基于分形纳米剪纸的涡旋光发生器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了基于分形纳米剪纸的涡旋光发生器及其制备方法，涡旋光发生器包括外围固定部、中心圆平面以及多个分形盘绕单元；分形盘绕单元将中心圆平面与外围固定部连接，多个分形盘绕单元均匀分布在所述中心圆平面四周，分形盘绕单元为纳米剪纸结构，分形盘绕单元支撑中心平面区域在受到外场驱动时上下形变，形变后变为三维态。涡旋光发生器能够能够实现小尺度的器件制备且无需制备复杂的大面积结构单元阵列来支持涡旋光激发。该制备方法将聚焦离子束加工和湿法刻蚀相结合，先“分形图案化”后“毛细力形变”，使二维态分形纳米剪纸形变成三维态后，可直接作为涡旋光发生器使用。可直接作为涡旋光发生器使用。可直接作为涡旋光发生器使用。

【技术实现步骤摘要】
基于分形纳米剪纸的涡旋光发生器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及三维微纳制造
，具体涉及一种基于分形纳米剪纸的涡旋光发生器及其制备方法。

技术介绍

[0002]光场调控领域已越来越受到研究者的广泛关注，尤其是生成轨道角动量光束实现定制化涡旋光是非常重要且有意义的一项研究内容。传统的涡旋光发生器由于尺寸大、可调性差，不利于其集成于新一代的微纳光电子系统中。
[0003]此外，随着微纳光电子器件和系统愈发转向小型化、集成化方向发展，在微小的空间内实现多功能化是未来微纳光电子器件的发展重点。但是，传统的光电子器件制造后其空间维度是固定的，这无疑导致器件的功能较为单一。因此，可形变的三维微纳光电子器件制备成为微纳器件向超小型化、功能集成化发展的一个重要途径。在众多三维制备技术中，如3D打印已经得到了极大的关注和发展，但是采用3D打印制备微纳米级别的光电器件是存在巨大挑战的。与此同时，人们发展了一些利用外部场驱动微纳结构三维形变的方案，如力场、电场驱动等。这些三维微纳结构已经在微纳光学的性能优化、传感和调控等方面上展现出了独特的应用价值。
[0004]但是，上述制备工艺所制备的三维微纳结构相对较为简单，三维形变下对光场的调控性能低，调控功能较少，无法便捷高效地实现光场的定制化调控，如涡旋光束激发，这限制了其在微纳光电子领域的应用范畴。
[0005]目前，为实现光场的定制化调控，设计涡旋光发生器的三维微纳结构以及针对性的便捷制备工艺，是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了基于分形纳米剪纸的涡旋光发生器及其制备方法，涡旋光发生器能够能够实现小尺度的器件制备且无需制备复杂的大面积结构单元阵列来支持涡旋光激发，该制备方法将聚焦离子束加工和湿法刻蚀相结合，先“分形图案化”后“毛细力形变”，使二维态分形纳米剪纸形变成三维态后，可直接作为涡旋光发生器使用。
[0007]为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：基于分形纳米剪纸的涡旋光发生器，包括外围固定部、中心圆平面以及多个分形盘绕单元。
[0008]分形盘绕单元将中心圆平面与外围固定部连接，多个分形盘绕单元均匀分布在中心圆平面四周，分形盘绕单元数量为偶数；分形盘绕单元为纳米剪纸结构，分形盘绕单元支撑中心平面区域在受到外场驱动时上下形变，形变后变为三维态。
[0009]中心圆平面上开设多个通孔。
[0010]入射圆极化光通过涡旋光发生器后，光的自旋角动量转化成轨道角动量生成涡旋光。
[0011]优选地，分形盘绕单元数量为4、6或8。
[0012]本专利技术另外一个实施例还提供了基于分形纳米剪纸的涡旋光发生器的制备方法，针对上述基于分形纳米剪纸的涡旋光发生器，采用如下步骤制备：
[0013]步骤
①
：取基底样品，基底样品由二氧化硅基底其上覆盖的金膜组成，金膜表面平坦。
[0014]步骤
②
：在基底样品的金膜表面上根据涡旋光发生器预先设计二维分形图案；二维分形图案为涡旋光发生器未形变时的二维图案。
[0015]利用聚焦离子束在基底样品上刻蚀预先设计的二维分形图案，刻蚀深度深至二氧化硅基底。
[0016]步骤
③
：采用配比后的氢氟酸溶液对步骤
②
样品进行湿法刻蚀，此过程包含了去除金膜底部一定深度含氧层的同时也借助液体毛细力对结构带来的外场驱动力，得到形变为三维态的涡旋光发生器。
[0017]优选地，在基底样品的金膜表面上根据涡旋光发生器预先设计二维分形图案；二维分形图案为涡旋光发生器未形变时的二维图案。二维分形图案对应旋涡发生器的结构设计，对应中心圆平面设置中心预留区，对应多个分形盘绕单元设置二维纳米剪纸结构区，对应外围固定部设置外围预留区。中心预留区设计多个通孔。二维纳米剪纸结构区包括多个设置在中心预留区四周的二维纳米剪纸结构。
[0018]有益效果：
[0019]1、本专利技术提供了基于分形纳米剪纸的涡旋光发生器，与现有的传统涡旋光发生器或二维超构表面涡旋光发生器相比较，本专利技术能够实现小尺度的器件制备且无需制备复杂的大面积结构单元阵列来支持涡旋光激发。该涡旋光发生器可工作于可见和红外波段，尺寸仅有6微米，且可以生成分形依赖定制化和结构形变可调的涡旋光束，是一种宽带响应、微小尺寸、多功能的涡旋光发生器。
[0020]2、本专利技术提供了一种利用分形纳米剪纸实现涡旋光发生器的制备方法。该方法步骤简单，将聚焦离子束加工和湿法刻蚀相结合，先“分形图案化”后“毛细力形变”，使二维态分形纳米剪纸形变成三维态后，可直接作为涡旋光发生器使用。
附图说明
[0021]图1是本专利技术一个实施例中基于蹦床启发设计的分形纳米剪纸示意图。
[0022]图2是本专利技术一个实施例中三维涡旋光发生器的工作示意图。
[0023]图3是本专利技术一个实施例中利用毛细力作用制备三维分形纳米剪纸结构的流程示意图。
[0024]图4是本专利技术一个实施例中制备出的二维和三维分形纳米剪纸结构的扫描电子显微镜照片。从上往下分别对应于图3制备流程的步骤
①②③
。
[0025]图5是本专利技术一个实施例中制备出的四个和七个结构组涡旋光发生器的扫描电子显微镜照片。从左到右分别展示了类型ABC涡旋光发生器的制备结果。这里，类型ABC分别对应四、六和八等分的分形盘绕单元情形。
[0026]图6是本专利技术一个实施例中基于时域有限差分仿真的初步验证结果。从上往下分别是类型ABC三种涡旋光发生器的涡旋光生成结果。这里，类型ABC分别对应四、六和八等分的分形盘绕单元情形。
具体实施方式
[0027]下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。
[0028]根据本专利技术的一个实施例，设计可支持涡旋光束生成的可形变分形纳米剪纸。图1展示了受蹦床启发的分形纳米剪纸的结构设计，即周围分形盘绕单元可以类比成蹦床四周的一个个弹簧，可以支撑着中心平面区域在受到外场驱动时上下形变。在这样的设计原理下可以获得二维和三维分形纳米剪纸结构。
[0029]基于分形纳米剪纸的涡旋光发生器，包括外围固定部、中心圆平面以及多个分形盘绕单元。
[0030]分形盘绕单元将中心圆平面与外围固定部连接，多个分形盘绕单元均匀分布在中心圆平面四周，分形盘绕单元数量为偶数。专利技术实施例中，分形盘绕单元数量可以为4、6或8。
[0031]分形盘绕单元为纳米剪纸结构，分形盘绕单元支撑中心平面区域在受到外场驱动时上下形变，形变后变为三维态。如图1所示是本专利技术一种纳米剪纸结构的实施例，本专利技术实施例中的纳米剪纸结构采用弯折构型，其中纳米剪纸结构一端连接中心圆平面，以Z或者S字型结构向外围延伸，所有纳米剪纸结构的最外端可连接在一个外围环上，以实现中心圆平面与外围环之间的连接，纳米剪纸结构在外场驱动力作用下可以形变为如图2所示的形状。
[0032]中心圆平面上开设多个通孔。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于分形纳米剪纸的涡旋光发生器，其特征在于，包括外围固定部、中心圆平面以及多个分形盘绕单元；分形盘绕单元将中心圆平面与外围固定部连接，多个分形盘绕单元均匀分布在所述中心圆平面四周，分形盘绕单元数量为偶数；所述分形盘绕单元为纳米剪纸结构，分形盘绕单元支撑中心平面区域在受到外场驱动时上下形变，形变后变为三维态；所述中心圆平面上开设多个通孔；入射圆极化光通过所述涡旋光发生器后，光的自旋角动量转化成轨道角动量生成涡旋光。2.如权利要求1所述的基于分形纳米剪纸的涡旋光发生器，其特征在于，所述分形盘绕单元数量为4、6或8。3.基于分形纳米剪纸的涡旋光发生器的制备方法，其特征在于，针对如权利要求1所述的利用分形纳米剪纸实现的涡旋光发生器，采用如下步骤制备：步骤
①
：取基底样品，所述基底样品由二氧化硅基底其上覆盖的金膜组成，金膜表面平坦；步骤
②
：在所述基底样品的金膜表面上根据所述涡旋光发生器预先...

【专利技术属性】
技术研发人员：李家方，洪孝荣，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：