CN107589540A - 双折射相位调控超表面结构单元、宽带偏振与相位调控阵列及器件 - Google Patents
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Abstract
一种基于双折射超表面结构的宽带偏振与相位调控阵列，包括基底、金属反射膜、介质层、“十”字形亚波长光学天线单元、双折射相位调控超表面结构单元、双折射相位调控超表面结构阵列。通过合理设计，可以使该双折射相位调控超表面结构单元具有双折射效应和相位调控功能，在圆偏振光入射条件下，进而实现对反射光具有空间亚波长分辨率的偏振调控和相位调控；针对圆偏振入射光，根据所需的空间偏振和相位分布，排布双折射相位调控超表面结构单元，形成双折射相位调控超表面结构阵列，以期获得任意偏振和相位分布的特殊光场。并且该双折射相位调控超表面结构单元和双折射相位调控超表面结构阵列具有较宽的工作波长范围。
Description
技术领域
本发明属于光聚焦、光成像、光场调控领域，特别是涉及偏振和相位独立调控的复杂矢量光场调控器件。
背景技术
对于常规的超衍射透镜而言，通常采用二值振幅调控或准连续振幅调控，往往不能实现较好的聚焦性能，其聚焦效率低、旁瓣强度过大，严重限制了其进一步发展。远场超衍射聚焦是光波发生精确干涉的结果，因此在器件设计和实现中，在器件透射率函数中引入相位调控是非常必要的。基于多值相位调控的亚波长结构可显著改善超衍射聚焦器件的聚焦性能，如：减小远场聚焦焦斑、提高效率、抑制旁瓣、增大视场范围等。同时，采用特殊偏振光束聚焦，有利于进一步提高超衍射聚焦性能，如对于柱对称偏振光聚焦，通常采用单独的偏振转换器件产生所需的角向或径向偏振光，再通过传统透镜或超衍射透镜聚焦，需要将角向或径向偏振光束光轴与聚焦器件光轴同轴对准，这大大地增加了光学对准难度，限制了超衍射聚焦性能的提升。
(1)对于准连续振幅调控，目前可以通过改变亚波长金属狭缝的宽度实现振幅0-1范围内的准连续变化；相关文献如：Gang Chen,Yuyan Li,Xianyou Wang,Zhongquan Wen,Feng Lin,Luru Dai,Li Chen,Yinghu He,Sheng Liu,Super-oscillation Far-FieldFocusing Lens based on Ultra-thin Width-varied Metallic SlitArray,IEEEPhotonics Technology Letters,28(3),pp335-338,2016。
(2)对于相位调控，目前可以通过调节非晶硅的尺寸来实现2π的相位变化；相关文献如：Amir Arbabi,Ehsan Arbabi,Seyedeh Mahsa Kamali,Yu Horie,Seunghoon Han andAndrei Faraon,Miniature optical planar camera basedon a wide-anglemetasurface doublet corrected for monochromatic aberrations,NatureCommunications,7,pp13682:1-9,2016。
(3)对于柱对称偏振光聚焦，目前采用单独的偏振转换器件产生所需的角向或径向偏振光，再通过超衍射透镜聚焦；相关文献如：YuAnping,Chen Gang,Zhang Zhihai,WenZhongquan,Dai Luru,ZhangKun,JiangSenlin,Wu Zhixiang,Li Yuyan,Wang Changtao,Luo Xiangang,Creation of Sub-diffraction Longitudinally Polarized Spot byFocusing Radially Polarized Light with Binary Phase Lens,Scientific Reports,6,pp38859:1-9,2016。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于双折射超表面结构单元及基于此单元的宽带偏振与相位调控阵列。双折射相位调控超表面结构单元具有双折射效应，具有1/4波片功能结构，并能够实现对反射光的相位进行调控。基于双折射超表面结构单元的宽带偏振与相位调控阵列在入射光为圆偏振光的条件下，通过调整平面内各单元快轴的方向，可以实现具有亚波长分辨率的二维平面反射光场偏振空间分布的任意调控；结合双折射相位调控超表面结构单元的相位调控功能，通过二维空间阵列，可以实现具有亚波长分辨率的二维平面反射光场偏振空间分布和相位空间分布的任意调控；并且该双折射相位调控超表面结构单元具有较宽的带宽，因此可以实现宽带的偏振和相位二维平面调控阵列。
本发明的目的通过以下技术方案来加以实现：
本发明提出一种双折射相位调控超表面结构单元，其包括基底、金属反射膜和介质层和“十”字形亚波长光学天线单元。
所述基底是厚度为h的介质材料，对入射光波长λ透明，上下表面平行，其对波长λ的吸收率应尽可能低。
所述金属反射膜是在基底上表面、并紧贴基底、对入射波长λ具有高反射率、厚度为tr的一层金属薄膜。
所述介质层是在金属反射膜上表面、并紧贴金属反射膜、对入射光波长λ透明、厚度为td的一层介质材料。
所述“十”字形亚波长光学天线单元是由两个厚度为ta、且相互垂直交叉的长方形金属条构成，沿X方向和沿Y方向的金属条的长度、宽度分别为Lf、Wf和Ls、Ws。
上述基底、金属反射膜、介质层和“十”字形亚波长光学天线单元一起构成基本功能结构单元，所述结构单元在波长为λ的入射光从“十”字形亚波长光学天线单元一侧入射情况下，对于分别沿“十”字形亚波长光学天线单元两个长方形长度方向的偏振分量，其反射光的相位相差π/2，形成具有双折射功能的超表面结构，该双折射超表面结构的两个长方形长度方向分别对应双折射效应的快轴和慢轴，快轴方向金属条长和宽分别为Lf和Wf，慢轴方向金属条长和宽分别为Ls和Ws。结构单元具有1/4波片功能，并能够实现对反射光的相位进行调控。
本发明进一步提出一种基于双折射相位调控超表面结构单元的宽带偏振与相位调控阵列，该宽带偏振与相位调控阵列是由上述结构单元在X方向和Y方向即快轴和慢轴方向分别以Tf和Ts的周期分布形成的二维平面阵列。对于入射波长为λ的圆偏振光，根据出射平面上所需光场偏振方向，确定双折射相位调控超表面结构单元快轴方向，并根据快轴方向和出射平面上所需出射相位分布，选择快轴相位延迟满足出射相位分布的双折射相位调控超表面结构单元，在二维平面形成阵列排布，实现圆偏振入射光条件下，对反射光进行偏振和相位调控，使出射平面上光场满足所需的偏振和相位分布。
所述双折射相位调控超表面结构单元的慢轴方向偏振分量相对于快轴方向偏振分量的相位延迟为π/2±m×2π(m为整数)，对于入射波长为λ的圆偏振光，反射光为线偏振光，该反射光偏振固有偏转角(反射光偏振方向与快轴方向夹角)β＝actan(As/Af)，其中Af、As分别为快轴和慢轴方向线偏振光的振幅反射率，通过在平面内旋转该双折射超表面结构单元，改变快轴的方向来控制反射光束的偏振方向。通过合理选择Lf、Wf、Ls、Ws和Tf、Ts，形成一系列双折射相位调控超表面结构单元，结构单元的快轴具有确定相位延迟反射偏振固有偏转角为βk，快轴相位延迟的取值范围为0～2π(其中N为整数)，利用这一系列双折射相位调控超表面结构单元构成阵列，在平面空间内，在实现对反射光偏振方向控制的同时，实现对反射光相位在[0，2π]范围内的调控。即该宽带偏振与相位调控阵列，在平面空间内，可以实现对反射光的偏振和相位的任意调控。同时，由该系列双折射相位调控超表面结构单元构成的阵列结构在较宽的波长范围[λ1，λ2]内，均能满足以上功能。
具体地，所述宽带偏振与相位调控阵列的优化设计是在波长为λ的平面波垂直入射(从“十”字形亚波长光学天线单元一侧向基底方向入射)条件下，采用电磁场数值仿真软件(如采用CST软件等)，分别采用与快轴和慢轴平行的线偏振平面波入射，针对不同介质层材料Md(如常见介质材料：SiO2、MF2、TiO2等)和不同的“十”字形亚波长光学天线单元金属材料Ma(如常见金属材料：金、银、铂、铝、铜、钨等)，对几何尺寸参数td、Lf、Wf、Ls、Ws和Tf、Ts等进行优化，使得反射光在慢轴和快轴方向的相位差为π/2，并使快轴和慢轴方向的振幅反射率Af、As尽可能等于1，同时振幅反射率Af、As尽可能相等。优化N种这样的“十”字形亚波长光学天线单元结构尺寸Lf k、Wf k、Ls k、Ws k，其对应的沿快轴和慢轴方向线偏振光的反射率分别为Af k、As k，快轴相位延迟(其中k＝1,2,…,N；N为大于1的整数)的分布范围：确保在圆偏振光垂直入射条件下，第k个双折射相位调控超表面结构单元反射光偏振固有偏转角βk＝actan(As k/Af k)。
所述双折射相位调控超表面结构单元(快轴、慢轴分别与X轴、Y轴重合)的琼斯矩阵可写为以下形式：
其中Af为沿快轴方向线偏振光的振幅反射率，为快轴相位延迟，As为沿慢轴方向线偏振光的振幅反射率，为慢轴相位延迟。对于双折射功能要求：上述琼斯矩阵可以写为：
以右旋圆偏振光为例，右旋圆偏振光的琼斯矢量为：
当右旋圆偏振光入射到该单元结构上后，反射光的琼斯矢量为：
由反射光的琼斯矢量可知，反射光为相位为的线偏振光，其偏振固有偏转角为β(偏振方向与X轴的夹角，此时，快轴与X轴重合)。
将双折射相位调控超表面结构单元旋转角度α后(即快轴与X轴夹角为α)，在右旋圆偏振光入射条件下，反射光的琼斯矢量为：
即，反射线偏振方向角为β+α，即反射线偏振方向跟随着快轴旋转了相同的角度α，同时反射线偏振光的相位减小了α。
由图11可知，对于出射平面所需的光场偏振分布γ(r,θ)和相位分布φ(r,θ)(其中γ为偏振方向与X轴正向的夹角；r,θ为二维平面极坐标)，确定位置(r,θ)处双折射相位调控超表面结构单元的几何尺寸td、Lf、Wf、Ls、Ws，使其同时满足α(r,θ)＝γ(r,θ)-β和其中α(r,θ)为双折射相位调控超表面结构单元的快轴方向角(快轴与X轴正方向的夹角)。
本发明进一步提供集成了偏振控制和相位控制功能的两种矢量光场聚焦器件：角向偏振聚焦器件和径向偏振聚焦器件。
径向偏振聚焦器件的半径R、焦距f，具有前述的基于双折射超表面结构的宽带偏振与相位调控阵列。所述器件是采用等光程原理，利用双折射相位调控超表面结构单元对器件透射函数相位φ(r,θ)进行设计，径向偏振光中心位置为偏振奇点，中间区域无结构，器件有效区域为一个圆环，该圆环的外径R＝7λ，内径r＝2λ，器件焦距f＝2λ；器件平面上中心位置为(r,θ)的正方形单元所对应的相位满足：φ(r,θ)＝2πn/λ×[f-(r2+f2)1/2]+2πm，其中n为出射介质的折射率，m为整数；在该位置(r,θ)处所放置的第k种双折射相位调控超表面结构单元，其快轴与X轴的夹角α(r,θ)满足：α(r,θ)＝θ–βk，其中βk为第k种双折射相位调控超表面结构单元的反射光偏振固有偏转角；同时，该双折射相位调控超表面结构单元的快轴相位延迟满足或选择最接近φ(r,θ)+α(r,θ)的双折射相位调控超表面结构单元。
角向偏振聚焦器件半径R、焦距f，具有前述的基于双折射超表面结构的宽带偏振与相位调控阵列；所述器件是采用等光程原理，利用基于双折射超表面结构单元对器件透射函数相位φ(r,θ)进行设计，径向偏振光中心位置为偏振奇点，中间区域无结构，器件有效区域为一个圆环，该圆环的外径R＝7λ，内径r＝2λ，器件焦距f＝2λ；器件平面上中心位置为(r,θ)的正方形单元所对应的相位满足：φ(r,θ)＝2πn/λ×[f-(r2+f2)1/2]+2πm，其中n为出射介质的折射率，m为整数；在该位置(r,θ)处所放置的第k种双折射相位调控超表面结构单元，其快轴与X轴的夹角α(r,θ)满足：α(r,θ)＝π/2+θ–βk，其中βk为第k种双折射相位调控超表面结构单元的反射光偏振固有偏转角；同时，该双折射相位调控超表面结构单元的快轴相位延迟满足或选择最接近φ(r,θ)+α(r,θ)的双折射相位调控超表面结构单元。
由图16和图17可知，两种器件对于入射波长1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nm、1610nm和1700nm均能在焦平面实现聚焦，且聚焦光场分别以轴向偏振和角向偏振为主，表明两种器件具有较宽的工作波长范围，且波长带宽大于210nm。
可见，本发明提供的基于双折射超表面结构的宽带偏振与相位调控阵列，采用多值相位调控的双折射相位调控超表面结构，通过改变“十”字形天线的几何尺寸和快轴方向角，同时实现反射光的多值相位调控和连续偏振调控。利用双折射相位调控超表面结构的宽带反射型偏振与相位调控阵列，实现了将入射圆偏振光转换为径向偏振光或角向偏振光所需的偏振分布，并聚焦成轴向偏振焦斑或角向偏振空心光环所需的聚焦器件透射函数相位空间分布，从而分别实现远场轴向偏振点聚焦和角向偏振空心光环聚焦，并实现了超衍射聚焦性能。具有利于减小焦斑半高宽、提高聚焦效率、抑制旁瓣等优点，特别是其实现了相位调控和偏振调控功能的集成，便于加工，而且对于复杂矢量光场的产生，可以极大地降低实验光路对准难度。
附图说明
图1是制作在基底上，由金属反射膜、介质层、“十”字形亚波长光学天线单元构成的双折射相位调控超表面结构单元；
图2是双折射相位调控超表面结构单元的偏振控制示意图；
图3给出了入射波长为1550nm时，32种不同尺寸的双折射相位调控超表面结构单元；
图4给出了入射波长为1550nm时，图3中的32种不同尺寸的双折射相位调控超表面结构单元中，十字金属天线结构在快轴和慢轴方向的长度和宽度：Lf、Wf和Ls、Ws；
图5给出了入射波长为1550nm时，图3中的32种不同尺寸的双折射相位调控超表面结构单元在快轴(F-轴)和慢轴(S-轴)两种偏振方向的反射光相位延迟，反射光在慢轴和快轴方向的相位差为π/2；
图6给出了在入射波长为1550nm的圆偏振光条件下，图3中的32种不同尺寸的双折射相位调控超表面结构单元的等效振幅反射率和反射光偏振固有偏转角β(反射线偏振光偏振方向与快轴的夹角)；
图7给出了在波长分别为1530nm、1540nm、1550nm、1560nm和1570nm的圆偏振光入射条件下，图3中32种不同尺寸的双折射相位调控超表面结构单元的反射光相位延迟；
图8给出了在入射波长分别为1530nm、1540nm、1550nm、1560nm和1570nm的圆偏振光条件下，图3中32种不同尺寸的双折射相位调控超表面结构单元的反射光等效振幅反射率；
图9是双折射相位调控超表面结构单元将入射圆偏振光转化为径向偏振反射光示意图；
图10是双折射相位调控超表面结构单元将入射圆偏振光转化为的角向偏振反射光示意图；
图11是双折射相位调控超表面结构单元将入射圆偏振光转化为任意方向偏振反射光的示意图；
图12是径向偏振聚焦器件结构图；
图13是图12所示径向偏振聚焦器件，将圆偏振光转换为径向偏振光，并在远场实现聚焦的焦平面光场强度分布的仿真结果：光场强度沿半径的分布，其中短虚线为径向偏振分量，长虚线为角向偏振分量，实线为轴向偏振分量；
图14是角向偏振聚焦器件结构图；
图15是图14所示角向偏振聚焦器件，将圆偏振光转换为角向偏振光，并在远场实现聚焦的焦平面光场强度分布的仿真结果：光场强度沿半径的分布，其中短虚线为径向偏振分量，长虚线为角向偏振分量，实线为轴向偏振分量；
图16是图12中给出的径向偏振聚焦器件，在入射波长分别为1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nm、1610nm和1700nm时的焦平面聚焦光场及其各分量的分布；
图17是图14中给出的角向偏振聚焦器件，在入射波长分别为1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nm、1610nm和1700nm时的焦平面聚焦光场及其各分量的分布。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
图1是在基底1上制作的，由金属反射膜2、介质层3、“十”字形亚波长光学天线单元4，构成的一个双折射相位调控超表面结构单元。
基底1是厚度为h的介质材料，对入射光波长λ透明，上下表面平行。
金属反射膜2是在基底上表面，并紧贴基底，其是对入射波长λ具有高反射率、厚度为tr的一层金属薄膜。对于给定的入射波长λ，根据金属材料的磁导率μ和电导率σ，计算其在金属材料中的穿透深度δp＝(2/ωμσ)1/2{[1+(ωε/σ)2]1/2+ωε/σ]}1/2，其中ω＝2πc/λ，σ为金属电导率、ε为金属介电常数、μ为金属磁导率、c为真空中的光速，并选择具有较小穿透深度的金属作为金属膜材料M，金属膜厚度最小值应满足tr>δp。
介质层3是金属反射膜上表面、并紧贴金属反射膜、对入射光波长λ透明、厚度为td的一层介质材料。
“十”字形亚波长光学天线单元4是由两个厚度为ta、且相互垂直交叉的长方形金属条构成，快轴方向金属条的长和宽分别为Lf和Wf；慢轴方向金属条的长和宽分别为Ls和Ws。该“十”字形亚波长光学天线单元与金属反射膜2和介质层3一起构成双折射相位调控超表面结构单元，双折射相位调控超表面结构单元在快轴和慢轴方向的周期分别为Tf和Ts，此处Tf＝Ts＝700nm。
图2是双折射相位调控超表面结构单元的偏振转换示意图。在波长为λ的入射光从“十”字形亚波长光学天线单元4一侧入射情况下，对于分别沿“十”字形亚波长光学天线单元两个长方形长度方向的偏振分量，其反射光的相位相差π/2，形成具有双折射功能的超表面结构。该双折射超表面结构的两个长方形长度方向分别对应双折射效应的快轴(F-轴)和慢轴(S-轴)，反射光在慢轴和快轴方向的相位差为π/2。对于入射波长为λ的圆偏振光，反射光为线偏振光，其偏振方向相对于快轴方向的固有偏转角为β，因此可以在平面内以“十”字形亚波长光学天线单元几何中心为旋转中心，通过旋转该双折射超表面结构单元的“十”字形亚波长光学天线单元，来改变快轴的方向，从而控制出射光束的偏振方向。
图3给出了针对波长1550nm的具有双折射效应的32种不同尺寸的双折射相位调控超表面结构单元。从图中可以看出，通过合理选择Lf、Wf、Ls、Ws以及Tf和Ts，可以形成一系列双折射相位调控超表面结构单元，这些单元的快轴具有确定相位延迟(其中k＝1,2,…,N；其中N＝32)、出射偏振固有偏转角为βk。因此利用该系列双折射相位调控超表面结构单元构成阵列结构，可以在实现对反射光偏振方向控制的同时，实现对反射光相位在[0，2π]范围内的调控；即，可以在空间平面内，实现对出射光的偏振和相位的任意调控。同时，由该系列双折射相位调控超表面结构单元构成的阵列结构在较宽的波长范围[λ1，λ2]内，均能满足以上功能。
在波长为λ的平面波垂直入射(从“十”字形亚波长光学天线单元一侧向基底方向入射)条件下，采用电磁场数值仿真软件(如采用CST软件等)，分别采用与快轴和慢轴平行的线偏振平面波入射，针对不同介质层材料Md(如常见介质材料：SiO2、MgF2、TiO2等)和不同的“十”字形亚波长光学天线单元金属材料Ma(如常见金属材料：金、银、铂、铝、铜、钨等)，对几何尺寸参数td、Lf、Wf、Ls、Ws、Tf和Ts等进行优化，使得反射光在慢轴和快轴方向的相位差为π/2，并使快轴和慢轴方向的振幅反射率Af、As尽可能的大，同时尽可能相等。优化N种这样的“十”字形亚波长光学天线单元结构尺寸Lf k、Wf k、Ls k、Ws k，其对应的沿快轴和慢轴方向线偏振光的反射率分别为Af k、As k，快轴相位延迟(其中k＝1,2,…,N)的分布范围尽可能大，确保尽可能接近2π；在圆偏振光垂直入射条件下，第k个双折射相位调控超表面结构单元的反射光偏振固有偏转角(反射光线偏振方向和快轴方向夹角)βk＝actan(As k/Af k)。
图4分别给出了入射波长为1550nm，图3中的32种不同尺寸的双折射相位调控超表面结构单元，在快轴(F-轴)和慢轴(S-轴)方向的长度和宽度Lf k、Wf k、Ls k、Ws k，其中k＝1…32。
图5给出了入射波长为1550nm时，图3中的32种不同尺寸的双折射相位调控超表面结构单元在快轴(F-轴)和慢轴(S-轴)两种偏振方向的反射光相位延迟，反射光在慢轴和快轴方向的相位差为π/2。
图6给出了在波长为1550nm圆偏振光入射条件下，图3中的32种不同尺寸的双折射相位调控超表面结构单元的等效振幅反射率[(Af k)2+(As k)2]1/2和反射光固有偏转角βk(反射线偏振光与快轴的夹角)，k＝1…32。
图7给出了在入射波长分别为1530nm、1540nm、1550nm、1560nm和1570nm的圆偏振光条件下，图3中32种不同尺寸的双折射相位调控超表面结构单元的反射光快轴相位延迟k＝1…32。
图8给出了在入射波长分别为1530nm、1540nm、1550nm、1560nm和1570nm的圆偏振光条件下，图3中32种不同尺寸的双折射相位调控超表面结构单元的反射光等效振幅反射率[(Af k)2+(As k)2]1/2，k＝1…32。
图9是双折射相位调控超表面结构单元将入射圆偏振光转化为出射的径向偏振光示意图。在入射圆偏振光的条件下，对于给定空间坐标(r,θ)位置，为了实现反射线偏振光偏振方向沿径向分布，快轴与X轴的夹角α(r,θ)必须满足：α(r,θ)＝θ-β，其中β为双折射相位调控超表面结构单元的反射光偏振固有偏转角(反射线偏振光与快轴的夹角)。对于给定的相位φ(r,θ)，放置在(r,θ)位置处的双折射相位调控超表面结构单元的快轴相位延迟还应同时满足：
图10是双折射相位调控超表面结构单元将入射圆偏振光转化为出射的角向偏振光示意图。在入射圆偏振光的条件下，对于给定空间坐标(r,θ)位置，为了实现反射线偏振光偏振方向沿角向分布，快轴与X轴的夹角α(r,θ)必须满足：α(r,θ)＝π/2+θ-β，其中β为双折射相位调控超表面结构单元的反射光偏振固有偏转角(反射线偏振光与快轴的夹角)。对于给定的相位φ(r,θ)，放置在(r,θ)位置处的双折射相位调控超表面结构单元的快轴相位延迟还应同时满足：
图11是双折射相位调控超表面结构单元将入射圆偏振光转化为出射的任意方向振光的示意图。在入射圆偏振光的条件下，对于给定空间坐标(r,θ)位置，为了实现反射线偏振光偏振方向与X轴方向夹角为χ，快轴与X轴的夹角α(r,θ)必须满足：χ＝α(r,θ)+β，其中β为双折射相位调控超表面结构单元的反射光偏振固有偏转角(反射线偏振光与快轴的夹角)。对于给定的相位φ(r,θ)，放置在(r,θ)位置处的双折射相位调控超表面结构单元的快轴相位延迟还应同时满足：
利用“十”字形亚波长双折射相位调控超表面结构单元的偏振转换功能和相位调控功能，在圆偏振光入射条件下，对反射光进行独立的偏振转换和相位调控，实现特殊的光场偏振分布和相位分布，如：产生径向或角向偏振等柱对称偏振光，并在远场实现聚焦，以期获得轴向偏振实心焦斑和角向偏振空心焦斑等特殊光场。
以下详细分析采用本发明所述的一种基于双折射超表面结构的宽带偏振与相位调控阵列，分别实现了集成了偏振控制和相位控制功能两种矢量光场聚焦器件：角向偏振聚焦器件和径向偏振聚焦器件。入射光为垂直入射的圆偏振光，反射光分别被聚焦形成角向偏振空心光环和轴向偏振聚焦光斑。两种聚焦器件的半径为7λ，理论焦距为2λ，数值孔径为0.962。
图12是径向偏振聚焦器件结构图；
在入射光波长为λ＝1550nm的圆偏振平面波照射下，根据器件半径R、焦距f，采用等光程原理，利用图3所示的32种双折射相位调控超表面结构单元对器件透射函数相位φ(r,θ)进行设计。由于径向偏振光中心位置为偏振奇点，故中间区域无结构，该器件有效区域为一个圆环，该圆环的外径R＝7λ，内径r＝2λ，器件焦距f＝2λ。
双折射相位调控超表面结构单元的周期Tf＝Ts＝700nm，将器件区域分为呈二维周期排布、边长为700nm的正方形单元阵列，每个正方形单元放置一个双折射相位调控超表面结构单元结构。
根据等光程原理，器件平面上中心位置为(r,θ)的正方形单元所对应的相位应满足：φ(r,θ)＝2πn/λ×[f-(r2+f2)1/2]+2πm，其中n为出射介质的折射率，m为整数。在该位置(r,θ)处所放置的第k种双折射相位调控超表面结构单元，其快轴与X轴的夹角α(r,θ)应满足：α(r,θ)＝θ–βk，其中βk为第k种双折射相位调控超表面结构单元的反射光偏振固有偏转角；同时，该双折射相位调控超表面结构单元的快轴相位延迟应尽量满足即使选择最接近φ(r,θ)+α(r,θ)的双折射相位调控超表面结构单元。
图13是图12所示径向偏振聚焦器件，入射圆偏振光转化为径向偏振光，并在远场实现聚焦的数值仿真结果。图中短虚线为径向偏振分量，长虚线为角向偏振分量，实线为轴向偏振分量。从图中可以看出，在焦平面上(距离出射面2λ)的位置形成了聚焦光场：该聚焦光场以轴向偏振分量为主，因此说明：该器件将圆偏振光转换为径向偏振光，并实现了轴向偏振聚焦；焦斑半高宽(FWHM)为0.41λ(小于衍射极限0.52λ)，峰值强度为197.8，最大旁瓣峰值比(最大旁瓣与主瓣的强度比)为18.4％。可以看出聚焦光场中，轴向分量占了主要部分，且焦斑半高全宽为0.41λ。说明该器件实现了径向偏振转换同时实现了轴向超衍射聚焦功能。
图14是角向偏振聚焦器件结构图；
在入射光波长为λ＝1550nm的圆偏振平面波照射下，根据器件半径R、焦距f，采用等光程原理，利用图3所示的32种结构对器件透射函数相位φ(r,θ)进行设计。由于径向偏振光中心位置为偏振奇点，故中间区域无结构，该器件有效区域为一个圆环，该圆环的外径R＝7λ，内径r＝2λ，器件焦距f＝2λ。
双折射相位调控超表面结构单元的周期Tf＝Ts＝700nm，将器件区域分为呈二维周期排布、边长为700nm的正方形单元阵列，每个正方形单元放置一个双折射相位调控超表面结构单元结构。
根据等光程原理，器件平面上中心位置为(r,θ)的正方形单元所对应的相位应满足：φ(r,θ)＝2πn/λ×[f-(r2+f2)1/2]+2πm，其中n为出射介质的折射率，m为整数。在该位置(r,θ)处所放置的第k种双折射相位调控超表面结构单元，其快轴与X轴的夹角α(r,θ)应满足：α(r,θ)＝π/2+θ–βk，其中βk为第k种双折射相位调控超表面结构单元的反射光偏振固有偏转角；同时，该双折射相位调控超表面结构单元的快轴相位延迟应尽量满足即使选择最接近φ(r,θ)+α(r,θ)的双折射相位调控超表面结构单元。
图15是图14所示角向偏振聚焦器件，将入射圆偏振光转化为角向偏振光，并在远场实现聚焦的数值仿真结果。图中短虚线为径向偏振分量，长虚线为角向偏振分量，实线为轴向偏振分量。从图中可以看出，在焦平面上(距离出射面2λ)的位置形成了聚焦光场：该聚焦光场以角向偏振分量为主，因此说明：该器件将圆偏振光转换为角向偏振光，并实现了角向偏振聚焦；空心焦斑内径半高宽(FWHM)为0.339λ(小于衍射极限0.52λ)，峰值强度为116.8，最大旁瓣峰值比为31.5％。可以看出聚焦光场中，角向分量占了主要部分，且空心焦斑内径半高全宽为0.339λ。说明该器件实现了角向偏振转换同时实现了超衍射角向聚焦功能。
表1中分别给出了径向偏振聚焦器件和角向偏振聚焦器件的聚焦性能参数。
表1.径向偏振聚焦器件、角向偏振聚焦器件的聚焦性能
| 聚焦器件类型 | 径向偏振聚焦器件 | 角向偏振聚焦器件 |
| 焦距 | 2λ | 2λ |
| 聚焦器件半径 | 7λ | 7λ |
| 数值孔径 | 0.962 | 0.962 |
| 焦斑(空心环)半高宽 | 0.41λ | 0.339λ |
| 最大旁瓣峰值比 | <18.4％主瓣峰值 | <31.5％主瓣峰值 |
| 主瓣峰值 | 197.8 | 116.8 |
从表中参数以及图13、图15可知，两种器件均实现了所期望的偏振转换和超分辨聚焦，实现了偏振转换和相位调控的功能集成。
图16是图12中给出的径向偏振聚焦器件，在入射波长分别为1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nm、1610nm和1700nm时的焦平面聚焦光场及其各分量的分布，半高宽分别为0.428λ、0.417λ、0.416λ、0.41λ、0.419λ、0.424λ、0.429λ、0.453λ，均小于衍射极限0.52λ。对于每个波长的焦斑均是以轴向分量为主，说明该器件在带宽大于210nm的范围内能够实现径向偏振转换，并实现无色差超衍射聚焦。
图17是图14中给出的角向偏振聚焦器件，在入射波长分别为1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nm、1610nm和1700nm时的焦平面聚焦光场及其各分量的分布，半高宽分别为0.313λ、0.305λ、0.335λ、0.339λ、0.341λ、0.34λ、0.347λ、0.352λ，均小于衍射极限0.52λ。对于每个波长的聚焦光斑均是以角向分量为主，说明该器件在带宽大于210nm的范围内能够实现角向偏振转换，并实现无色差超衍射聚焦。
由以上实施例可见，通过合理设计，可以使该双折射相位调控超表面结构单元具有双折射效应和相位调控功能，在圆偏振光入射条件下，进而实现对反射光具有空间亚波长分辨率的偏振调控和相位调控；针对圆偏振入射光，根据所需的空间偏振和相位分布，排布双折射相位调控超表面结构单元，形成双折射相位调控超表面结构阵列，可以获得任意偏振和相位分布的特殊光场。并且该双折射相位调控超表面结构单元和双折射相位调控超表面结构阵列具有较宽的工作波长范围。
本发明提供的一种基于双折射超表面结构的宽带偏振与相位调控阵列，可在一定范围内实现对电磁波的偏振态和相位任意调控，该方法还可以拓展到电磁波的其他波段，不仅限于光学波段。因此，本发明可以广泛的应用在电磁波功能器件的设计和实现上。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本申请发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双折射相位调控超表面结构单元，包括基底(1)、金属反射膜(2)和介质层(3)，其特征在于，还包括“十”字形亚波长光学天线单元(4)；
所述基底(1)是厚度为h的介质材料，对入射光波长λ透明，上下表面平行；
所述金属反射膜(2)是在基底上表面、并紧贴基底、对入射波长λ具有高反射率、厚度为tr的一层金属薄膜；
所述介质层(3)是在金属反射膜上表面、并紧贴金属反射膜、对入射光波长λ透明、厚度为td的一层介质材料；
所述“十”字形亚波长光学天线单元(4)是由两个厚度为ta、且相互垂直交叉的长方形金属条构成，沿X方向和沿Y方向的金属条的长度、宽度分别为Lf、Wf和Ls、Ws；
所述结构单元在波长为λ的入射光从“十”字形亚波长光学天线单元(4)一侧入射情况下，对于分别沿“十”字形亚波长光学天线单元两个长方形长度方向的偏振分量，其反射光的相位相差π/2，形成具有双折射功能的超表面结构，该双折射超表面结构的两个长方形长度方向分别对应双折射效应的快轴和慢轴，快轴方向金属条长和宽分别为Lf和Wf，慢轴方向金属条长和宽分别为Ls和Ws；
所述结构单元具有1/4波片功能，并能够实现对反射光的相位进行调控。
2.一种基于权利要求1所述双折射相位调控超表面结构单元的宽带偏振与相位调控阵列，其特征在于，所述宽带偏振与相位调控阵列是由权利要求1的一系列双折射相位调控超表面结构单元(5)在X方向和Y方向即快轴和慢轴方向分别以Tf和Ts的周期分布形成的二维平面阵列；对于入射波长为λ的圆偏振光，根据出射平面上所需光场偏振方向，确定双折射相位调控超表面结构单元快轴方向，并根据快轴方向和出射平面上所需出射相位分布，选择快轴相位延迟满足出射相位分布的双折射相位调控超表面结构单元，在二维平面形成阵列排布，实现圆偏振入射光条件下，对反射光进行偏振和相位调控，使出射平面上光场满足所需的偏振和相位分布。
3.根据权利要求2所述的宽带偏振与相位调控阵列，其特征在于，构成所述阵列的一系列双折射相位调控超表面结构单元(5)的慢轴方向偏振分量相对于快轴方向偏振分量的相位延迟为π/2±m×2π，m为整数，对于入射波长为λ的圆偏振光，反射光为线偏振光，该反射光偏振固有偏转角即反射光偏振方向与快轴方向夹角β＝actan(As/Af)，其中Af、As分别为快轴和慢轴方向线偏振光的振幅反射率，通过在平面内旋转该双折射超表面结构单元，改变快轴的方向来控制反射光束的偏振方向；通过选择Lf、Wf、Ls、Ws和Tf、Ts，形成一系列双折射相位调控超表面结构单元，结构单元的快轴相位延迟为反射偏振固有偏转角为βk，快轴相位延迟的取值范围为0～2π(其中N为整数)，利用这一系列双折射相位调控超表面结构单元构成阵列，在平面空间内，在实现对反射光偏振方向控制的同时，实现对反射光相位在[0，2π]范围内的调控；所述双折射相位调控超表面结构单元(5)在波长范围[λ1，λ2]内，均能实现对出射光的偏振和相位的任意调控。
4.根据权利要求2或3所述的宽带偏振与相位调控阵列，其特征在于，
确定入射光波长为λ条件下，双折射相位调控超表面结构单元(5)的材料和结构参数：金属反射膜材料Mm、厚度tr；介质层材料Md、厚度td；并确定双折射相位调控超表面结构单元(5)在入射光波长为λ的圆偏振光条件下，反射光偏振固有偏转角为β、快轴相位延迟与“十”字形亚波长光学天线单元金属材料Ma、厚度ta、几何尺寸Lf、Wf、Ls、Ws、单元结构周期Tf和Ts的关系，方法具体如下：
(1)对于给定的入射波长λ，根据金属材料的磁导率μ和电导率σ，计算其在金属材料中的穿透深度δp＝(2/ωμσ)1/2{[1+(ωε/σ)2]1/2+ωε/σ]}1/2，其中ω＝2πc/λ，σ为金属电导率、ε为金属介电常数、μ为金属磁导率、c为真空中的光速，选择具有较小穿透深度的金属作为金属膜材料Mm，金属膜厚度最小值应满足tr>δp；
(2)在波长为λ的平面波垂直入射，即从“十”字形亚波长光学天线单元一侧向基底方向入射条件下，采用电磁场数值仿真软件，如采用CST软件等，分别采用与快轴和慢轴平行的线偏振平面波入射，针对不同介质层材料Md(如常见介质材料：SiO2、MgF2、TiO2等)和不同的“十”字形亚波长光学天线单元金属材料Ma(如常见金属材料：金、银、铂、铝、铜、钨等)，对几何尺寸参数td、Lf、Wf、Ls、Ws以及单元结构周期Tf和Ts进行优化，使得在快轴与慢轴两个方向的线偏振光反射光相位相差为π/2，并使快轴和慢轴方向的振幅反射率Af、As尽可能等于1，同时振幅反射率Af、As尽可能相等；优化N种这样的“十”字形亚波长光学天线单元结构尺寸Lf k、Wf k、Ls k、Ws k，其对应的沿快轴和慢轴方向线偏振光的反射率分别为Af k、As k，快轴相位延迟(其中k＝1,2,…,N；N为大于1的整数)的分布范围：确保在圆偏振光垂直入射条件下，第k个双折射相位调控超表面结构单元反射光偏振固有偏转角为βk＝actan(As k/Af k)。
5.根据权利要求2或3所述的基于双折射超表面结构的宽带偏振与相位调控阵列，其特征在于：所述双折射相位调控超表面结构单元为长方形单元，对于给定的单元中心位置(r,θ)处，确定双折射相位调控超表面结构单元快轴方向角α(r,θ)、快轴相位延迟反射光偏振固有偏转角β，方法具体如下：
对于出射平面所需的光场偏振分布γ(r,θ)和相位分布φ(r,θ)(其中γ为偏振方向与X轴正向的夹角，r,θ为二维平面极坐标)，确定位置(r,θ)处双折射相位调控超表面结构单元的几何尺寸td、Lf、Wf、Ls、Ws，使其同时满足α(r,θ)＝γ(r,θ)-β和
所述快轴方向角α(r,θ)是指快轴与X轴正方向的夹角，其是在长方形单元格不发生旋转的前提下，以“十”字形亚波长光学天线单元的几何中心为旋转中心，通过旋转双折射相位调控超表面结构单元中的“十”字形亚波长光学天线单元，实现双折射快轴和慢轴的在平面内的旋转，对应的旋转角度为α(r,θ)。
6.根据权利要求2或3所述的基于双折射超表面结构的宽带偏振与相位调控阵列，其特征在于：确定宽带反射型偏振与相位调控阵列的波长带宽，具体方法如下：
采用电磁场数值仿真软件(如采用CST软件等)，对基于十字形双折射相位调控超表面结构的宽带反射型偏振与相位调控阵列，在较宽的波长范围[λ1，λ2]内进行数值仿真，以确定其工作波长范围，在该波长范围内满足阵列设计要求。
7.根据权利要求2或3所述的基于双折射超表面结构的宽带偏振与相位调控阵列，其特征在于：所述宽带偏振与相位调控阵列的相位分布可以按照传统球面透镜或抛物面透镜相位分布，可将入射圆偏振光，直接转换成为径向或者角向偏振光，并在远场实现轴向偏振的实心焦斑或角向偏振的空心焦斑。
8.根据权利要求2或3所述的基于双折射超表面结构的宽带偏振与相位调控阵列，其特征在于：所述宽带偏振与相位调控阵列可在较宽的波长范围[λ1，λ2]内，将入射圆偏振光，直接转换成为径向或者角向偏振光，并在远场无色差地实现轴向偏振实心焦斑或角向偏振空心焦斑等。
9.一种径向偏振聚焦器件，其特征在于，器件半径R、焦距f，具有权利要求2-8所述的基于双折射超表面结构的宽带偏振与相位调控阵列；所述器件是采用等光程原理，利用双折射相位调控超表面结构单元对器件透射函数相位φ(r,θ)进行设计，径向偏振光中心位置为偏振奇点，中间区域无结构，器件有效区域为一个圆环，该圆环的外径R＝7λ，内径r＝2λ，器件焦距f＝2λ；器件平面上中心位置为(r,θ)的正方形单元所对应的相位满足：φ(r,θ)＝2πn/λ×[f-(r2+f2)1/2]+2πm，其中n为出射介质的折射率，m为整数；在该位置(r,θ)处所放置的第k种双折射相位调控超表面结构单元，其快轴与X轴的夹角α(r,θ)满足：α(r,θ)＝θ–βk，其中βk为第k种双折射相位调控超表面结构单元的反射光偏振固有偏转角；同时，该双折射相位调控超表面结构单元的快轴相位延迟满足或选择最接近φ(r,θ)+α(r,θ)的双折射相位调控超表面结构单元。
10.一种角向偏振聚焦器件，其特征在于，器件半径R、焦距f，具有权利要求2-8所述的基于双折射超表面结构的宽带偏振与相位调控阵列；所述器件是采用等光程原理，利用基于双折射超表面结构单元对器件透射函数相位φ(r,θ)进行设计，径向偏振光中心位置为偏振奇点，中间区域无结构，器件有效区域为一个圆环，该圆环的外径R＝7λ，内径r＝2λ，器件焦距f＝2λ；器件平面上中心位置为(r,θ)的正方形单元所对应的相位满足：φ(r,θ)＝2πn/λ×[f-(r2+f2)1/2]+2πm，其中n为出射介质的折射率，m为整数；在该位置(r,θ)处所放置的第k种双折射相位调控超表面结构单元，其快轴与X轴的夹角α(r,θ)满足：α(r,θ)＝π/2+θ–βk，其中βk为第k种双折射相位调控超表面结构单元的反射光偏振固有偏转角；同时，该双折射相位调控超表面结构单元的快轴相位延迟满足或选择最接近φ(r,θ)+α(r,θ)的双折射相位调控超表面结构单元。
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