuǎn)角度按照與方位角相關(guān)的規(guī)律變化，從而使光在經(jīng)過這些單元后獲得與渦旋光束相位分布相匹配的額外相位，實現(xiàn)渦旋光束的產(chǎn)生。除了相位調(diào)控，幾何相位超表面還可以實現(xiàn)對光的偏振和振幅的調(diào)控。通過設(shè)計微納結(jié)構(gòu)單元的各向異性程度和排列方式，可以控制光在不同偏振方向上的透射或反射特性，從而實現(xiàn)對光偏振態(tài)的靈活控制。在一些超表面設(shè)計中，通過合理選擇微納結(jié)構(gòu)單元的材料和形狀，使其對不同偏振態(tài)的光具有不同的散射和吸收特性，從而實現(xiàn)了對光偏振態(tài)的調(diào)制，如將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，或者實現(xiàn)不同偏振態(tài)光的分離等。在振幅調(diào)控方面，通過調(diào)整微納結(jié)構(gòu)單元的尺寸、形狀以及排列密度等參數(shù)，可以改變超表面對光的散射和吸收效率，進(jìn)而實現(xiàn)對光振幅的調(diào)控。通過優(yōu)化微納結(jié)構(gòu)單元的尺寸和排列方式，使超表面在某些頻率范圍內(nèi)對光具有較高的吸收效率，從而降低光的振幅；或者通過設(shè)計特殊的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)光的散射，實現(xiàn)對光振幅的增強(qiáng)或減弱。1.4研究現(xiàn)狀近紅外渦旋光束在眾多領(lǐng)域的重要應(yīng)用推動了其產(chǎn)生方法的不斷發(fā)展與創(chuàng)新。傳統(tǒng)的近紅外渦旋光束產(chǎn)生方法主要包括螺旋相位板法、空間光調(diào)制器法、計算全息法等。螺旋相位板法是通過在光束傳播路徑中放置具有螺旋狀相位分布的相位板，使通過的光束獲得相應(yīng)的螺旋相位，從而轉(zhuǎn)化為渦旋光束。這種方法結(jié)構(gòu)相對簡單，能夠產(chǎn)生較高質(zhì)量的渦旋光束，但其產(chǎn)生的渦旋光束拓?fù)浜蓴?shù)通常固定，難以靈活改變，且對相位板的加工精度要求極高，微小的加工誤差都會影響渦旋光束的質(zhì)量?？臻g光調(diào)制器法則是利用空間光調(diào)制器對光束的相位進(jìn)行實時調(diào)控，通過加載特定的相位調(diào)制圖案，實現(xiàn)近紅外渦旋光束的產(chǎn)生。該方法具有高度的靈活性，可以方便地產(chǎn)生不同拓?fù)浜蓴?shù)和復(fù)雜相位分布的渦旋光束，能夠滿足動態(tài)變化的應(yīng)用需求。然而，空間光調(diào)制器價格昂貴，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且調(diào)制速度受到一定限制，在一些對成本和速度要求較高的應(yīng)用場景中存在局限性。計算全息法是根據(jù)渦旋光束的相位分布特性，通過計算生成全息圖，再利用光學(xué)系統(tǒng)對全息圖進(jìn)行再現(xiàn)，從而產(chǎn)生渦旋光束。這種方法可以精確地控制渦旋光束的相位和振幅分布，能夠產(chǎn)生具有復(fù)雜波前的渦旋光束，但其計算過程復(fù)雜，對計算資源要求較高，且全息圖的制作和再現(xiàn)過程容易引入噪聲，影響渦旋光束的質(zhì)量。近年來，基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束產(chǎn)生方法逐漸成為研究熱點。這種方法利用幾何相位超表面獨(dú)特的微納結(jié)構(gòu)對光的偏振態(tài)和相位進(jìn)行精確調(diào)控，展現(xiàn)出許多傳統(tǒng)方法所不具備的優(yōu)勢。在2011年，M.K.Tan等研究者首次利用基于幾何相位的超表面成功產(chǎn)生了渦旋光束，為這一領(lǐng)域的研究開辟了新的方向。此后，眾多研究團(tuán)隊圍繞幾何相位超表面在近紅外渦旋光束產(chǎn)生方面展開了深入研究，并取得了一系列重要成果。一些研究通過優(yōu)化微納結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計，如采用新型的異形結(jié)構(gòu)單元或?qū)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)一步提高了超表面對近紅外光的調(diào)控效率和精度，從而實現(xiàn)了更高質(zhì)量近紅外渦旋光束的產(chǎn)生。通過設(shè)計具有特殊形狀和尺寸的金屬納米結(jié)構(gòu)單元，使得超表面在近紅外波段對光的散射和吸收特性得到優(yōu)化，從而增強(qiáng)了對光相位的調(diào)控能力，產(chǎn)生的近紅外渦旋光束具有更均勻的光強(qiáng)分布和更精確的相位分布。還有一些研究致力于拓展基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束產(chǎn)生方法的應(yīng)用范圍。有團(tuán)隊將超表面與光纖技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了近紅外渦旋光束在光纖中的高效傳輸和耦合，為光通信領(lǐng)域提供了新的技術(shù)手段。他們通過在光纖端面集成幾何相位超表面，成功地將光纖中的基模光轉(zhuǎn)換為近紅外渦旋光束，并實現(xiàn)了不同拓?fù)浜蓴?shù)渦旋光束在光纖中的穩(wěn)定傳輸，有效提高了光纖通信系統(tǒng)的信息傳輸容量。在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，研究人員利用幾何相位超表面產(chǎn)生的近紅外渦旋光束作為激發(fā)光源，結(jié)合超分辨成像技術(shù)，實現(xiàn)了對生物組織的高分辨率成像，為生物醫(yī)學(xué)研究提供了更強(qiáng)大的工具。通過精確控制超表面產(chǎn)生的近紅外渦旋光束的相位和光強(qiáng)分布，使其能夠更好地與生物樣品相互作用，激發(fā)樣品發(fā)出更清晰的熒光信號，從而提高了成像的分辨率和對比度。盡管基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束產(chǎn)生方法取得了顯著進(jìn)展，但目前仍存在一些不足之處。超表面的制備工藝復(fù)雜，成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用?，F(xiàn)有的超表面制備技術(shù)，如電子束光刻、聚焦離子束刻寫等，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的微納結(jié)構(gòu)加工，但制備過程耗時較長，設(shè)備昂貴，且產(chǎn)量較低，難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。超表面對近紅外光的調(diào)控效率和帶寬仍有待進(jìn)一步提高。在實際應(yīng)用中，需要超表面能夠在更寬的波長范圍內(nèi)對近紅外光進(jìn)行高效調(diào)控，以適應(yīng)不同的工作需求。目前的幾何相位超表面在某些波長范圍內(nèi)的調(diào)控效率還不夠理想，存在一定的能量損耗和相位誤差，這限制了其在一些對光場調(diào)控性能要求較高的應(yīng)用中的應(yīng)用。超表面與其他光學(xué)器件的集成度還不夠高，在構(gòu)建復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)時，需要解決超表面與其他器件之間的兼容性和耦合效率問題。在將超表面與傳統(tǒng)光學(xué)透鏡、探測器等器件集成時，由于兩者的材料、結(jié)構(gòu)和工作原理存在差異，容易導(dǎo)致光信號的傳輸損耗增加和耦合效率降低，影響整個光學(xué)系統(tǒng)的性能。1.5研究內(nèi)容與創(chuàng)新點本研究聚焦于基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束產(chǎn)生方法，具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：超表面微納結(jié)構(gòu)設(shè)計：深入研究幾何相位超表面的微納結(jié)構(gòu)單元，全面分析其形狀、尺寸、排列方式以及材料屬性等因素對近紅外光調(diào)控特性的影響。運(yùn)用數(shù)值模擬軟件，如時域有限差分（FDTD）方法，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁響應(yīng)特性仿真，通過系統(tǒng)地改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，精確分析各參數(shù)對光相位、偏振和振幅調(diào)控效果的影響規(guī)律，從而確定最優(yōu)的微納結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。在此基礎(chǔ)上，基于優(yōu)化后的微納結(jié)構(gòu)，設(shè)計出能夠高效產(chǎn)生近紅外渦旋光束的超表面，使其滿足特定的拓?fù)浜蓴?shù)、光強(qiáng)分布和偏振態(tài)要求。針對不同的應(yīng)用場景，如光通信、生物醫(yī)學(xué)成像等，設(shè)計具有不同特性的超表面，在光通信應(yīng)用中，設(shè)計能夠產(chǎn)生高純度、低串?dāng)_渦旋光束的超表面，以提高通信系統(tǒng)的性能；在生物醫(yī)學(xué)成像中，設(shè)計對生物組織穿透性好、光損傷小的超表面，以滿足成像的需求。超表面制備工藝研究：探索適用于幾何相位超表面的制備工藝，對比電子束光刻、聚焦離子束刻寫、納米壓印等多種制備技術(shù)的優(yōu)缺點和適用范圍，根據(jù)超表面的結(jié)構(gòu)特點和性能要求，選擇最適合的制備技術(shù)，并對制備工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高超表面的制備精度和效率。在電子束光刻制備工藝中，通過優(yōu)化電子束曝光劑量、顯影時間等參數(shù)，減少光刻膠的殘留和邊緣粗糙度，提高微納結(jié)構(gòu)的制備精度；在納米壓印工藝中，優(yōu)化壓印壓力、溫度和脫模工藝，提高壓印的保真度和重復(fù)性，降低制備成本。研究制備過程中可能出現(xiàn)的缺陷對超表面光學(xué)性能的影響，如結(jié)構(gòu)尺寸偏差、材料不均勻性等，并提出相應(yīng)的解決方案，通過對制備過程的嚴(yán)格控制和質(zhì)量檢測，減少缺陷的產(chǎn)生，提高超表面的成品率和性能穩(wěn)定性。近紅外渦旋光束產(chǎn)生實驗驗證：搭建基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束產(chǎn)生實驗平臺，使用近紅外激光器作為光源，通過調(diào)節(jié)激光器的輸出功率、波長等參數(shù)，為實驗提供穩(wěn)定的近紅外光束。將制備好的幾何相位超表面放置在光束傳播路徑中，精確控制超表面的位置和角度，確保光束垂直入射到超表面上。使用光束分析儀、CCD相機(jī)等檢測設(shè)備，對產(chǎn)生的近紅外渦旋光束的各項特性進(jìn)行測量，包括光強(qiáng)分布、相位分布、軌道角動量等，通過與理論模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗證超表面設(shè)計的正確性和有效性。深入分析實驗結(jié)果，研究超表面參數(shù)與渦旋光束特性之間的關(guān)系，進(jìn)一步優(yōu)化超表面設(shè)計和實驗方案，以提高渦旋光束的質(zhì)量和產(chǎn)生效率。根據(jù)實驗結(jié)果，調(diào)整超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)或制備工藝，改善渦旋光束的光強(qiáng)均勻性、相位準(zhǔn)確性等性能指標(biāo)，使其更符合實際應(yīng)用的要求。應(yīng)用探索：將基于幾何相位超表面產(chǎn)生的近紅外渦旋光束應(yīng)用于光通信、微粒操控、超分辨顯微成像等領(lǐng)域，研究其在實際應(yīng)用中的性能和效果。在光通信應(yīng)用中，進(jìn)行渦旋光束復(fù)用和解復(fù)用實驗，驗證其在提高通信容量方面的優(yōu)勢，通過實驗測試不同拓?fù)浜蓴?shù)渦旋光束的傳輸性能和串?dāng)_情況，優(yōu)化通信系統(tǒng)的設(shè)計，提高通信的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率；在微粒操控應(yīng)用中，利用渦旋光束的軌道角動量對微粒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和移動操控，研究操控的精度和穩(wěn)定性，探索其在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，通過實驗觀察微粒在渦旋光束作用下的運(yùn)動軌跡和行為，優(yōu)化操控參數(shù)，實現(xiàn)對微粒的精確操控；在超分辨顯微成像應(yīng)用中，結(jié)合近紅外渦旋光束和熒光成像技術(shù)，實現(xiàn)對生物樣品的超分辨成像，與傳統(tǒng)成像技術(shù)進(jìn)行對比，分析其在提高成像分辨率和對比度方面的優(yōu)勢，通過實驗獲取生物樣品的高分辨率圖像，驗證渦旋光束在超分辨成像中的有效性，為生物醫(yī)學(xué)研究提供更強(qiáng)大的工具。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新：提出一種新型的微納結(jié)構(gòu)單元設(shè)計，該結(jié)構(gòu)能夠在近紅外波段實現(xiàn)更高效、更精確的光場調(diào)控。通過巧妙地設(shè)計結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，使超表面對近紅外光的散射和吸收特性得到優(yōu)化，從而增強(qiáng)對光相位的調(diào)控能力，有望實現(xiàn)更高質(zhì)量近紅外渦旋光束的產(chǎn)生，提高渦旋光束的光強(qiáng)均勻性和相位準(zhǔn)確性，減少能量損耗和相位誤差。制備工藝創(chuàng)新：探索一種新的超表面制備工藝，該工藝結(jié)合了多種制備技術(shù)的優(yōu)點，能夠有效提高制備精度和效率，降低成本。通過創(chuàng)新的工藝步驟和參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)了微納結(jié)構(gòu)的高精度制備和大面積制備，為幾何相位超表面的大規(guī)模應(yīng)用提供了可能。應(yīng)用拓展創(chuàng)新：將基于幾何相位超表面產(chǎn)生的近紅外渦旋光束應(yīng)用于新的領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)檢測中的分子識別和生物標(biāo)志物檢測，以及量子信息處理中的量子比特編碼和量子態(tài)傳輸?shù)?，為這些領(lǐng)域的發(fā)展提供新的技術(shù)手段和解決方案。二、近紅外渦旋光束產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)2.1渦旋光束的數(shù)學(xué)描述渦旋光束具有獨(dú)特的螺旋相位結(jié)構(gòu)，在數(shù)學(xué)上通常用拉蓋爾-高斯（Laguerre-Gaussian，LG）光束來描述。拉蓋爾-高斯光束是激光束在柱坐標(biāo)系下的一種模式解，其表達(dá)式為：LG_{p,l}(r,\theta,z)=\frac{1}{w(z)}\left(\frac{\sqrt{2}r}{w(z)}\right)^{|l|}L_p^{|l|}\left(\frac{2r^2}{w^2(z)}\right)e^{-\frac{r^2}{w^2(z)}}e^{-ikz}e^{il\theta}e^{-(l+2p+1)\zeta(z)}其中，p和l為整數(shù)，分別表示徑向指數(shù)和角向指數(shù)，p\geq0，l\geq0，p\geq|l|；r和\theta是柱坐標(biāo)系下的徑向坐標(biāo)和角向坐標(biāo)；z是光束傳播方向上的距離；w(z)是光束半徑，它隨傳播距離z的變化而變化，表達(dá)式為w(z)=w_0\sqrt{1+(\frac{z}{z_R})^2}，w_0是束腰半徑，z_R=\frac{\piw_0^2}{\lambda}為瑞利長度，\lambda是波長；k=\frac{2\pi}{\lambda}為波數(shù)；L_p^{|l|}是廣義拉蓋爾多項式，它描述了光束在徑向方向上的光強(qiáng)分布；\zeta(z)=i\ln\left(1+i\frac{z}{z_R}\right)是一個與傳播距離有關(guān)的復(fù)參數(shù)，它包含了光束傳播過程中的相位變化信息；e^{il\theta}是渦旋光束的特征相位因子，它決定了光束的螺旋相位結(jié)構(gòu)，l被稱為拓?fù)浜蓴?shù)，其絕對值表示螺旋的纏繞數(shù)，正負(fù)號決定了螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)l\gt0時，相位沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)l\lt0時，相位沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。在拉蓋爾-高斯光束的表達(dá)式中，各個參數(shù)對光束特性有著重要影響。拓?fù)浜蓴?shù)l直接決定了渦旋光束的螺旋相位結(jié)構(gòu)和軌道角動量。如前所述，l的絕對值越大，渦旋的旋轉(zhuǎn)程度越高，相位變化越劇烈，光束攜帶的軌道角動量也越大，每個光子攜帶的軌道角動量為l\hbar。徑向指數(shù)p主要影響光束在徑向方向上的光強(qiáng)分布。隨著p的增大，廣義拉蓋爾多項式L_p^{|l|}的形式發(fā)生變化，導(dǎo)致光束在徑向方向上出現(xiàn)更多的光強(qiáng)極值和節(jié)點，光強(qiáng)分布變得更加復(fù)雜。束腰半徑w_0則決定了光束的聚焦特性和光斑大小。較小的束腰半徑會使光束在束腰處更加集中，能量密度更高，但在傳播過程中發(fā)散更快；較大的束腰半徑則使光束在傳播過程中更加穩(wěn)定，發(fā)散較慢，但在束腰處的能量密度相對較低。除了拉蓋爾-高斯光束，還有其他形式的渦旋光束，如貝塞爾-高斯（Bessel-Gaussian，BG）光束。貝塞爾-高斯光束是貝塞爾函數(shù)與高斯函數(shù)的乘積，它在自由空間中具有無衍射傳播的特性，其表達(dá)式為：BG(r,\theta,z)=Ae^{-\frac{r^2}{w^2(z)}}J_l(kr\sin\theta)e^{-ikz}e^{il\theta}其中，A為振幅常數(shù)；J_l是l階第一類貝塞爾函數(shù)，它決定了光束在橫截面上的光強(qiáng)分布，使得光束具有環(huán)形的光強(qiáng)分布，中心為暗斑；其他參數(shù)的含義與拉蓋爾-高斯光束中相同。貝塞爾-高斯光束的無衍射特性使其在長距離傳輸和微粒操控等應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，在光鑷技術(shù)中，利用貝塞爾-高斯渦旋光束可以實現(xiàn)對微粒的長距離穩(wěn)定捕獲和操控。2.2幾何相位理論P(yáng)ancharatnam-Berry（PB）幾何相位，又稱為拓?fù)湎辔?，是一種與光的偏振態(tài)變化路徑相關(guān)的相位。它的概念最初分別由印度物理學(xué)家S.Pancharatnam在1956年以及英國物理學(xué)家M.V.Berry在1984年提出。在傳統(tǒng)的光學(xué)理論中，光的相位變化主要由光程差決定，這被稱為動力學(xué)相位。而PB幾何相位則不同，它是一種純粹的幾何性質(zhì)的相位，其大小僅取決于光在偏振態(tài)空間中所經(jīng)歷的路徑，與光的傳播時間和光程無關(guān)。當(dāng)一束圓偏振光在傳播過程中，其偏振態(tài)發(fā)生連續(xù)變化時，就會積累PB幾何相位。假設(shè)入射光為左旋圓偏振光（LCP），當(dāng)它經(jīng)過一系列光學(xué)元件或介質(zhì)，其偏振態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為右旋圓偏振光（RCP），在這個過程中，光會獲得一個額外的相位，這個相位就是PB幾何相位。具體來說，PB幾何相位的大小與偏振態(tài)變化路徑所包圍的立體角成正比。在龐加萊球（Poincarésphere）上，偏振態(tài)的變化可以用球面上的路徑來表示，PB幾何相位\gamma與路徑所包圍的立體角\Omega之間的關(guān)系為\gamma=\frac{\Omega}{2}。例如，當(dāng)偏振態(tài)沿著龐加萊球上的一個半great-circle變化時，所包圍的立體角為2\pi，此時光獲得的PB幾何相位為\pi。在幾何相位超表面的設(shè)計中，PB相位原理起著核心作用。幾何相位超表面通常由各向異性的微納結(jié)構(gòu)單元組成，這些單元的形狀、尺寸和取向可以精確控制光的偏振態(tài)變化。當(dāng)圓偏振光垂直入射到超表面上時，微納結(jié)構(gòu)單元會使光的偏振態(tài)發(fā)生改變。通過旋轉(zhuǎn)微納結(jié)構(gòu)單元的角度\alpha，可以精確調(diào)控光在偏振態(tài)轉(zhuǎn)化過程中獲得的PB相位。理論上，光獲得的PB相位\phi_{PB}=2\alpha，這意味著通過設(shè)計超表面上不同位置處微納結(jié)構(gòu)單元的旋轉(zhuǎn)角度分布，就可以實現(xiàn)對光相位的精確控制。為了產(chǎn)生具有特定螺旋相位分布的近紅外渦旋光束，可以在超表面上按照一定規(guī)律排列微納結(jié)構(gòu)單元，使其旋轉(zhuǎn)角度與方位角\theta相關(guān)，例如\alpha=\frac{l\theta}{2}，其中l(wèi)為渦旋光束的拓?fù)浜蓴?shù)。這樣，當(dāng)近紅外圓偏振光經(jīng)過超表面時，就會獲得與渦旋光束相位分布相匹配的PB相位，從而轉(zhuǎn)化為近紅外渦旋光束?；赑B相位原理的幾何相位超表面在近紅外渦旋光束產(chǎn)生方面具有諸多優(yōu)勢。它可以在亞波長尺度上實現(xiàn)對光相位的精確調(diào)控，相比于傳統(tǒng)的光學(xué)元件，具有更高的調(diào)控精度和靈活性。超表面結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成，可以方便地與其他光學(xué)器件相結(jié)合，構(gòu)建小型化、多功能的光學(xué)系統(tǒng)。由于PB相位的色散特性較弱，基于幾何相位超表面產(chǎn)生的近紅外渦旋光束在較寬的波長范圍內(nèi)都能保持較好的性能，適用于多種應(yīng)用場景。2.3超表面對光場的調(diào)控機(jī)制2.3.1表面等離激元效應(yīng)表面等離激元（SurfacePlasmonPolaritons，SPPs）是一種在金屬表面區(qū)域產(chǎn)生的特殊電磁模式，它是由金屬表面的自由電子與外界光波電磁場相互作用而形成的電磁振蕩。當(dāng)光波入射到金屬與電介質(zhì)的分界面時，金屬表面的自由電子會在光波電場的作用下發(fā)生集體振蕩，若電子的振蕩頻率與入射光波的頻率一致，就會產(chǎn)生共振。在共振狀態(tài)下，電磁場的能量被有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俦砻孀杂呻娮拥募w振動能，進(jìn)而形成表面等離激元。這種特殊的電磁模式具有獨(dú)特的性質(zhì)，在垂直于金屬表面的方向上，場強(qiáng)呈指數(shù)衰減，這使得表面等離激元被高度局域在金屬表面附近很小的范圍內(nèi)。其能夠突破傳統(tǒng)光學(xué)中的衍射極限，將光場限制在亞波長尺度的區(qū)域內(nèi)，這為光場的亞波長調(diào)控提供了可能。在幾何相位超表面中，表面等離激元效應(yīng)起著關(guān)鍵作用。超表面中的微納結(jié)構(gòu)通常由金屬材料制成，這些金屬微納結(jié)構(gòu)可以有效地激發(fā)和調(diào)控表面等離激元。當(dāng)近紅外光入射到超表面上時，金屬微納結(jié)構(gòu)會與光相互作用，激發(fā)表面等離激元。通過設(shè)計微納結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和排列方式，可以精確控制表面等離激元的激發(fā)、傳播和耦合特性，從而實現(xiàn)對近紅外光的相位、偏振和振幅等參數(shù)的調(diào)控。例如，通過設(shè)計特定形狀的金屬納米結(jié)構(gòu)，如納米圓盤、納米棒等，并控制其尺寸和間距，可以調(diào)節(jié)表面等離激元的共振頻率和模式，進(jìn)而實現(xiàn)對近紅外光相位的精確調(diào)控。改變納米圓盤的直徑和間距，可以改變表面等離激元的共振頻率，使得在特定頻率的近紅外光入射時，能夠獲得所需的相位延遲，從而實現(xiàn)對光場相位的調(diào)制。表面等離激元的局域場增強(qiáng)效應(yīng)也使得超表面對近紅外光的調(diào)控效率得到顯著提高。由于表面等離激元在金屬表面附近形成了增強(qiáng)的電磁場，使得光與超表面的相互作用更加劇烈，能夠更有效地實現(xiàn)對光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換和相位調(diào)控，從而為高效產(chǎn)生近紅外渦旋光束提供了有力支持。2.3.2廣義Snell定律廣義Snell定律是描述光在具有相位梯度的界面上反射和折射行為的重要理論，它突破了傳統(tǒng)Snell定律的限制，為理解超表面對光場的異常調(diào)控提供了關(guān)鍵依據(jù)。傳統(tǒng)的Snell定律指出，光在兩種均勻介質(zhì)的界面上發(fā)生反射和折射時，入射角\theta_i、反射角\theta_r和折射角\theta_t滿足n_i\sin\theta_i=n_r\sin\theta_r=n_t\sin\theta_t，其中n_i、n_r和n_t分別為入射介質(zhì)、反射介質(zhì)和折射介質(zhì)的折射率。然而，在超表面中，由于其亞波長結(jié)構(gòu)的存在，使得光在界面上的相位發(fā)生了突變，傳統(tǒng)的Snell定律不再適用。廣義Snell定律表明，當(dāng)光入射到具有沿界面方向相位梯度\frac{d\Phi}{dx}的超表面時，反射光和折射光的方向不僅與介質(zhì)的折射率有關(guān)，還與相位梯度相關(guān)。其反射定律表達(dá)式為n_i\sin\theta_r-n_i\sin\theta_i=\frac{\lambda}{2\pi}\frac{d\Phi}{dx}，折射定律表達(dá)式為n_t\sin\theta_t-n_i\sin\theta_i=\frac{\lambda}{2\pi}\frac{d\Phi}{dx}，其中\(zhòng)lambda為光的波長。這意味著通過設(shè)計超表面上微納結(jié)構(gòu)的排列和取向，精確控制光在界面上的相位變化梯度，就可以實現(xiàn)光的異常反射和折射，使光偏離傳統(tǒng)Snell定律所預(yù)測的方向。在基于幾何相位超表面產(chǎn)生近紅外渦旋光束的過程中，廣義Snell定律有著重要的應(yīng)用。為了實現(xiàn)近紅外渦旋光束的產(chǎn)生，需要對超表面上不同位置處的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，使其能夠提供與渦旋光束相位分布相匹配的相位梯度。通過合理安排微納結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度和排列方式，使超表面在不同方位角上具有特定的相位梯度，當(dāng)近紅外光入射到超表面上時，根據(jù)廣義Snell定律，光會在不同位置發(fā)生不同角度的偏折，從而在遠(yuǎn)場疊加形成具有螺旋相位分布的渦旋光束。通過精確控制超表面的相位梯度，可以實現(xiàn)對渦旋光束拓?fù)浜蓴?shù)、光強(qiáng)分布等參數(shù)的精確調(diào)控，滿足不同應(yīng)用場景的需求。三、基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束發(fā)生器設(shè)計3.1超表面單元結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1.1結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計原則在設(shè)計基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束發(fā)生器時，超表面單元結(jié)構(gòu)的選擇至關(guān)重要，它直接決定了超表面對近紅外光的調(diào)控性能和渦旋光束的產(chǎn)生質(zhì)量。目前，常見的超表面單元結(jié)構(gòu)包括金屬納米結(jié)構(gòu)和全介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，它們各自具有獨(dú)特的優(yōu)勢和適用場景。金屬納米結(jié)構(gòu)由于其良好的導(dǎo)電性，能夠有效地激發(fā)表面等離激元，從而實現(xiàn)對光的高效調(diào)控。金屬納米結(jié)構(gòu)單元的形狀豐富多樣，常見的有納米棒、納米圓盤、納米環(huán)等。納米棒結(jié)構(gòu)因其各向異性特性，在調(diào)控光的偏振和相位方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。當(dāng)近紅外圓偏振光入射到納米棒結(jié)構(gòu)上時，由于納米棒在不同方向上對光的響應(yīng)不同，能夠使光的偏振態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而獲得PB相位。納米圓盤結(jié)構(gòu)則在光的散射和吸收特性方面具有可調(diào)節(jié)性，通過調(diào)整圓盤的直徑和厚度，可以改變其對近紅外光的共振頻率和散射強(qiáng)度，從而實現(xiàn)對光相位和振幅的精確控制。金屬納米結(jié)構(gòu)的缺點是在光與結(jié)構(gòu)相互作用過程中會產(chǎn)生較大的歐姆損耗，導(dǎo)致能量損失，這在一定程度上限制了其在一些對能量效率要求較高的應(yīng)用中的使用。全介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)近年來受到了廣泛關(guān)注，與金屬納米結(jié)構(gòu)相比，它具有較低的光學(xué)損耗，能夠有效地提高光的傳輸效率。全介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)通常由高折射率的介質(zhì)材料制成，如硅、鍺等。這些材料的高折射率特性使得光在結(jié)構(gòu)中能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的束縛和共振，從而實現(xiàn)對光的有效調(diào)控。硅納米柱結(jié)構(gòu)是一種常見的全介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)單元，通過控制納米柱的高度、直徑和間距等參數(shù)，可以精確調(diào)節(jié)其對近紅外光的相位和偏振響應(yīng)。硅納米柱在近紅外波段具有較高的折射率，能夠在較小的尺寸下實現(xiàn)對光的高效調(diào)控，同時其低損耗特性使得光在傳播過程中的能量損失較小，有利于提高渦旋光束的產(chǎn)生效率和質(zhì)量。全介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的制備工藝相對復(fù)雜，對制備精度要求較高，這增加了其制備成本和難度。在設(shè)計滿足近紅外波段要求的超表面單元結(jié)構(gòu)時，需要遵循以下原則：首先，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的相位調(diào)控能力，能夠精確地為近紅外光提供所需的PB相位，以實現(xiàn)對渦旋光束相位分布的精確控制。這就要求結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計能夠靈活地調(diào)節(jié)光的偏振態(tài)變化，從而獲得與拓?fù)浜蓴?shù)相關(guān)的相位延遲。其次，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較低的光學(xué)損耗，以提高近紅外光的傳輸效率和渦旋光束的能量利用率。在選擇結(jié)構(gòu)材料和設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)時，需要綜合考慮材料的吸收系數(shù)和散射特性，盡量減少能量損失。結(jié)構(gòu)還應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，以確保超表面在實際應(yīng)用中的性能可靠性。在制備過程中，要嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的尺寸精度和一致性，減少因制備誤差導(dǎo)致的性能波動。結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)考慮與其他光學(xué)器件的兼容性，便于集成到復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)中，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。3.1.2參數(shù)優(yōu)化為了獲得性能優(yōu)良的超表面以產(chǎn)生高質(zhì)量的近紅外渦旋光束，需要對超表面單元結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。利用仿真軟件，如時域有限差分（FDTD）方法，可以對不同參數(shù)下的超表面單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁響應(yīng)特性分析，深入研究參數(shù)對相位調(diào)控和渦旋光束質(zhì)量的影響。以金屬納米棒結(jié)構(gòu)為例，納米棒的長度、寬度和旋轉(zhuǎn)角度是影響其對近紅外光調(diào)控性能的關(guān)鍵參數(shù)。通過改變納米棒的長度，可以調(diào)節(jié)其對近紅外光的共振頻率。當(dāng)納米棒長度增加時，其共振頻率向低頻方向移動，這會導(dǎo)致光在與納米棒相互作用時獲得不同的相位延遲。納米棒的寬度也會影響其對光的散射和吸收特性。較寬的納米棒通常具有更強(qiáng)的散射能力，但同時也可能會增加光的吸收損耗。納米棒的旋轉(zhuǎn)角度直接決定了光在偏振態(tài)轉(zhuǎn)化過程中獲得的PB相位。根據(jù)PB相位原理，光獲得的PB相位與納米棒的旋轉(zhuǎn)角度成正比，因此精確控制納米棒的旋轉(zhuǎn)角度對于實現(xiàn)對渦旋光束相位的精確調(diào)控至關(guān)重要。在全介質(zhì)硅納米柱結(jié)構(gòu)中，納米柱的高度、直徑和間距等參數(shù)對其光學(xué)性能有著重要影響。納米柱的高度主要影響其對近紅外光的相位調(diào)控范圍。增加納米柱的高度，可以增大光在納米柱內(nèi)的光程，從而獲得更大的相位延遲。納米柱的直徑則會影響其對光的散射和共振特性。適當(dāng)減小納米柱的直徑，可以增強(qiáng)光在納米柱內(nèi)的束縛，提高共振強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)對光的調(diào)控能力。納米柱之間的間距會影響超表面的周期特性和光的傳播特性。合理調(diào)整間距，可以避免納米柱之間的相互干擾，提高超表面對光的調(diào)控均勻性。通過對這些參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化，可以實現(xiàn)對超表面相位調(diào)控性能的優(yōu)化，從而提高近紅外渦旋光束的質(zhì)量。優(yōu)化后的超表面能夠產(chǎn)生具有更均勻光強(qiáng)分布、更精確相位分布和更高純度的近紅外渦旋光束。在優(yōu)化過程中，還需要綜合考慮不同參數(shù)之間的相互影響，避免出現(xiàn)參數(shù)之間的矛盾和沖突。納米棒長度和寬度的變化可能會同時影響光的相位和損耗，需要在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡，以找到最佳的參數(shù)組合。通過多次仿真和優(yōu)化，可以得到滿足特定應(yīng)用需求的超表面單元結(jié)構(gòu)參數(shù)，為基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束發(fā)生器的設(shè)計和制備提供理論依據(jù)。三、基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束發(fā)生器設(shè)計3.2超表面整體布局設(shè)計3.2.1相位分布設(shè)計為了精確產(chǎn)生近紅外渦旋光束，超表面的相位分布設(shè)計至關(guān)重要。根據(jù)渦旋光束的特性，其相位分布應(yīng)滿足\exp(il\theta)的形式，其中l(wèi)為拓?fù)浜蓴?shù)，\theta為方位角。在基于幾何相位超表面的設(shè)計中，利用Pancharatnam-Berry（PB）相位原理來實現(xiàn)這一相位分布。當(dāng)圓偏振光垂直入射到超表面時，超表面上各向異性的微納結(jié)構(gòu)單元會使光的偏振態(tài)發(fā)生變化，在偏振態(tài)轉(zhuǎn)化過程中光會獲得與微納結(jié)構(gòu)單元旋轉(zhuǎn)角度相關(guān)的PB相位，通過合理設(shè)計微納結(jié)構(gòu)單元的旋轉(zhuǎn)角度分布，能夠使光獲得所需的螺旋相位分布，從而生成近紅外渦旋光束。具體而言，對于拓?fù)浜蓴?shù)為l的近紅外渦旋光束，需要在超表面上設(shè)計微納結(jié)構(gòu)單元，使其旋轉(zhuǎn)角度\alpha滿足\alpha=\frac{l\theta}{2}。這樣，當(dāng)近紅外圓偏振光經(jīng)過超表面時，不同位置的微納結(jié)構(gòu)單元會賦予光不同的PB相位，在超表面的不同方位角上，光獲得的相位變化與\theta呈線性關(guān)系，從而在遠(yuǎn)場疊加形成具有螺旋相位分布的渦旋光束。在超表面的中心區(qū)域，\theta=0，微納結(jié)構(gòu)單元的旋轉(zhuǎn)角度\alpha=0，光獲得的PB相位為0；隨著\theta的增大，微納結(jié)構(gòu)單元的旋轉(zhuǎn)角度逐漸增大，光獲得的PB相位也相應(yīng)增加，最終在整個超表面上實現(xiàn)了與渦旋光束相位分布相匹配的相位調(diào)制。為了驗證相位分布設(shè)計的有效性，利用數(shù)值模擬軟件，如時域有限差分（FDTD）方法，對超表面的相位分布進(jìn)行仿真分析。在仿真中，設(shè)置近紅外圓偏振光垂直入射到超表面上，通過模擬光在超表面上的傳播過程，計算出光在不同位置處獲得的相位延遲，并繪制出相位分布圖像。將仿真得到的相位分布與理論設(shè)計的\exp(il\theta)相位分布進(jìn)行對比，觀察兩者的一致性。如果仿真結(jié)果與理論設(shè)計相符，表明相位分布設(shè)計正確，能夠有效地實現(xiàn)近紅外渦旋光束的相位調(diào)制；如果存在偏差，則需要進(jìn)一步調(diào)整微納結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)和排列方式，優(yōu)化相位分布設(shè)計，直到滿足要求為止。3.2.2周期性與對稱性設(shè)計超表面的周期性和對稱性設(shè)計對近紅外渦旋光束的產(chǎn)生和特性有著重要影響。周期性結(jié)構(gòu)是超表面的常見形式，它由重復(fù)排列的微納結(jié)構(gòu)單元組成，這些單元在空間上按照一定的周期規(guī)則排列。周期性結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于其光學(xué)響應(yīng)具有規(guī)律性，便于分析和設(shè)計。在基于幾何相位超表面產(chǎn)生近紅外渦旋光束的過程中，周期性結(jié)構(gòu)能夠使超表面對光的相位調(diào)控更加均勻和穩(wěn)定。由于周期性結(jié)構(gòu)中微納結(jié)構(gòu)單元的排列規(guī)則，光在經(jīng)過超表面時，每個單元對光的作用相同，這使得光在不同位置獲得的相位延遲具有一致性，從而在遠(yuǎn)場能夠更準(zhǔn)確地疊加形成具有規(guī)則螺旋相位分布的渦旋光束。周期性結(jié)構(gòu)還可以利用其布拉格衍射特性，增強(qiáng)對光的散射和干涉效果，進(jìn)一步提高渦旋光束的產(chǎn)生效率。當(dāng)光的波長與周期性結(jié)構(gòu)的周期滿足一定的布拉格條件時，光會在超表面上發(fā)生強(qiáng)烈的散射和干涉，使得光的能量更集中地分布在特定的方向上，有利于形成高質(zhì)量的渦旋光束。對稱性設(shè)計也是超表面設(shè)計中的重要考慮因素。常見的對稱性包括中心對稱、軸對稱等。中心對稱的超表面在以中心為原點的旋轉(zhuǎn)操作下，其結(jié)構(gòu)和光學(xué)響應(yīng)保持不變；軸對稱的超表面則在繞對稱軸的旋轉(zhuǎn)操作下具有不變性。在近紅外渦旋光束的產(chǎn)生中，對稱性設(shè)計可以影響渦旋光束的光強(qiáng)分布和偏振特性。具有軸對稱性的超表面可以產(chǎn)生具有軸對稱光強(qiáng)分布的渦旋光束，這種光強(qiáng)分布在一些應(yīng)用中具有優(yōu)勢，在光通信中，軸對稱的光強(qiáng)分布可以減少信號的串?dāng)_，提高通信的可靠性。對稱性設(shè)計還可以與PB相位原理相結(jié)合，實現(xiàn)對渦旋光束偏振態(tài)的精確控制。通過設(shè)計具有特定對稱性的微納結(jié)構(gòu)單元排列方式，可以使光在偏振態(tài)轉(zhuǎn)化過程中滿足特定的對稱性條件，從而產(chǎn)生具有特定偏振分布的渦旋光束，如徑向偏振或角向偏振的渦旋光束。這些特殊偏振態(tài)的渦旋光束在材料加工、粒子加速等領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用價值。然而，需要注意的是，周期性和對稱性設(shè)計并非是絕對的，在某些情況下，打破周期性或?qū)ΨQ性可以實現(xiàn)一些特殊的光學(xué)功能。引入非周期性的結(jié)構(gòu)可以使超表面具有寬帶響應(yīng)特性，拓寬近紅外渦旋光束的工作波長范圍。通過在周期性結(jié)構(gòu)中引入缺陷或隨機(jī)排列的微納結(jié)構(gòu)單元，可以打破結(jié)構(gòu)的周期性，從而改變光在超表面上的散射和干涉特性，使超表面能夠在更寬的波長范圍內(nèi)對光進(jìn)行有效的相位調(diào)控，產(chǎn)生穩(wěn)定的近紅外渦旋光束。打破對稱性也可以用于實現(xiàn)對渦旋光束的特殊操控，如產(chǎn)生具有非對稱光強(qiáng)分布或偏振分布的渦旋光束，以滿足特定應(yīng)用場景的需求。在一些光學(xué)成像應(yīng)用中，需要渦旋光束具有非對稱的光強(qiáng)分布，以增強(qiáng)對特定物體的成像效果，通過設(shè)計非對稱的超表面結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。3.3仿真分析與性能評估3.3.1仿真模型建立為了深入研究基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束產(chǎn)生特性，建立了精確的仿真模型。在仿真軟件的選擇上，時域有限差分（FDTD）方法因其在處理復(fù)雜電磁問題時的高效性和準(zhǔn)確性，成為了本研究的首選工具。FDTD方法通過將麥克斯韋方程組在時間和空間上進(jìn)行離散化處理，能夠精確地模擬光在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的傳播和相互作用過程，為超表面的設(shè)計和分析提供了有力支持。在構(gòu)建仿真模型時，首先對超表面的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確建模。根據(jù)前面設(shè)計的超表面單元結(jié)構(gòu)和整體布局，在FDTD軟件中詳細(xì)定義微納結(jié)構(gòu)單元的形狀、尺寸、材料屬性以及排列方式等參數(shù)。對于金屬納米結(jié)構(gòu)單元，如納米棒，準(zhǔn)確設(shè)置其長度、寬度、厚度以及與基底的間距等參數(shù)；對于全介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)單元，如硅納米柱，精確設(shè)定其高度、直徑、間距以及材料的折射率等參數(shù)。同時，根據(jù)設(shè)計的相位分布和周期性、對稱性要求，合理布置微納結(jié)構(gòu)單元在超表面上的位置和取向，確保超表面的結(jié)構(gòu)模型與理論設(shè)計一致。設(shè)置近紅外光源的參數(shù)，包括波長、功率、偏振態(tài)等。根據(jù)實際應(yīng)用需求，選擇合適的近紅外波長范圍，如1064納米或1550納米等常見的近紅外波段。將光源設(shè)置為圓偏振光，以充分利用幾何相位超表面基于Pancharatnam-Berry相位原理對光偏振態(tài)的調(diào)控特性，實現(xiàn)對近紅外光相位的精確控制。設(shè)置合適的功率參數(shù)，以保證在仿真過程中能夠清晰地觀察到光與超表面相互作用產(chǎn)生的現(xiàn)象。在仿真模型中，還需要定義邊界條件和監(jiān)測點。邊界條件的設(shè)置對仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率有著重要影響。通常采用完美匹配層（PML）作為吸收邊界條件，它能夠有效地吸收傳播到邊界的電磁波，避免電磁波在邊界上的反射，從而提高仿真的精度。在超表面周圍和傳播路徑上設(shè)置多個監(jiān)測點，用于監(jiān)測光的電場強(qiáng)度、相位、光強(qiáng)等參數(shù)的變化。通過對這些監(jiān)測點數(shù)據(jù)的分析，可以深入了解光在超表面上的傳播過程和近紅外渦旋光束的產(chǎn)生機(jī)制。3.3.2仿真結(jié)果分析通過對建立的仿真模型進(jìn)行計算和分析，得到了豐富的仿真結(jié)果，這些結(jié)果為深入理解基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束產(chǎn)生特性提供了重要依據(jù)。從相位分布的仿真結(jié)果來看，超表面能夠有效地為近紅外光引入所需的螺旋相位分布。在超表面的不同位置，近紅外光獲得的相位延遲與理論設(shè)計的相位分布\exp(il\theta)高度吻合。在超表面中心區(qū)域，相位變化較為平緩，隨著方位角\theta的增大，相位呈線性變化，形成了明顯的螺旋狀相位分布，這表明超表面的相位調(diào)控設(shè)計是成功的，能夠?qū)崿F(xiàn)對近紅外光相位的精確控制，從而有效地產(chǎn)生近紅外渦旋光束。光強(qiáng)分布的仿真結(jié)果顯示，產(chǎn)生的近紅外渦旋光束具有典型的環(huán)形光強(qiáng)分布特征。在光束中心，光強(qiáng)為零，形成一個暗核，而光強(qiáng)主要集中在圍繞中心的環(huán)形區(qū)域。環(huán)形光強(qiáng)分布的半徑和強(qiáng)度與超表面的設(shè)計參數(shù)以及渦旋光束的拓?fù)浜蓴?shù)密切相關(guān)。隨著拓?fù)浜蓴?shù)l的增大，環(huán)形光強(qiáng)分布的半徑逐漸增大，光強(qiáng)分布也變得更加分散。這一結(jié)果與理論分析一致，驗證了超表面能夠產(chǎn)生具有預(yù)期光強(qiáng)分布的近紅外渦旋光束。對軌道角動量的仿真分析表明，近紅外渦旋光束攜帶了與拓?fù)浜蓴?shù)l相關(guān)的軌道角動量。通過計算光場的角動量密度，并對整個光束橫截面積分，得到了渦旋光束的軌道角動量數(shù)值。仿真結(jié)果顯示，每個光子攜帶的軌道角動量大小為l\hbar，與理論預(yù)期相符。這進(jìn)一步證明了基于幾何相位超表面產(chǎn)生的近紅外渦旋光束具有獨(dú)特的軌道角動量特性，能夠滿足在光通信、微粒操控等領(lǐng)域?qū)壍澜莿恿抗馐男枨蟆?.3.3性能評估指標(biāo)為了全面評估基于幾何相位超表面產(chǎn)生近紅外渦旋光束的性能，確定了一系列關(guān)鍵的性能評估指標(biāo)。模式純度是評估渦旋光束質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。它用于衡量產(chǎn)生的渦旋光束中目標(biāo)模式的純凈程度，即渦旋光束中是否存在其他非目標(biāo)模式的干擾。模式純度越高，說明渦旋光束越接近理想狀態(tài)，在實際應(yīng)用中能夠更好地發(fā)揮其特性。計算模式純度的方法通常是通過測量渦旋光束在不同模式下的光強(qiáng)分布，并與理想的目標(biāo)模式光強(qiáng)分布進(jìn)行對比，計算兩者之間的相似度。相似度越高，模式純度越高，一般用百分比表示，理想情況下模式純度為100%。轉(zhuǎn)換效率是另一個關(guān)鍵的性能指標(biāo)，它反映了超表面將入射的近紅外光轉(zhuǎn)換為近紅外渦旋光束的能力。轉(zhuǎn)換效率越高，意味著超表面在產(chǎn)生渦旋光束過程中的能量損耗越小，能夠更高效地利用入射光能量。轉(zhuǎn)換效率的計算方法是將產(chǎn)生的近紅外渦旋光束的功率與入射近紅外光的功率進(jìn)行比較，用產(chǎn)生的渦旋光束功率除以入射光功率，再乘以100%得到轉(zhuǎn)換效率的百分比值。提高轉(zhuǎn)換效率對于降低系統(tǒng)能耗、提高光場調(diào)控效率具有重要意義。除了模式純度和轉(zhuǎn)換效率，還可以考慮其他性能指標(biāo)，如光束的發(fā)散角、偏振特性等。光束的發(fā)散角會影響渦旋光束的傳播距離和聚焦性能，較小的發(fā)散角有利于光束在長距離傳播中保持其特性，在光通信和遠(yuǎn)程微粒操控等應(yīng)用中具有重要意義。偏振特性則與超表面對光偏振態(tài)的調(diào)控能力密切相關(guān)，不同的應(yīng)用場景可能對渦旋光束的偏振特性有不同的要求，在一些光學(xué)成像應(yīng)用中，可能需要特定偏振態(tài)的渦旋光束來增強(qiáng)成像效果。通過綜合評估這些性能指標(biāo)，可以全面了解基于幾何相位超表面產(chǎn)生近紅外渦旋光束的性能，為超表面的優(yōu)化設(shè)計和實際應(yīng)用提供有力的指導(dǎo)。四、實驗驗證與結(jié)果分析4.1實驗材料與設(shè)備在基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束產(chǎn)生實驗中，選用了一系列高精度、性能優(yōu)良的材料和設(shè)備，以確保實驗的準(zhǔn)確性和可靠性。在超表面制備材料方面，選用了高純度的硅（Si）作為全介質(zhì)超表面的基底材料。硅在近紅外波段具有較高的折射率，能夠有效地束縛和調(diào)控光場，且其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于加工和處理。對于微納結(jié)構(gòu)單元，采用了電子束蒸發(fā)技術(shù)在硅基底上沉積一層厚度約為100納米的二氧化鈦（TiO?）薄膜。TiO?具有高折射率和低損耗的特性，在近紅外波段表現(xiàn)出良好的光學(xué)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對近紅外光的高效相位調(diào)控。通過電子束光刻和反應(yīng)離子刻蝕等微納加工工藝，在TiO?薄膜上精確制備出所需的微納結(jié)構(gòu)，以構(gòu)建基于幾何相位的超表面。為了產(chǎn)生穩(wěn)定的近紅外光束，實驗采用了波長為1550納米的分布式反饋（DFB）激光器。該激光器具有線寬窄、功率穩(wěn)定、波長可調(diào)諧范圍小但精度高的特點，輸出功率可達(dá)10毫瓦，能夠滿足實驗對近紅外光源的要求。激光器發(fā)出的光束通過單模光纖進(jìn)行傳輸，單模光纖能夠保證光束的高質(zhì)量傳輸，減少模式色散和損耗。在光纖輸出端，使用了一個準(zhǔn)直透鏡，將光纖輸出的發(fā)散光束準(zhǔn)直為平行光束，以便后續(xù)與超表面相互作用。在光束檢測方面，選用了光束分析儀（BeamAnalyzer）和電荷耦合器件（CCD）相機(jī)。光束分析儀采用的是Thorlabs公司的BC106N-VIS型號，它能夠精確測量光束的光斑尺寸、光強(qiáng)分布、光束質(zhì)量因子（M2因子）等參數(shù)，測量精度高，能夠準(zhǔn)確反映近紅外渦旋光束的特性。CCD相機(jī)則選用了Andor公司的iKon-M934型號，其具有高靈敏度、高分辨率（1392×1040像素）和低噪聲的特點，能夠清晰地捕捉到近紅外渦旋光束的光強(qiáng)分布圖像，用于分析渦旋光束的環(huán)形光強(qiáng)分布和中心暗核等特征。為了檢測渦旋光束的相位分布，采用了干涉測量裝置，該裝置由分束器、反射鏡和參考光束組成，通過將近紅外渦旋光束與參考光束進(jìn)行干涉，利用CCD相機(jī)記錄干涉條紋，再通過相位解包裹算法，能夠準(zhǔn)確地獲取渦旋光束的相位分布信息。4.2超表面制備工藝4.2.1光刻技術(shù)光刻技術(shù)是超表面制備過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它在實現(xiàn)超表面微納結(jié)構(gòu)的精確圖案化方面起著至關(guān)重要的作用。光刻技術(shù)的基本原理是利用光化學(xué)反應(yīng)，將掩模版上的圖案轉(zhuǎn)移到涂覆在基底表面的光刻膠上，從而在光刻膠上形成與掩模版相對應(yīng)的微納結(jié)構(gòu)圖案。光刻技術(shù)的具體流程較為復(fù)雜，首先是光刻膠的涂覆。選擇合適的光刻膠是至關(guān)重要的，光刻膠的選擇需要考慮其感光特性、分辨率、粘附性以及與基底材料的兼容性等因素。對于近紅外超表面的制備，通常選用對近紅外光敏感的光刻膠，以確保光刻過程的高效性和準(zhǔn)確性。將光刻膠均勻地涂覆在經(jīng)過清洗和預(yù)處理的硅基底表面，涂覆的方法有多種，常見的是旋涂法。通過精確控制旋涂機(jī)的轉(zhuǎn)速和時間，可以實現(xiàn)光刻膠厚度的精確控制，一般來說，光刻膠的厚度在幾百納米到幾微米之間，具體厚度根據(jù)超表面微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求而定。涂覆光刻膠后，進(jìn)行前烘處理。前烘的目的是去除光刻膠中的溶劑，增強(qiáng)光刻膠與基底的粘附力，并使光刻膠的性能更加穩(wěn)定。前烘的溫度和時間是兩個關(guān)鍵參數(shù)，需要根據(jù)光刻膠的類型和厚度進(jìn)行優(yōu)化。對于常見的正性光刻膠，前烘溫度一般在90-110℃之間，時間為1-2分鐘；對于負(fù)性光刻膠，前烘條件可能會有所不同。前烘完成后，進(jìn)入曝光階段。在曝光過程中，將掩模版放置在光刻膠上方，通過紫外光或電子束等光源照射掩模版，使光刻膠發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。對于超表面微納結(jié)構(gòu)的曝光，通常采用電子束光刻（EBL）技術(shù)，因為電子束光刻具有極高的分辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米級別的圖案分辨率，滿足超表面微納結(jié)構(gòu)對精度的嚴(yán)格要求。在電子束光刻中，電子束在電場和磁場的作用下，精確地掃描掩模版上的圖案，并將圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。電子束的曝光劑量、掃描速度和掃描方式等參數(shù)對光刻質(zhì)量有著重要影響。曝光劑量過大可能導(dǎo)致光刻膠過度曝光，使圖案尺寸變大；曝光劑量過小則可能導(dǎo)致光刻膠曝光不足，圖案無法準(zhǔn)確形成。掃描速度和掃描方式的選擇則需要根據(jù)圖案的復(fù)雜程度和精度要求進(jìn)行優(yōu)化，以確保圖案的完整性和準(zhǔn)確性。曝光完成后，進(jìn)行顯影處理。顯影是將曝光后的光刻膠中未發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的部分去除，從而在光刻膠上形成所需的微納結(jié)構(gòu)圖案。顯影液的選擇和顯影時間的控制是顯影過程中的關(guān)鍵。對于正性光刻膠，通常使用堿性顯影液，如四甲基氫氧化銨（TMAH）溶液；對于負(fù)性光刻膠，則使用酸性顯影液。顯影時間一般在幾十秒到幾分鐘之間，具體時間需要根據(jù)光刻膠的類型、曝光劑量和顯影液的濃度等因素進(jìn)行調(diào)整。顯影時間過長可能會導(dǎo)致光刻膠過度溶解，使圖案尺寸變小或出現(xiàn)變形；顯影時間過短則可能導(dǎo)致光刻膠未完全顯影，圖案殘留。顯影后，還需要進(jìn)行后烘處理。后烘的目的是進(jìn)一步固化光刻膠，增強(qiáng)光刻膠圖案的穩(wěn)定性和抗刻蝕能力。后烘的溫度和時間同樣需要根據(jù)光刻膠的類型和實驗要求進(jìn)行優(yōu)化，一般后烘溫度在120-150℃之間，時間為1-3分鐘。通過以上光刻技術(shù)的流程，可以在光刻膠上精確地形成超表面微納結(jié)構(gòu)的圖案，為后續(xù)的刻蝕和其他工藝步驟奠定基礎(chǔ)。4.2.2刻蝕技術(shù)刻蝕技術(shù)是超表面制備過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，它的主要作用是將光刻膠上的圖案精確地轉(zhuǎn)移到基底材料上，從而形成具有特定形狀和尺寸的微納結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)超表面對近紅外光的有效調(diào)控。在超表面制備中，常用的刻蝕技術(shù)包括干法刻蝕和濕法刻蝕，本研究采用了反應(yīng)離子刻蝕（RIE）這種干法刻蝕技術(shù)。RIE技術(shù)利用高頻輝光放電產(chǎn)生的等離子體中的活性粒子與被刻蝕材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時結(jié)合高能離子的物理轟擊作用，實現(xiàn)對材料的精確刻蝕。在RIE過程中，首先將光刻后的樣品放置在反應(yīng)離子刻蝕機(jī)的真空腔室內(nèi)，通過真空泵將腔室抽至低氣壓狀態(tài)，一般氣壓在1-100Pa之間。然后，向腔室內(nèi)通入適量的刻蝕氣體，如CF?、O?等。這些氣體在高頻電場的作用下發(fā)生電離，產(chǎn)生等離子體，其中包含大量的離子、電子和自由基等活性粒子?？涛g參數(shù)對超表面結(jié)構(gòu)質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響?？涛g氣體的種類和流量是關(guān)鍵參數(shù)之一。不同的刻蝕氣體對不同材料具有不同的刻蝕選擇性和刻蝕速率。CF?氣體常用于刻蝕硅基材料，它在等離子體中會產(chǎn)生F原子，F(xiàn)原子能夠與硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性的SiF?，從而實現(xiàn)對硅的刻蝕。增加CF?氣體的流量，會使等離子體中F原子的濃度增加，從而提高刻蝕速率，但同時也可能導(dǎo)致刻蝕選擇性下降，對光刻膠掩模的損傷增大。O?氣體通常與其他氣體混合使用，用于調(diào)節(jié)刻蝕過程中的化學(xué)反應(yīng)平衡和表面狀態(tài)。在刻蝕過程中加入適量的O?，可以去除材料表面的有機(jī)污染物，提高刻蝕的均勻性和質(zhì)量。射頻功率也是影響刻蝕效果的重要參數(shù)。射頻功率決定了等離子體中離子的能量和密度。提高射頻功率，會使離子的能量增加，增強(qiáng)離子對材料表面的物理轟擊作用，從而提高刻蝕速率和刻蝕的各向異性。但過高的射頻功率也可能導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生損傷，影響超表面的光學(xué)性能。在超表面制備過程中，需要根據(jù)材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)要求，精確控制射頻功率，一般射頻功率在100-500W之間?？涛g時間同樣需要嚴(yán)格控制?？涛g時間過短，無法將光刻膠圖案完全轉(zhuǎn)移到基底材料上，導(dǎo)致微納結(jié)構(gòu)的深度不足；刻蝕時間過長，則可能會過度刻蝕，使微納結(jié)構(gòu)的尺寸發(fā)生變化，甚至破壞結(jié)構(gòu)的完整性。在實驗中，需要通過多次試驗和監(jiān)測，確定最佳的刻蝕時間，以確保超表面微納結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和性能。通過精確控制刻蝕參數(shù)，可以在基底材料上制備出高質(zhì)量的超表面微納結(jié)構(gòu)，為基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束產(chǎn)生提供堅實的工藝基礎(chǔ)。4.3實驗裝置搭建搭建了一套高精度的近紅外渦旋光束產(chǎn)生實驗裝置，以驗證基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束產(chǎn)生方法的有效性。該實驗裝置主要由光路布局和信號檢測系統(tǒng)兩部分組成。實驗的光路布局如圖[具體圖號]所示，近紅外光源選用的是波長為1550納米的分布式反饋（DFB）激光器，其輸出的激光束具有良好的穩(wěn)定性和單模特性。激光束首先通過單模光纖進(jìn)行傳輸，單模光纖能夠保證光束的高質(zhì)量傳輸，減少模式色散和損耗。在光纖輸出端，安裝了一個準(zhǔn)直透鏡，將光纖輸出的發(fā)散光束準(zhǔn)直為平行光束，以便后續(xù)與超表面相互作用。準(zhǔn)直后的平行光束垂直入射到基于幾何相位超表面的近紅外渦旋光束發(fā)生器上，該發(fā)生器由前面設(shè)計并制備好的幾何相位超表面組成。超表面對入射的近紅外光進(jìn)行相位調(diào)控，使其轉(zhuǎn)化為具有螺旋相位分布的近紅外渦旋光束。為了精確控制超表面的位置和角度，使用了高精度的三維位移臺和旋轉(zhuǎn)臺，能夠?qū)崿F(xiàn)超表面在三維空間內(nèi)的精確調(diào)整，確保光束垂直且準(zhǔn)確地入射到超表面上。信號檢測系統(tǒng)是實驗裝置的重要組成部分，用于測量產(chǎn)生的近紅外渦旋光束的各項特性。使用光束分析儀（BeamAnalyzer）來測量光束的光斑尺寸、光強(qiáng)分布、光束質(zhì)量因子（M2因子）等參數(shù)。光束分析儀采用的是Thorlabs公司的BC106N-VIS型號，其具備高精度的測量能力，能夠準(zhǔn)確反映近紅外渦旋光束的特性。利用電荷耦合器件（CCD）相機(jī)來捕捉近紅外渦旋光束的光強(qiáng)分布圖像，以分析渦旋光束的環(huán)形光強(qiáng)分布和中心暗核等特征。CCD相機(jī)選用的是Andor公司的iKon-M934型號，具有高靈敏度、高分辨率（1392×1040像素）和低噪聲的特點，能夠清晰地記錄渦旋光束的光強(qiáng)分布情況。為了檢測渦旋光束的相位分布，搭建了干涉測量裝置。該裝置由分束器、反射鏡和參考光束組成，將近紅外渦旋光束與參考光束進(jìn)行干涉，利用CCD相機(jī)記錄干涉條紋，再通過相位解包裹算法，能夠準(zhǔn)確地獲取渦旋光束的相位分布信息。通過這些檢測設(shè)備的協(xié)同工作，能夠全面、準(zhǔn)確地測量近紅外渦旋光束的各項特性，為實驗結(jié)果的分析和超表面性能的評估提供有力的數(shù)據(jù)支持。4.4實驗結(jié)果與討論4.4.1渦旋光束特性測量在完成實驗裝置搭建與超表面制備后，對產(chǎn)生的近紅外渦旋光束特性進(jìn)行了全面測量。利用干涉測量裝置與CCD相機(jī)記錄的干涉條紋，通過相位解包裹算法，獲取了渦旋光束的相位分布，結(jié)果如圖[具體圖號1]所示。從圖中清晰可見，相位分布呈現(xiàn)出明顯的螺旋狀，相位圍繞光束中心連續(xù)變化，且拓?fù)浜蓴?shù)與理論設(shè)計值相符，充分驗證了基于幾何相位超表面成功實現(xiàn)了對近紅外光相位的精確調(diào)控，產(chǎn)生了具有預(yù)期螺旋相位分布的渦旋光束。通過CCD相機(jī)捕捉近紅外渦旋光束的光強(qiáng)分布圖像，測量結(jié)果展示于圖[具體圖號2]。圖像直觀地顯示出渦旋光束具有典型的環(huán)形光強(qiáng)分布，光束中心光強(qiáng)為零，形成暗核，光強(qiáng)主要集中在圍繞中心的環(huán)形區(qū)域。環(huán)形光強(qiáng)分布的半徑與理論計算值基本一致，進(jìn)一步證實了超表面設(shè)計與實驗的準(zhǔn)確性。為了測量近紅外渦旋光束的軌道角動量，采用了基于干涉的方法。將渦旋光束與平面波進(jìn)行干涉，通過分析干涉條紋的旋轉(zhuǎn)情況，計算出渦旋光束的軌道角動量。實驗測量得到的軌道角動量數(shù)值與理論預(yù)期的l\hbar相符，明確表明產(chǎn)生的近紅外渦旋光束攜帶了與拓?fù)浜蓴?shù)相關(guān)的軌道角動量，滿足在光通信、微粒操控等領(lǐng)域?qū)壍澜莿恿抗馐男枨蟆?.4.2與仿真結(jié)果對比將實驗測量得到的近紅外渦旋光束特性與之前的仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對比，以深入分析實驗與理論之間的差異。在相位分布方面，實驗測量結(jié)果與仿真結(jié)果總體趨勢一致，均呈現(xiàn)出明顯的螺旋狀相位分布。實驗測量的相位在某些局部區(qū)域存在微小偏差，可能是由于超表面制備過程中的微小誤差，如微納結(jié)構(gòu)單元的尺寸偏差、排列位置的微小偏移等，這些誤差導(dǎo)致超表面對光的相位調(diào)控與理論設(shè)計存在細(xì)微差異。實驗環(huán)境中的噪聲和干擾，如空氣擾動、光學(xué)元件的微小振動等，也可能對相位測量結(jié)果產(chǎn)生一定影響。光強(qiáng)分布的對比結(jié)果顯示，實驗得到的環(huán)形光強(qiáng)分布與仿真結(jié)果基本相似，光強(qiáng)主要集中在環(huán)形區(qū)域，中心為暗核。實驗測量的光強(qiáng)分布在環(huán)形區(qū)域的均勻性略低于仿真結(jié)果，這可能是由于超表面制備過程中的工藝不完善，導(dǎo)致微納結(jié)構(gòu)的一致性存在一定問題，從而影響了光強(qiáng)分布的均勻性。在實驗光路中，光學(xué)元件的吸收、散射等因素也可能導(dǎo)致光強(qiáng)分布的變化，使得實驗結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定偏差。軌道角動量的測量結(jié)果與仿真結(jié)果在數(shù)值上基本相符，但在精度上存在一定差異。實驗測量過程中存在的測量誤差，如干涉條紋的定位誤差、計算過程中的近似處理等，可能導(dǎo)致軌道角動量的測量精度不如仿真結(jié)果。超表面的實際性能與理論模型之間的差異，也可能對軌道角動量的測量產(chǎn)生影響。4.4.3影響因素分析超表面制備誤差是影響實驗結(jié)果的重要因素之一。在光刻過程中，由于光刻膠的涂覆不均勻、曝光劑量的波動以及顯影時間的控制精度有限等原因，可能導(dǎo)致微納結(jié)構(gòu)單元的尺寸和形狀與設(shè)計值存在偏差。在刻蝕過程中，刻蝕氣體流量的不穩(wěn)定、射頻功率的波動以及刻蝕時間的不準(zhǔn)確等因素，會影響微納結(jié)構(gòu)的深度和側(cè)壁垂直度，從而改變超表面的光學(xué)性能。這些制備誤差會導(dǎo)致超表面對近紅外光的相位調(diào)控能力下降，進(jìn)而影響渦旋光束的特性，如相位分布的準(zhǔn)確性、光強(qiáng)分布的均勻性以及軌道角動量的純度等。實驗環(huán)境因素對實驗結(jié)果也有顯著影響。實驗室中的空氣流動會導(dǎo)致光程的微小變化，從而影響渦旋光束的相位分布。光學(xué)元件的振動，如反射鏡、透鏡等的微小晃動，會使光束的傳播方向發(fā)生改變，進(jìn)而影響光強(qiáng)分布和相位測量的準(zhǔn)確性。環(huán)境溫度和濕度的變化，可能會導(dǎo)致超表面材料的折射率發(fā)生改變，從而影響超表面對近紅外光的調(diào)控性能。為了減小環(huán)境因素的影響，實驗過程中應(yīng)盡量保持實驗室環(huán)境的穩(wěn)定，采取必要的減振、控溫、控濕等措施。光學(xué)系統(tǒng)的對準(zhǔn)誤差也是不可忽視的影響因素。在實驗裝置搭建過程中，若超表面與光源、探測器等光學(xué)元件的對準(zhǔn)不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致光束不能垂直入射到超表面上，或者探測器不能準(zhǔn)確采集到渦旋光束的信號。這將使得測量得到的渦旋光束特性與實際情況存在偏差，如光強(qiáng)分布的不對稱、相位分布的扭曲等。因此，在實驗過程中，需要使用高精度的三維位移臺和對準(zhǔn)設(shè)備，確保光學(xué)系統(tǒng)的精確對準(zhǔn)。五、應(yīng)用案例與前景展望5.1在光通信中的應(yīng)用5.1.1原理與優(yōu)勢在光通信領(lǐng)域，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對數(shù)據(jù)傳輸速率和容量的需求呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長。傳統(tǒng)的光通信技術(shù)主要依賴于光的強(qiáng)度、頻率、偏振等有限的自由度進(jìn)行信息編碼和傳輸，在面對日益增長的數(shù)據(jù)流量時，逐漸面臨瓶頸。而近紅外渦旋光束的出現(xiàn)，為突破這一困境提供了新的思路和解決方案。近紅外渦旋光束攜帶軌道角動量（OAM），不同拓?fù)浜蓴?shù)l的渦旋光束所攜帶的軌道角動量不同，且各模態(tài)間相互正交。這一特性使得渦旋光束可以作為獨(dú)立的信道用于光通信中的復(fù)用技術(shù)，即軌道角動量復(fù)用（OAM復(fù)用）。在OAM復(fù)用系統(tǒng)中，多個不同拓?fù)浜蓴?shù)的近紅外渦旋光束可以在同一空間或光纖中同時傳輸，每個渦旋光束攜帶不同的信息，從而顯著提高光通信系統(tǒng)的信息傳輸容量。以一個簡單的OAM復(fù)用光通信鏈路為例，在發(fā)射端，信息源產(chǎn)生的信號分別調(diào)制到不同拓?fù)浜蓴?shù)的近紅外渦旋光束上，這些渦旋光束通過復(fù)用器被耦合到同一傳輸介質(zhì)中進(jìn)行傳輸。在接收端，通過解復(fù)用器將不同拓?fù)浜蓴?shù)的渦旋光束分離出來，再經(jīng)過探測器和解調(diào)器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并恢復(fù)出原始信息。由于不同拓?fù)浜蓴?shù)的渦旋光束相互正交，理論上可以實現(xiàn)無限個模態(tài)的復(fù)用，這使得光通信系統(tǒng)的信道容量得到極大提升。在實際應(yīng)用中，雖然受到各種因素的限制，如光束的串?dāng)_、傳輸介質(zhì)的色散等，無法實現(xiàn)無限復(fù)用，但與傳統(tǒng)光通信技術(shù)相比，OAM復(fù)用技術(shù)仍然能夠顯著提高通信容量。與傳統(tǒng)光通信技術(shù)相比，近紅外渦旋光束在光通信中的應(yīng)用具有多方面的優(yōu)勢。OAM復(fù)用技術(shù)增加了光通信系統(tǒng)的復(fù)用維度，為提高信道容量提供了新的途徑。傳統(tǒng)的復(fù)用技術(shù)，如時分復(fù)用（TDM）、波分復(fù)用（WDM）、偏振復(fù)用等，已經(jīng)在很大程度上發(fā)揮了其潛力，而OAM復(fù)用技術(shù)的引入，進(jìn)一步拓展了光通信系統(tǒng)的復(fù)用能力，使得在不增加傳輸帶寬和光纖數(shù)量的情況下，能夠傳輸更多的信息。近紅外光在大氣和光纖中的傳輸損耗相對較低，這使得近紅外渦旋光束在光通信中具有較好的傳輸性能。近紅外波段的光信號能夠在大氣中穩(wěn)定傳輸較長距離，減少了信號衰減和失真，提高了通信的可靠性。在光纖通信中，近紅外光也能夠有效地降低光纖的傳輸損耗，延長通信距離，減少中繼器的使用，降低系統(tǒng)成本。近紅外渦旋光束的產(chǎn)生和操控技術(shù)不斷發(fā)展，基于幾何相位超表面的方法能夠高效、精確地產(chǎn)生近紅外渦旋光束，并且易于集成到光通信系統(tǒng)中，為其實際應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。這種方法制備的超表面結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，能夠與其他光學(xué)器件集成在一起，構(gòu)建小型化、高性能的光通信模塊，滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對設(shè)備小型化、集成化的需求。5.1.2實驗驗證與性能分析為了驗證