CN108490603A - 基于透射型介质超颖表面产生矢量光束的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，属于微纳光学领域。选取非晶硅矩形纳米柱作为介质超颖表面结构单元，针对纳米柱几何尺寸进行设计，使其在特定工作波长的光照射下具有半波片功能；改变纳米柱单元的方位角实现对出射光场偏振方向的调控；根据目标柱矢量光束的偏振方向分布，得到纳米柱阵列的方位角分布，编码生成加工文件并进行加工；当入射线偏振光通过介质超颖表面后即得到目标柱矢量光束。本发明还公开基于透射型介质超颖表面产生任意偏振方向分布的矢量光束的方法，该方法可将偏振图案隐藏到矢量光束中，并用于光学防伪，偏振加密等应用场合。本发明能够在微型化、紧凑型的光学系统中产生任意矢量光束。

Description

基于透射型介质超颖表面产生矢量光束的方法
技术领域
本发明涉及一种任意矢量光束产生方法，尤其涉及基于透射型介质超颖表面的矢量光束产生方法，属于微纳光学领域。
背景技术
超颖表面通常是由一层亚波长尺寸的金属或介质纳米天线阵列构成。由于它具有任意调制入射电磁波的相位、振幅和偏振的功能而引起了研究人员广泛的关注。相比于利用光在传播过程中的相位累积来调控光场的传统光学元件，超颖表面则提供了一种通过光与纳米天线的相互作用来调控光场特性的新方法。通过调节纳米天线阵列的形状、尺寸和方位角，能够灵活调控入射光的波面。
光的偏振是光波的重要属性之一。通常所说的线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光都是空间均匀的偏振光束。与之相对应的另一类光束是空间不均匀的偏振光束。这类光束在其横截面上的偏振随空间位置变化而变化，也称其为矢量光束。柱矢量光束是矢量光束中比较特殊的一类，其光束横截面上的偏振方向关于光束传播轴对称分布，其中比较典型的两类光束是径向偏振光束和角向偏振光束。径向偏振光束在聚焦的过程中，由于它在焦平面上有很强的纵向电场，所以相比于空间均匀的偏振光束它的聚焦光斑更小。而角向偏振光束在通过透镜聚焦时，聚焦光斑中心角度为零，呈现出一种中空的形状。由于这些新奇的特性，柱矢量光束被应用于粒子加速、光学捕获和超分辨成像等领域。同时在这些应用的推动下，近些年来研究人员提出了许多产生柱矢量光束的方法，包括：(1)将双折射材料作为激光的增益介质放置在激光的谐振腔中可以实现径向偏振光束的产生；(2)基于偏振的选择特性，将一个布儒斯特棱镜与激光器等光学元件结合，实现径向偏振光束的直接产生；(3)在4-f系统中加入空间光调制器，对入射光的相位或强度进行调制，可以实现几乎任意矢量光束的产生；(4)具有四分之一波片功能的，空间变化的分块金属光栅也可以将圆偏振光转化为柱矢量光束。对于上述提到的方法(1)-(3)，存在着实验光路复杂或所用到的光学元件的几何尺寸较大等缺点，因此限制了此类方法不适用于微型化、紧凑型的光学系统。而对于方法(4)，其主要应用于红外光波段，当工作波长转移到较短波长时，光栅周期接近加工极限，大大提高了制造亚波长金属光栅的难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，通过纳米柱的旋转对出射光场偏振方向进行调控，从而实现适用于任意阶数的柱矢量光束的产生。由于基于透射型介质超颖表面具有亚波长像素、透射效率高、体积小和重量轻的优点，因此，通过该方法能够在微型化、紧凑型的光学系统中实现产生柱矢量光束。
此外，在实现上述发明目的的基础上，本发明目的还在于提供一种基于透射型介质超颖表面产生任意偏振方向分布的矢量光束的方法，通过调整纳米柱阵列的方位角分布实现对出射光场偏振方向的任意调控，从而产生的矢量光束在空间上各点均为线偏振态，并在光束的横截面上具有任意的偏振方向分布。该方法可将偏振图案隐藏到矢量光束中，并用于光学防伪，偏振加密等应用场合。
本发明目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，用于产生柱矢量光束的超颖表面由相同几何尺寸、不同方位角的纳米柱阵列构成。设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱在特定工作波长的光照射下具有半波片功能。通过改变纳米柱单元的方位角实现对出射光场偏振方向的调控。在确定纳米柱单元几何尺寸之后，需要根据目标柱矢量光束的偏振方向分布，得到纳米柱阵列的方位角分布，即确定每个纳米柱单元的旋转角度，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件。利用加工文件，采用电子束刻蚀的微纳加工工艺加工透射型介质超颖表面，当入射线偏振光通过介质超颖表面后即得到目标柱矢量光束。
本发明公开的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，包括如下步骤：
步骤一：用于产生柱矢量光束的超颖表面由相同几何尺寸、不同方位角的纳米柱阵列构成。设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱在特定工作波长的光照射下具有半波片功能，通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控。所述的几何尺寸包括纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期S。
用于产生柱矢量光束的超颖表面基于双折射原理。当入射光束通过单个纳米柱单元时，纳米柱单元长轴长度L和短轴长度W的尺寸差异导致沿着长轴方向和短轴方向有着不同的有效折射率，当入射光束通过单个纳米柱单元时，透射光束在长轴和短轴方向上的分量之间会存在相位差δ，相位差δ导致透射光束的偏振态发生改变。考虑将超颖表面单元结构作为半波片，当线偏振光通过该半波片时，透射光的琼斯矩阵如公式(1)所示：
式中第一个琼斯矩阵表示半波片，半波片快轴方向与x轴夹角为θ。当入射光为偏振方向与x轴夹角为α的线偏振光时，透射光的偏振态如公式(1)所示。若入射光束为x方向线偏振光，当其经过半波片后透射光束仍为线偏振光，但透射光束偏振方向与入射光偏振方向相比旋转了2θ。保持入射光束为x方向线偏振光，通过将半波片在0°-180°范围内任意旋转，实现偏振方向在0°-360°范围内的任意调控。
因此，为了实现基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束，设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱在特定工作波长的光照射下具有半波片功能，通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控，具体实现方法如下：
在纳米柱高度H和周期S固定的情况下，扫描仿真纳米柱的长轴长度L和短轴长度W。通过扫描仿真得到沿x轴和y轴方向的线偏振光分别通过不同尺寸纳米柱单元后的电场情况。由仿真所得电场数据计算出x方向线偏振光通过不同尺寸的纳米柱后的相位φx以及透射强度txx。同理，在y方向线偏振光入射时，得到对应的相位φy以及透射强度tyy。最终通过从仿真数据中选择符合φx-φy＝π条件的纳米柱长轴长度L和短轴长度W，从而使纳米柱单元在特定工作波长的光照射下具有半波片功能。纳米柱单元的长轴和短轴可视为半波片的快轴和慢轴。同时，在满足条件的L和W的组合当中应选择所对应透射强度txx和透射强度tyy较高的纳米柱单元几何尺寸。通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控。
步骤一所述仿真软件可采用基于严格耦合波分析方法的RCWA、基于时域有限差分方法的FDTD或基于有限元方法的COMSOL。
步骤二：通过改变纳米柱单元的方位角实现对出射光场偏振方向的调控，在步骤一中确定纳米柱单元几何尺寸之后，需要根据目标柱矢量光束的偏振方向分布，得到纳米柱阵列的方位角分布，即确定每个纳米柱单元的旋转角度，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件。
在极坐标系中柱矢量光束的偏振方向分布如公式(2)所示：
Φ(r,φ)＝P×φ+φ0 (2)
式中：Φ表示柱矢量光束横截面上任意一点的偏振方向，r和φ表示横截面上任意一点到中心点的距离和方位角，P为柱矢量光束的阶数，φ0为初始方位角；当φ0＝0时，公式(2)表示P阶径向偏振光束；当φ0＝π/2时，公式(2)表示P阶角向偏振光束；根据公式(1)(2)可知，纳米柱阵列的方位角分布由θ＝Φ/2给出，即确定每个纳米柱单元的旋转角度，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件。
步骤三：利用步骤二所得介质超颖表面结构的加工文件，通过电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质超颖表面，当入射线偏振光通过介质超颖表面后即得到目标柱矢量光束。
本发明还公开基于透射型介质超颖表面产生任意偏振方向分布的矢量光束的方法，改变步骤二中目标矢量光束的偏振方向分布，调整纳米柱阵列的方位角分布即实现对出射光场偏振方向的任意调控，从而产生任意偏振方向分布的矢量光束。该方法可将偏振图案隐藏到矢量光束中，并用于光学防伪，偏振加密等应用场合。
为实现较高透射效率的具有半波片功能的纳米柱阵列，当工作波长为780nm时，所述的纳米柱单元材料优选非晶硅。
有益效果：
1、本发明公开的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，通过调整纳米柱阵列的方位角分布即实现对出射光场偏振方向的任意调控，从而产生任意阶数的柱矢量光束。
2、本发明公开的基于透射型介质超颖表面产生任意偏振方向分布的矢量光束的方法，改变步骤二中目标矢量光束的偏振方向分布，调整纳米柱阵列的方位角分布即实现对出射光场偏振方向的任意调控，从而产生任意偏振方向分布的矢量光束。该方法可将偏振图案隐藏到矢量光束中，并用于光学防伪，偏振加密等应用场合。
3、本发明公开的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法或基于透射型介质超颖表面产生任意偏振方向分布的矢量光束的方法，由于基于透射型介质超颖表面具有亚波长像素、透射效率高、体积小和重量轻的优点，因此，通过该方法能够在微型化、紧凑型的光学系统中实现任意矢量光束的产生，并进行超分辨聚焦、偏振加密等相关应用研究。
4、本发明公开的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法或基于透射型介质超颖表面产生任意偏振方向分布的矢量光束的方法，当工作波长为780nm时，所述的纳米柱单元材料优选非晶硅。因此，具有半波片功能的纳米柱阵列可实现较高透射效率。
5、相比于利用金属光栅产生柱矢量光束的方法，本发明公开的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法或基于透射型介质超颖表面产生任意偏振方向分布的矢量光束的方法，由于当前介质型超颖表面电子束刻蚀加工工艺的加工分辨率为十纳米左右，本发明可用于可见光和近红外波段矢量光束的产生。
附图说明
图1是本发明的一种基于透射型介质超颖表面产生矢量光束的方法流程图；
图2是本发明实施例1中基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束(P＝4)的示意图；
图3是本发明实施例1中仿真结果示意图；
图4是本发明实施例1和2实验中所用的实验光路图；
其中：1—线偏振片P1、2—介质超颖表面、3—显微物镜、4—线偏振片P2、5—CCD
图5是本发明实施例1实验中产生的柱矢量光束的光强分布；
图6是本发明实施例1实验中所产生的高阶柱矢量光束的偏振信息；
图7是本发明实施例2中的偏振加密图案；
图8是本发明实施例2实验中产生的用于偏振加密的矢量光束的光强分布；
图9是本发明实施例2实验中去掉所有偏振片后得到的透射光束的光强分布；
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对发明内容做进一步说明。
实施例1：柱矢量光束的产生方法
如图1所示，本实施例基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，具体实现方法如下：
步骤一：用于产生柱矢量光束的超颖表面由相同几何尺寸、不同方位角的纳米柱阵列构成。设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱在特定工作波长的光照射下具有半波片功能，通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控。所述的几何尺寸包括纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期S。
为了实现基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束，设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱在特定工作波长(780nm)的光照射下具有半波片功能，通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控，具体实现方法如下：
基于严格耦合波分析的方法(RCWA)在纳米柱高度H和周期S固定的情况下，扫描仿真纳米柱的长轴长度L和短轴长度W。针对特定工作波长780nm，仿真所用介质材料硅的折射率为n＝3.8502+0.0109i。通过扫描仿真得到沿x轴和y轴方向的线偏振光分别通过不同尺寸纳米柱单元后的电场情况。由仿真所得电场数据计算出x方向线偏振光通过不同尺寸的纳米柱后的相位φx以及透射强度txx。同理，在y方向线偏振光入射时，得到对应的相位φy以及透射强度tyy。最终通过从仿真数据中选择符合φx-φy＝π条件的纳米柱长轴长度L和短轴长度W,从而使纳米柱单元在特定工作波长的光照射下具有半波片功能。纳米柱单元的长轴和短轴视为半波片的快轴和慢轴，同时，在满足条件的L和W的组合当中应选择所对应透射强度txx和透射强度tyy较高的纳米柱单元几何尺寸。最终确定纳米柱长轴长度L为180nm,短轴长度W为90nm,高度H为500nm以及周期S为240nm。通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控。
步骤二：通过改变纳米柱单元的方位角实现对出射光场偏振方向的调控，在步骤一中确定纳米柱单元几何尺寸之后，需要根据目标柱矢量光束的偏振方向分布，得到纳米柱阵列的方位角分布，即确定每个纳米柱单元的旋转角度，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件。
为了简化超颖表面结构的设计，如公式(2)所示，选取φ0＝0，通过介质超颖表面，在x方向线偏振光入射的情况下生成高阶径向偏振光束(P＝3,4,5)。所设计的介质超颖表面由相同尺寸、不同方位角的非晶硅纳米柱阵列组成。每一个单元都可以视为一个半波片，纳米柱的长轴和短轴可视为半波片的快轴和慢轴。因此，此超颖表面也可以视为一个快轴方向空间变化的半波片。根据公式(1)(2)可知，纳米柱阵列的方位角分布由θ＝Φ/2给出，即确定每个纳米柱单元的旋转角度，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件。利用同一个超颖表面，在x或者y方向线偏振光入射的情况下，分别得到高阶径向偏振光束和角向偏振光束。当入射线偏振光的偏振角为其它角度时，即得到其它类型的柱矢量光束。
图2为实施例基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束(P＝4)的示意图。
在加工介质超颖表面之前，可利用基于时域有限差分方法的软件(FDTD)进行仿真，验证所提出方案的有效性。用于仿真的介质超颖表面示意图(P＝3,4,5),以及仿真中产生的柱矢量光束的偏振信息如图3所示。图中给出了仿真产生的柱矢量光束横截面上各点的偏振椭圆，以及偏振椭圆方位角。光束横截面上各点几乎保持线偏振态不变，并且各点的偏振椭圆方位角符合公式(2)。因此，通过数值仿真验证了所提出方案的有效性。
步骤三：利用步骤二所得介质超颖表面结构的加工文件，通过电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质超颖表面，当入射线偏振光通过介质超颖表面后即得到目标柱矢量光束。
步骤三所述的加工工艺优选标准的电子束刻蚀的微纳加工工艺。三个样品的工作波长为780nm。
图4为实施例实验中所使用的产生柱矢量光束的光路图。通过实验中CCD测到的透射光光强数据，计算斯托克斯参数，可得到实验中产生光束的偏振信息。激光器发出的光束通过线偏振片P1后，得到线偏振光。当P1的透光轴沿x轴方向时，相当于x方向线偏振光照射到样品上。若将P1旋转90°使其透光轴沿y轴方向，则此时相当于y线偏振光照射到样品上。
斯托克斯参数如公式(3)所示：
式中Ii,j表示通过CCD测到的光强数据。i表示线偏振振片P2的透光轴与x轴夹角，j为在入射光两个正交方向所加的相位延迟，在实验中由1/4波片提供。在测量I45,90和I135,90时，需要将1/4波片放置在线偏振片P2之前,并使其快轴沿x轴方向。实验中测到的用于计算斯托克斯参数的光强如图5所示。当产生的径向偏振光束和角向偏振光束通过线偏振片P2时，透射光束会出现消光的区域，并且消光区域的数目与偏振光的阶数P有关。在P1透光轴方向沿x或y轴不变的情况下，转动线偏振片P2，消光区域随着偏振片的转动而转动。此实验现象反映出实验中产生的柱矢量在其横截面上具有空间变化的偏振分布。
通过计算斯托克斯参数，可得到实验中产生的柱矢量光束横截面上各点的椭偏率(-1≤X≤1)以及偏振椭圆方位角(0≤Ψ≤π)，如图6所示。光束横截面上各点几乎保持线偏振态不变，并且各点的偏振椭圆方位角ψ与仿真结果(图3)一致。利用同一个超颖表面，在x或者y方向线偏振光入射的情况下，得到高阶径向偏振光束和角向偏振光束。实验中测得的，三个样品的透射效率分别为79.98％,84.95％，84.76％。
由此可见，本实施例公开的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，能够高效地实现高阶径向偏振光束与角向偏振光束的产生，并具有很高的能量利用率。由于基于透射型介质超颖表面具有亚波长像素、透射效率高、体积小和重量轻的优点，因此，通过该方法能够在微型化、紧凑型的光学系统中实现产生柱矢量光束。
实施例2：可用于偏振加密的矢量光束的产生方法
如图1所示，本实施例基于透射型介质超颖表面产生任意偏振方向分布的矢量光束的方法。通过该方法可将偏振图案隐藏到矢量光束中，具体实现方法如下：
步骤一：用于产生偏振加密图案的矢量光束的超颖表面由相同几何尺寸、不同方位角的纳米柱阵列构成。设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱在特定工作波长的光照射下具有半波片功能，通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控。所述的几何尺寸包括纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期S。
步骤二：通过改变纳米柱单元的方位角实现对出射光场偏振方向的调控，在步骤一中确定纳米柱单元几何尺寸之后，需要根据目标加密图案的偏振方向分布，得到纳米柱阵列的方位角分布，即确定每个纳米柱单元的旋转角度，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件。
为实现将偏振图案隐藏到矢量光束中，选取图7所示的灰度图像。目标加密图案由空间变化的线偏振光组成，其横截面上的偏振方向分布Φ由图7中各点灰度值所决定。不同灰度值对应不同的偏振方向，对应的偏振方向由图中数字表示。根据公式(1)(2)可知，纳米柱阵列的方位角分布由θ＝Φ/2给出，即确定每个纳米柱单元的旋转角度，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件。
步骤三：利用步骤二所得介质超颖表面结构的加工文件，通过电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质超颖表面，当入射线偏振光通过介质超颖表面后即得到可用于偏振加密的矢量光束。
步骤三所述的加工工艺优选标准的电子束刻蚀的微纳加工工艺。样品的工作波长为780nm。
图4为实施例实验中所使用的产生可用于偏振加密的矢量光束的光路图。
实验中旋转线偏振片P2即可验证所产生矢量光束横截面上的偏振方向分布。激光器发出的光束通过线偏振片P1后，得到线偏振光。保持P1的透光轴沿x轴方向，使x方向线偏振光照射到样品上。将线偏振片P2旋转到特定角度，并用CCD记录透射光束的光强，所得到的实验结果如图8所示。图中数字表示线偏振片P2的透光轴方向。当线偏振片P2旋转到特定角度时，由于特定区域的透射光束偏振方向与线偏振片P2的透光轴方向互相垂直。此时，通过CCD可观察到特定区域存在消光现象。通过旋转线偏振片P2，消光区域发生改变，不同花瓣被点亮。此现象反映出实验中所产生的矢量光束在其横截面上具有空间变化的偏振方向分布，同时偏振方向分布与预期相符。通过线偏振片P1和P2，在图8中可以清晰地观察到图7所示的花朵图案，同时可得到各个区域的偏振信息。若在实验中去掉线偏振片P1和P2，使激光器出射的光直接照射到样品上，并用CCD记录透射光束的光强，所得到的实验结果如图9所示。图9中只能观察到强度均一、模糊的图案。在去掉线偏振片P1和P2后，实验中无法清晰地再现出图7所示图案，同时也无法得到图7各个区域的偏振信息。
由此可见，本实施例公开的用于偏振加密的矢量光束的产生方法，能够高效地实现偏振图案隐藏到矢量光束中，原图各个区域的偏振信息需要通过特定方法得到。由于基于透射型介质超颖表面具有亚波长像素、透射效率高、体积小和重量轻的优点。因此，通过该方法能够在微型化、紧凑型的光学系统中实现产生可用于偏振加密的矢量光束。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：用于产生柱矢量光束的超颖表面由相同几何尺寸、不同方位角的纳米柱阵列构成；设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱在特定工作波长的光照射下具有半波片功能，通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控；所述的几何尺寸包括纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H以及超颖表面单元的周期S；
步骤二：通过改变纳米柱单元的方位角实现对出射光场偏振方向的调控，在步骤一中确定纳米柱单元几何尺寸之后，需要根据目标柱矢量光束的偏振方向分布，得到纳米柱阵列的方位角分布，即确定每个纳米柱单元的旋转位置，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件；
在极坐标系中柱矢量光束的偏振方向分布如公式(2)所示：
Φ(r,φ)＝P×φ+φ0 (2)
式中：Φ表示柱矢量光束横截面上任意一点的偏振方向，r和φ表示横截面上任意一点到中心点的距离和方位角，P为柱矢量光束的阶数，φ0为初始方位角；当φ0＝0时，公式(2)表示P阶径向偏振光束；当φ0＝π/2时，公式(2)表示P阶角向偏振光束；根据公式(1)(2)可知，纳米柱阵列的方位角分布由θ＝Φ/2给出，即确定每个纳米柱单元的旋转角度，从而编码生成相应介质超颖表面结构的加工文件；
步骤三：利用步骤二所得介质超颖表面结构的加工文件，通过电子束刻蚀的微纳加工方法，制备透射型介质超颖表面，当入射线偏振光通过介质超颖表面后即得到目标柱矢量光束。
2.如权利要求1所述的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为，
用于产生柱矢量光束的超颖表面基于双折射原理。当入射光束通过单个纳米柱单元时，纳米柱单元长轴长度L和短轴长度W的尺寸差异导致沿着长轴方向和短轴方向有着不同的有效折射率，当入射光束通过单个纳米柱单元时，透射光束在长轴和短轴方向上的分量之间会存在相位差δ，相位差δ导致透射光束的偏振态发生改变；考虑将超颖表面单元结构作为半波片，当线偏振光通过该半波片时；透射光的琼斯矩阵如公式(1)所示：
式中第一个琼斯矩阵表示半波片，半波片快轴方向与x轴夹角为θ；当入射光为偏振方向与x轴夹角为α的线偏振光时，透射光的偏振态如公式(1)所示；若入射光束为x方向线偏振光，当其经过半波片后透射光束仍为线偏振光，但透射光束偏振方向与入射光偏振方向相比旋转了2θ；保持入射光束为x方向线偏振光，通过将半波片在0°-180°范围内任意旋转，实现偏振方向在0°-360°范围内的任意调控。
3.如权利要求1或2所述的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，其特征在于：在步骤一中，为了实现基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束，设计纳米柱单元几何尺寸，使纳米柱在特定工作波长的光照射下具有半波片功能，通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控，具体实现方法如下，
在纳米柱高度H和周期S固定的情况下，扫描仿真纳米柱的长轴长度L和短轴长度W；通过扫描仿真得到沿x轴和y轴方向的线偏振光分别通过不同尺寸纳米柱单元后的电场情况；由仿真所得电场数据计算出x方向线偏振光通过不同尺寸的纳米柱后的相位φx以及透射强度txx；同理，在y方向线偏振光入射时，得到对应的相位φy以及透射强度tyy；最终通过从仿真数据中选择符合φx-φy＝π条件的纳米柱长轴长度L和短轴长度W，从而使纳米柱单元在特定工作波长的光照射下具有半波片功能；纳米柱单元的长轴和短轴可视为半波片的快轴和慢轴；同时，在满足条件的L和W的组合当中应选择所对应透射强度txx和透射强度tyy较高的纳米柱单元几何尺寸；通过旋转纳米柱实现对出射光场偏振方向的调控。
4.如权利要求1所述的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法，其特征在于：步骤三所述的加工工艺采用电子束刻蚀的微纳加工工艺。
5.基于透射型介质超颖表面产生任意偏振方向分布的矢量光束的方法，其特征在于：在如权利要求1、2、3或4所述的基于透射型介质超颖表面产生柱矢量光束的方法基础上实现，改变步骤二的目标矢量光束的偏振方向分布，调整纳米柱阵列的方位角分布即实现对出射光场偏振方向的任意调控，从而产生的矢量光束在横截面上具有任意的偏振方向分布。
6.如权利要求5所述的基于透射型介质超颖表面产生任意偏振方向分布的矢量光束的方法，其特征在于：将偏振图案隐藏到矢量光束中，并用于光学防伪，偏振加密等应用场合。
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