一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法

本发明属于电磁学，具体涉及一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法。

背景技术：

1、当电子在介质内部或附近运动的速度超过光在介质中的速度时，其产生的电磁辐射成为切伦科夫辐射，这种广为人知的物理现象为生物医学、粒子探测、发光成像的领域提供了潜在的应用途径，例如，切伦科夫辐射的产生条件建立在粒子速度大于介质中光传播的相速度基础上，因此对于高能粒子的鉴别有着特别的优势，待测粒子的能量和速度可以通过检测切伦科夫辐射进行识别，进而区分不同类型的粒子。在过去几年中，切伦科夫辐射已经在负折射率材料、双曲材料、光栅、波导等介质中实现了各种引人注目的物理现象。

2、光学角动量可以分为与偏振态相关的自旋角动量和与光场空间分布相关的轨道角动量。作为经典光学和量子电动力学中最基本的物理量之一，光学轨道角动量在许多领域引起了极大的关注度，包括光镊、原子操纵等。尤其在光通信领域，由于轨道角动量在物理上为光的操纵提供了额外的自由度，因此为无线通信的信息容量做出了巨大贡献。由于自由电子辐射的广泛可调性的优点，截至目前，相当多的研究致力于利用自由电子辐射实现光学轨道角动量，包括通过调整螺旋光栅的周期实现不同拓扑荷数的涡旋光束，以及产生高功率密度的涡旋电子辐射。近些年来，关于光的自旋角动量与轨道角动量间的相互作用引发了人们的大量关注，得益于自旋轨道相互作用可以同时控制光的自旋角动量和轨道角动量，人们在人工结构和传统光学晶体对自旋轨道相互作用进行了广泛研究。

3、亚波长光学器件的特别之处是其尺寸与工作波长相当，相比于传统光学器件，在现代光学芯片中更有利于集成，且在集成电路中可以更紧密的排布，实现高密度集成，对于实现更复杂的光学功能器件提供了新途径。自由电子辐射结合亚波长结构的功能多样性，在天线设计和片上电磁辐射源的发展领域具有广阔的应用前景，携带轨道角动量的电子辐射为紧凑型工作器件的研究提供了一条新的途径，然而，对于限制在亚波长结构内部且稳定传输的涡旋电子辐射的研究却鲜有耳闻，此外，光的自旋角动量与轨道角动量的同步演化为灵活调控涡旋电子辐射和探究电—光相互作用提供了潜在的新机制。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，能够依靠亚波长圆柱形波导，搭配两支电子束可以实现稳定传输的携带圆偏振的涡旋切伦科夫辐射，为灵活调控光的角动量提供了新的可能。

2、本发明采取的技术方案具体如下：

3、一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，包括以下步骤：

4、s1：将实现偏振涡旋切伦科夫辐射设置为圆柱形波导，搭配两支高速运动的电子束的结构；

5、s2：调控电子束的相位参数，构建π/2的相位差，满足激励涡旋光的条件并携带圆偏振态；

6、s3：根据调控电子束的速度和位置参数，获得不同电磁场模式以实现涡旋光拓扑荷数的调控；

7、s4：设置为椭圆柱形波导，实现高阶电磁场模式下的自旋角动量和轨道角动量同时演化。

8、所述步骤s1的圆柱形波导中传输的he和eh电磁场模式由于二重简并性而具有两个相互正交的奇模和偶模，考虑到he模式在满足电磁场条件和边界条件下具有如下形式的分布：

9、

10、

11、其中，fl,m(r)为径向场分布函数，l为拓扑荷数，m为纵向模式数，为方位角坐标，上角标even和odd分别代表偶模和奇模，和分别为偶模和奇模的传播常数；

12、当he模式的奇模和偶模以π/2的相位差分布在圆柱形波导内部时，此时横向电场可写为：

13、

14、若二者具有相同的传播常数时，可将上式简化为

15、

16、其中，分别表示电场的右旋圆偏振和左旋圆偏振，e±ilθ项表明横向场具有oam模式的螺旋相位特征，偏振方向和拓扑电荷数取决于波导模式的类型。

17、所述步骤s1中根据圆柱形波导中的波矢匹配关系和色散关系，推导出电子束速度和圆柱形波导支持的本征模式的关系为neff＝c/v；

18、其中，v为电子束的速度，c为真空中的光速，neff为圆柱形波导中本征模式的有效折射率。

19、两支所述电子束均在圆柱形波导附近0.01μm处平行掠过波导表面。

20、所述圆柱形波导与椭圆柱形波导的介质材料均为硅，折射率均为3.46。

21、所述步骤s3中包括1阶轨道角动量、2阶轨道角动量、3阶轨道角动量及4阶轨道角动量；

22、其中，实现1阶轨道角动量的圆柱形波导半径为0.50μm；实现2阶轨道角动量的圆柱形波导半径为0.58μm；实现3阶轨道角动量的圆柱形波导半径为0.79μm；实现4阶轨道角动量的圆柱形波导半径为0.90μm。

23、所述步骤s4中包括he21模式下的角动量演化传输，和he31模式下的角动量演化传输；

24、实现he21模式角动量演化传输的椭圆柱形波导长轴半径为0.50μm，短轴半径为0.40μm；实现he31模式角动量演化传输的椭圆柱形波导长轴半径为0.80μm，短轴半径为0.60μm。

25、两支所述两电子束相对于圆心的夹角定义为θ。

26、所述圆柱形波导采用工作波长为1.55μm的光学系统。

27、所述定义奇模和偶模的固有有效折射率差值为δneff，电磁波在传播过程中的相位可以表达为φ＝k0neffz，考虑到椭圆柱形波导在无损条件下，以初始相位差为±π/2传输的两个模式的相位差可以写为δ＝k0δnz±π/2，自旋角动量和轨道角动量的横向密度表达式可以写为：

28、

29、

30、角动量与传播距离的关系可写为如下形式：

31、sz∝cos(k0δneffz)(7)

32、lz∝cos(k0δneffz)(8)本发明取得的技术效果为：

33、本发明的一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，采用圆柱形波导搭配两支电子束实现了稳定传输的携带圆偏振的涡旋切伦科夫辐射；通过调控电子束的速度和位置参数，能够灵活调控涡旋光的拓扑荷数；打破圆柱形波导的结构对称性，能够实现正弦演化传输的涡旋电子辐射，本发明相比以往的方法更利于光学系统的高密度集成化，且可以更简单方便的调控涡旋光的拓扑荷。

技术特征：

1.一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，其特征在于：所述步骤s1的圆柱形波导中传输的he和eh电磁场模式由于二重简并性而具有两个相互正交的奇模和偶模，以he模式为例，考虑到其在满足电磁场条件和边界条件下具有如下形式的分布：

3.根据权利要求1所述的一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，其特征在于：所述步骤s1中根据圆柱形波导中的波矢匹配关系和色散关系，推导出电子束速度和圆柱形波导支持的本征模式的关系为neff＝c/v；

4.根据权利要求1所述的一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，其特征在于：两支所述电子束均在圆柱形波导附近0.01μm处平行掠过波导表面。

5.根据权利要求1所述的一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，其特征在于：所述圆柱形波导与椭圆柱形波导的介质材料均为硅，折射率均为3.46。

6.根据权利要求1所述的一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，其特征在于：所述步骤s3中包括1阶轨道角动量、2阶轨道角动量、3阶轨道角动量及4阶轨道角动量；

7.根据权利要求1所述的一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，其特征在于：所述步骤s4中包括he21模式下的角动量演化传输，和he31模式下的角动量演化传输；

8.根据权利要求1所述的一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，其特征在于：两支所述两电子束相对于圆心的夹角定义为θ。

9.根据权利要求1所述的一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，其特征在于：所述圆柱形波导采用工作波长为1.55μm的光学系统。

10.根据权利要求2所述的一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，其特征在于：所述步骤s1中定义奇模和偶模的固有有效折射率差值为δneff，电磁波在传播过程中的相位可以表达为φ＝k0neffz，考虑到椭圆柱形波导在无损条件下，以初始相位差为±π/2传输的两个模式的相位差可以写为δ＝k0δnz±π/2，自旋角动量和轨道角动量的横向密度表达式可以写为：

技术总结本发明属于电磁学技术领域，具体涉及一种基于硅波导实现偏振涡旋切伦科夫辐射的方法，包括以下步骤：S1：将实现偏振涡旋切伦科夫辐射设置为圆柱形波导，搭配两支高速运动的电子束的结构；S2：调控电子束的相位参数，构建π/2的相位差，满足激励涡旋光的条件并携带圆偏振态；S3：根据调控电子束的速度和位置参数，获得不同电磁场模式以实现涡旋光拓扑荷数的调控；S4：设置为椭圆柱形波导，实现高阶电磁场模式下的自旋角动量和轨道角动量同时演化。本发明依靠亚波长圆柱形波导，搭配两支电子束可以实现稳定传输的携带圆偏振的涡旋切伦科夫辐射，为灵活调控光的角动量提供了新的可能。技术研发人员：李汶佳,王业涵,徐文霞,彭俊天,唐华伟,关春颖,刘建龙,史金辉受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/7/11