CN105826692B - 基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜及方法 - Google Patents

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Abstract

基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜及方法，涉及产生具有汇聚效果的涡旋波束的技术。为了解决传统的涡旋波束的产生方法集成度低、能量利用率低的问题。该透镜包括m×n个周期性排布的相位突变单元，每个相位突变单元均包括基板和位于基板表面的金属层，金属层包括两部分，一部分为位于基板中央的正方形金属层，另一部分为包围正方形金属层的矩形金属框，金属框一组对边的中央设有缺口，以基板的一边为x轴，缺口中心和基板中心的连线与x轴正向的夹角为θ，圆极化波垂直入射，透射的交叉极化波即为具有汇聚效果的涡旋波束。本发明的透镜厚度薄、易于集成、能量利用率高，适用于产生具有汇聚效果的涡旋波束。

Description

基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜及方法
技术领域
本发明涉及产生具有汇聚效果的涡旋波束的技术。
背景技术
随着现代光通信技术的快速发展，光数据储存容量的扩展问题已变得愈发严峻。而传统涡旋波束的产生方法是利用螺旋相位波片、全息法或液晶法，这些方法在实际应用过程中均会大大降低光通信系统的集成度或降低能量利用率。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统的涡旋波束的产生方法集成度低、能量利用率低的问题，从而提供基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜及方法。
本发明所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜，包括m×n个周期性排布的相位突变单元，m和n均为正整数；
每个相位突变单元均包括基板和位于基板表面的金属层，金属层包括两部分，一部分为位于基板中央的正方形金属层，另一部分为包围正方形金属层的矩形金属框，金属框一组对边的中央设有缺口，以基板的一边为x轴，缺口中心和基板中心的连线与x轴正向的夹角为θ，
其中，x和y分别为以透镜的中心为原点、基板中心的横坐标和纵坐标，f是具有汇聚效果的涡旋波束的焦距，λ为波长，l为轨道角动量数。
本发明所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的方法，圆极化波垂直入射到所述透镜，透射的交叉极化波即为具有汇聚效果的涡旋波束。
近些年来，对携带轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)的涡旋波束的研究表明，其可携带高值角动量的特性可大幅度提高系统容量和频谱效率，具有汇聚效果的涡旋波束则具有更高的能量利用率。在传统光学器件中，对电磁波调控的方法是利用光在透镜中传输过程中产生的累积相位差，而超表面的提出，利用分界面上的相位不均匀分布，使得可以在电磁波传播方向上亚波长厚度内实现对电磁波的人工调控。在本发明中，通过相位突变单元在电磁波传播的过程中加入相位突变，人为的改变波的波前、相位和偏振态，使得其达到预想的传输状态。本发明基于相位不连续人工电磁表面的原理，发明了一种超薄的平面透镜结构，通过超表面对透射电磁场中交叉极化分量引入产生涡旋波束所需要的相位分布和产生汇聚效果所需要的相位分布的叠加相位，使透射场中交叉极化分量呈现具有汇聚效果的涡旋波束的分布特性。
本发明能使垂直入射的圆极化波在透过透镜之后，交叉极化波透射场的传播状态为具有汇聚效果的涡旋波束。本发明的透镜具有结构平面化，厚度薄，易于与其它器件集成的特点，本发明的能量利用率高。
本发明适用于产生具有汇聚效果的涡旋波束。
附图说明
图1是具体实施方式一中的庞加莱球的示意图；
图2是具体实施方式一所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜的结构示意图；
图3是具体实施方式二所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜的结构示意图；
图4是具体实施方式五的交叉极化波透射效率曲线图；
图5是具体实施方式一中的轨道角动量数l为3、无汇聚效果时xoy平面内的相位分布；
图6是具体实施方式一中的轨道角动量数l为3、无汇聚效果时xoy平面内的幅值分布；
图7是具体实施方式一中的轨道角动量数l为3、无汇聚效果时xoz平面内的幅值分布；
图8是具体实施方式一中的轨道角动量数l为3、有汇聚效果时xoy平面内的相位分布；
图9是具体实施方式一中的轨道角动量数l为3、有汇聚效果时xoy平面内的幅值分布；
图10是具体实施方式一中的轨道角动量数l为3、有汇聚效果时xoz平面内的幅值分布；
图11是具体实施方式五的透镜的工作效率曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2和图5至图10具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜，包括m×n个周期性排布的相位突变单元，m和n均为正整数；
每个相位突变单元均包括基板1和位于基板表面的金属层2，金属层包括两部分，一部分为位于基板1中央的正方形金属层，另一部分为包围正方形金属层的矩形金属框，金属框一组对边的中央设有缺口，以基板的一边为x轴，缺口中心和基板中心的连线与x轴正向的夹角为θ，
其中，x和y分别为以透镜的中心为原点、基板1中心的横坐标和纵坐标，f是具有汇聚效果的涡旋波束的焦距，λ为波长，l为轨道角动量数。
采用相位突变单元的原理为：
圆极化波经过引入了相位突变的相位突变单元转化为其交叉极化波时，会对交叉极化分量引入一个与相位突变单元旋转角度和入射波极化方式相关的相位突变量，相位突变量的绝对值等于相位突变单元旋转角度的2倍。透镜原点处的相位突变单元的θ为0°，相位突变单元相对于透镜原点处的相位突变单元所具有的旋转角度，与该相位突变单元缺口中心和基板中心的连线与x轴正向的夹角θ值相等，所以以下将相位突变单元相对于透镜原点处的相位突变单元所具有的旋转角度也用θ表示。
如图1所示，庞加莱球表示电磁波的极化状态的单位球。赤道上的点表示线极化状态的合集。庞加莱球赤道上经度为2ψ的点，表示的极化状态为极化角与x轴成ψ夹角的线极化。庞加莱球上的南北两极点，对于北极点，即图1中的表示右旋圆极化；对于南极点，即图1中的表示左旋圆极化。庞加莱球上的其他任一点所表示的电磁波极化状态为椭圆极化。结合庞加莱球，选择具有θ1和θ0两种旋转角度的相位突变单元，对应于庞加莱球赤道上经度分别为θ1和θ0的两点，当圆极化波分别经过这两个相位突变单元，转化为其交叉极化波时，其传输状态会引入一个相位突变量，相位突变量的大小等于在庞加莱球上所经历的闭合曲面面积的一半：
其中S表示所引入的相位突变量，R为球壳的半径，对于庞加莱球，R＝1。此相位被称为Pancharatnam-Berry(P-B)相位，可以归纳为圆极化波通过不同旋转角度的相位突变单元转化成其交叉极化波时，会对交叉极化波引入大小等于在庞加莱球上形成的球壳面积一半的相位突变。利用P-B相位可以得到覆盖整个0至2π的相位突变，构造相位非连续人工电磁表面。
携带轨道角动量的涡旋波束在垂直于电磁波传播方向的横截面上拥有exp(ilΦ)的相位分布，其中l为轨道角动量数，其值为整数，Φ为垂直于涡旋波束传播方向的横截面内的方位角。为了使通过透镜的交叉极化透射波携带具有轨道角动量数为l的轨道角动量，由中心位置坐标为(x,y)处的相位突变单元在电磁波传播过程中引入的相位突变量为：
也就是说，该处的相位突变单元相对于透镜原点处的相位突变单元所具有的旋转角度为当轨道角动量数为3时，涡旋波束的仿真结果如图5至图7所示。
为了使交叉极化透射波具有汇聚效果，中心位置坐标为(x,y)处的相位突变单元在电磁波传播途径中应当引入的相位突变量为：
其中f是具有汇聚效果的涡旋波束的焦距。
为了产生具有汇聚效果的涡旋波束，中心坐标位置为(x,y)处的相位突变单元相对于透镜原点处的单元结构所具有的旋转角度θ需要满足：
当轨道角动量数为3时，具有汇聚效果的涡旋波束的仿真实验结果如图8至图10所示。可以看出，交叉极化透射波束在其传播方向横截面内的相位分布满足涡旋波束的要求，表明其携带l＝3的轨道角动量。比较图7和图10可以看出，图10的波束呈现汇聚特性。
利用引入P-B相位的方法，对电磁波传播的过程中引入相位突变，在微波段发明设计了一种平面结构的新型人工电磁波调控器件。
具体实施方式二：结合图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜作进一步说明，本实施方式中，基板1为正方形，边长为a，正方形金属的边长为0.4a，金属框的边长为0.7a，宽度为0.06a，缺口的长度为0.06a，a为正数。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜作进一步说明，本实施方式中，m和n均为35。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜作进一步说明，本实施方式中，金属层2为铜层。
具体实施方式五：结合图4和图11具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜作进一步说明，本实施方式中，a为11.1mm，相位突变单元厚2mm。
对于垂直入射的圆极化电磁波，其交叉极化透射波效率如图4所示，相位突变单元包含基板的厚度为2mm，相对于10GHz的工作频率，其厚度为λ/15。可以看出在其第一阶谐振频点10GHz处，交叉极化波透射效率可达到50％。
图11为透镜工作频带内，各个频点上交叉极化分量相对入射波的能量转化效率，并将其定义为透镜的工作效率。可以看出，在9.9GHz-10.4GHz的频带范围内，透镜的工作效率超过20％。
具体实施方式六：采用上述任意一项实施方式所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜产生具有汇聚效果的涡旋波束的方法，圆极化波垂直入射到该透镜，透射的交叉极化波即为具有汇聚效果的涡旋波束。

Claims (6)

1.基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜，其特征在于，包括m×n个周期性排布的相位突变单元，m和n均为正整数且m和n不能同时为1；
每个相位突变单元均包括基板(1)和位于基板表面的金属层(2)，金属层包括两部分，一部分为位于基板(1)中央的正方形金属层，另一部分为包围正方形金属层的矩形金属框，金属框一组对边的中央设有缺口，以基板的一边为x轴，缺口中心和基板中心的连线与x轴正向的夹角为θ，
其中，x和y分别为以透镜的中心为原点、基板(1)中心的横坐标和纵坐标，f是具有汇聚效果的涡旋波束的焦距，λ为波长，l为轨道角动量数。
2.根据权利要求1所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜，其特征在于，基板(1)为正方形，边长为a，正方形金属的边长为0.4a，金属框的边长为0.7a，宽度为0.06a，缺口的长度为0.06a，a为正数。
3.根据权利要求2所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜，其特征在于，m和n均为35。
4.根据权利要求3所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜，其特征在于，金属层(2)为铜层。
5.根据权利要求4所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜，其特征在于，a为11.1mm，相位突变单元厚2mm。
6.采用上述任意一项权利要求所述的基于超表面产生具有汇聚效果的涡旋波束的透镜产生具有汇聚效果的涡旋波束的方法，其特征在于，圆极化波垂直入射到该透镜，透射的交叉极化波即为具有汇聚效果的涡旋波束。
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