研究目的
设计、制造并展示一种利用间隙表面等离子体超表面实现的超薄四分之一波片，用于宽带圆偏振到线偏振的转换，并开发一种生成具有指定轨道角动量的矢量涡旋光束的方法。
研究成果
该研究成功展示了一种高效、宽带性能的超薄四分之一波片，能够有效产生矢量涡旋光束。这种方法为偏振控制提供了一种紧凑且经济高效的解决方案，在量子光学和微型光学器件中具有潜在应用。
研究不足
该研究发现，由于光学元件不完善和校准误差，线性偏振角测量存在差异，这可能影响性能。其带宽限制在750-950纳米范围内，且表面粗糙度等制造缺陷可能导致与模拟结果的偏差。
1：实验设计与方法选择：
本研究采用COMSOL Multiphysics进行三维全波仿真，以优化超表面金属-绝缘体-金属单元结构设计。方法包括设计四分之一波片，并通过空间变化单元取向来产生矢量涡旋光束。
2：样品选择与数据来源：
样品制备于镀有金层和二氧化硅层的硅晶圆上。设计基于850纳米波长仿真，性能评估覆盖750-950纳米范围。
3：实验设备与材料清单：
设备包含用于制备的电子束光刻系统、成像用的扫描电子显微镜、照明用的可调谐钛宝石激光器、半波片、线偏振片、四分之一波片、分束器、物镜、透镜、反射镜以及检测用的CCD相机。材料包括金、二氧化硅、钛、聚甲基丙烯酸甲酯和硅基底。
4：实验流程与操作步骤：
制备过程包含电子束光刻、薄膜沉积和剥离工艺。光学表征使用自制装置测量圆偏振光入射下的反射率和偏振态，通过线偏振片和CCD相机分析反射光束。开展干涉实验验证生成光束中的相位奇点。
5：数据分析方法：
数据分析通过斯托克斯参数计算测量强度的线偏振度和线偏振角。效率计算为生成光束功率与入射功率之比，并报告平均值与误差。
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COMSOL Multiphysics
version 5.3
COMSOL
Used for 3D full-wave simulations to optimize the metasurface design.
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Ti:Sapphire laser
Model 3900S
Spectra-Physics
Provides tunable near-infrared light for illumination in optical experiments.
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Half-wave plate
AHWP05M-980
Thorlabs
Used to control and manipulate the polarization state of incident light.
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Linear polarizer
LPVIS100-MP2
Thorlabs
Used to analyze the polarization state of reflected light.
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Quarter-wave plate
AQWP05M-980
Thorlabs
Used to generate circularly polarized light from linearly polarized light.
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Beam splitter
BS017
Thorlabs
Used to direct and split light beams in the optical setup.
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Objective
10x magnification, NA = 0.28
Mitutoyo
Used to focus light onto the sample and collect reflected light.
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Objective
50x magnification, NA = 0.55
Mitutoyo
Used for higher magnification imaging in the microscope system.
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CCD camera
Mightex
Used to detect and record intensity distributions of light.
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Electron-beam lithography system
Used for patterning the metasurface during fabrication.
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Scanning electron microscope
Used to image the fabricated samples and verify dimensions.
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