CN109634086B - 基于惠更斯超表面的复振幅调制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于惠更斯超表面的复振幅调制方法及装置，包括：通过改变介质块的臂长和臂宽，优化超表面单元的高度，并选择预设工作波长，以使得超表面单元电极子谐振峰和偶极子谐振峰重合；在第一预设区间逐渐调节预设参数，并固定其他参数，以线性调控目标振幅，并得到第一二维分布图；在第二预设区间内逐渐旋转超表面单元与X轴的旋转角，以线性调控目标相位，并得到第二二维分布图；根据预设参数、旋转角、第一二维分布图和第二二维分布图得到复振幅分布，以根据得到的所有超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息得到任意复振幅对应的调制参数。该方法基于惠更斯原理设计的超表面，能广泛应用于光场整形、集成光电子系统和全息显示等领域。

Description

基于惠更斯超表面的复振幅调制方法及装置
技术领域
本发明涉及微纳光学技术领域，特别涉及一种基于惠更斯超表面的复振幅调制方法及装置。
背景技术
全息显示通过重建物光波的波前信息来实现三维场景的真实重现。物光波的波前传播到全息成像平面时包含了振幅和相位的复振幅信息。目前人们还没发展出一种能同时记录振幅的相位的记录材料。因此将复振幅调制分解成振幅或是相位信息再进行调制是当前解决的办法。复振幅转化的振幅或相位信息被加载到DMD(Digital MicromirrorDevice，数字微镜器件)或LCoS(Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶器件)上，再利用对应的波长入射到该类器件上即可实现全息图像的再现。这类调制器件虽然已经被广泛使用，但重建的全息图像还存在比较多的问题。如存在直流分量，散斑噪声大，图像分辨率不高，三维图像的观察视角很小等。事实上，直接对复振幅进行调制有助于抑制直流分量，噪声和共扼像，获得高衍射效率的三维显示。同时，尽量降低调制器件的像素尺寸，能获得大的观察视角。
相关技术中，一种采用液晶器件实现复振幅调制的办法，该方法虽然实现了复振幅调制，但所采用的液晶器件的像素尺寸还比较大，不能提升观察视角。随着空间光调制器的发展，基于多片LCoS的复振幅调制方法被提出，比如，全息光镊中高效的控制振幅和相位，但该方法要求各片LCoS之间实现像素级对准，这是很难做到的。此外，利用单片LCoS的三四个相邻像素单元构成超像素，每个超像素调制一个复振幅，也是一种复振幅调制的方法，但该方式则牺牲了分辨率。一种非迭代复振幅调制全息投影方法将复振幅光场各个像素的光矢量分解为两个纯相位值，利用棋盘格图样进行采样合成，再加上倾斜平面波因子进行编码。该方法实现了用单个相位空间光调制器编码表示复振幅。但该方法也受限于空间光调制器的像素大小，不能实现高分辨率的全息图重建。总之，这些方法都存在不足。
超表面由亚波长尺寸的微天线阵列构成。它能实现任意的波前调制，包括对振幅、相位和偏振的调控。基于超表面的器件和应用研究已经涉及诸多方面，包括平面超透镜、超材料波带片、分束器、可调控表面等离激元分束器,以及高分辨率三维全息成像等。与传统的空间光调制器类似，超表面通过排列不同的调制单元实现对入射光的调制。超表面的亚波长像素尺寸使得高分辨率和大观察角度的全息重现变得非常容易。复振幅调控要求振幅和相位能独立调控，至少需要同时在一个调制单元上引入两个参数来满足调制要求，因此设计一个合适的复振幅调控超表面也不容易。目前一些工作利用纳米棒、开口环实现了对全息图的复振幅编码。
相关技术中，一种基于超颖表面的近场表面等离激元复振幅调制方法中提到了，通过改变纳米矩形柱结构和旋转结构来实现复振幅调控的方法，但这些工作种提到的器件都存在问题，有的偏振转换效率不高，有的因为振幅或相位随参数的变化并非线性而导致了加工误差会带来很大影响。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于惠更斯超表面的复振幅调制方法，该方法基于惠更斯原理设计的超表面，超表面单元的厚度相比传统超表面大大降低，更有利于大面积批量加工，且可以广泛应用于光场整形、集成光电子系统和全息显示等领域。
本发明的另一个目的在于提出一种基于惠更斯超表面的复振幅调制装置。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于惠更斯超表面的复振幅调制方法，所述超表面包括多个超表面单元，所述超表面单元由第一介质块和第二介质块互相正交构成，其中，所述方法包括以下步骤：通过改变所述第一介质块的第一臂长和第一臂宽、所述第二介质块的第二臂长和第二臂宽，优化所述超表面单元的高度，并选择预设工作波长，以使得所述超表面单元电极子谐振峰和偶极子谐振峰重合；在第一预设区间逐渐调节预设参数，并固定其他参数，以线性调控目标振幅，并根据在所述预设参数调节过程中所有的所述预设参数和所述目标振幅的数据得到第一二维分布图，其中，所述预设参数为所述第一臂长、第一臂宽、第二臂长和第二臂宽参数中的任意一个参数；第二预设区间内逐渐旋转所述超表面单元与X轴的旋转角，以线性调控目标相位，并根据在所述旋转角旋转过程中所有所述旋转角和所述目标相位的数据得到第二二维分布图，其中，以所述超表面所在的平面建立平面坐标系；根据所述预设参数、所述旋转角、所述第一二维分布图和所述第二二维分布图得到复振幅分布，并根据所述复振幅分布得到所有所述超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息；根据所有所述超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息得到任意复振幅对应的调制参数。
本发明实施例的基于惠更斯超表面的复振幅调制方法，通过改变超表面单元的几何结构参数中的某个参数，和整个单元结构的旋转角度，实现了目标振幅和相位的同时调控，且几何参数变化控制振幅，整体结构的旋转角度控制相位，可以对任意复振幅进行调制，从而基于惠更斯原理设计的超表面，超表面单元的厚度相比传统超表面大大降低，更有利于大面积批量加工，且可以广泛应用于光场整形、集成光电子系统和全息显示等领域。
另外，根据本发明上述实施例的基于惠更斯超表面的复振幅调制方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述预设参数、所述旋转角、所述第一二维分布图和所述第二二维分布图得到复振幅分布，进一步包括：根据所述第一二维分布图、并沿着所述预设参数变化方向确定第一振幅Ai，记录下此时对应的所述预设参数的第一数值Wi；固定所述预设参数，并根据所述第二二维分布图、且沿着所述旋转角变化方向确定第一相位
Figure BDA0001966215100000031
记录下此时所述旋转角的第二数值θi；根据所述数值Wi和所述数值θi得到所述复振幅分布。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述复振幅分布为：
Figure BDA0001966215100000032
其中，Ai为所述第一振幅，
Figure BDA0001966215100000033
为所述第一相位。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二预设区间可以为0至π。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述介质块采用介质材料或金属材料制成。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于惠更斯超表面的复振幅调制装置，所述超表面包括多个超表面单元，所述超表面单元由第一介质块和第二介质块互相正交构成，其中，所述装置包括：初始化模块，用于通过改变所述第一介质块的第一臂长和第一臂宽、所述第二介质块的第二臂长和第二臂宽，优化所述超表面单元的高度，并选择预设工作波长，以使得所述超表面单元电极子谐振峰和偶极子谐振峰重合；调节模块，用于在第一预设区间逐渐调节预设参数，并固定其他参数，以线性调控目标振幅，并根据在所述预设参数调节过程中所有的所述预设参数和所述目标振幅的数据得到第一二维分布图，其中，所述预设参数为所述第一臂长、第一臂宽、第二臂长和第二臂宽参数中的任意一个参数；旋转模块，用于在第二预设区间内逐渐旋转所述超表面单元与X轴的旋转角，以线性调控目标相位，并根据在所述旋转角旋转过程中所有所述旋转角和所述目标相位的数据得到第二二维分布图，其中，以所述超表面所在的平面建立平面坐标系；查找模块，用于根据所述预设参数、所述旋转角、所述第一二维分布图和所述第二二维分布图得到复振幅分布，并根据所述复振幅分布得到所有所述超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息；处理模块，用于根据所有所述超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息得到任意复振幅对应的调制参数。
本发明实施例的基于惠更斯超表面的复振幅调制装置，通过改变超表面单元的几何结构参数中的某个参数，和整个单元结构的旋转角度，实现了目标振幅和相位的同时调控，且几何参数变化控制振幅，整体结构的旋转角度控制相位，可以对任意复振幅进行调制，从而基于惠更斯原理设计的超表面，超表面单元的厚度相比传统超表面大大降低，更有利于大面积批量加工，且可以广泛应用于光场整形、集成光电子系统和全息显示等领域。
另外，根据本发明上述实施例的基于惠更斯超表面的复振幅调制装置还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述查找模块进一步用于根据所述第一二维分布图、并沿着所述预设参数变化方向确定第一振幅Ai，记录下此时对应的所述预设参数的第一数值Wi，固定所述预设参数，并根据所述第二二维分布图、且沿着所述旋转角变化方向确定第一相位
Figure BDA0001966215100000041
记录下此时所述旋转角的第二数值θi，并根据所述数值Wi和所述数值θi得到所述复振幅分布。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述复振幅分布为：
Figure BDA0001966215100000042
其中，Ai为所述第一振幅，
Figure BDA0001966215100000043
为所述第一相位。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二预设区间可以为0至π。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述介质块采用介质材料或金属材料制成。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于惠更斯超表面的复振幅调制方法的流程如图；
图2为根据本发明一个实施例的单个单元示意图；
图3为根据本发明一个实施例的设计的单个单元在改变W2和θ时的振幅分布和相位分布示意图；
图4为根据本发明一个实施例的编码复振幅信息的超表面的示意图；
图5为根据本发明一个实施例的平面波入射到该超表面上的示意图；
图6为根据本发明一个实施例的基于惠更斯超表面的复振幅调制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于惠更斯超表面的复振幅调制方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于惠更斯超表面的复振幅调制方法。
图1是本发明一个实施例的基于惠更斯超表面的复振幅调制方法的流程如图。
如图1所示，该基于惠更斯超表面的复振幅调制方法，超表面包括多个超表面单元，超表面单元由第一介质块和第二介质块互相正交构成，其中，方法包括以下步骤：
在步骤S101中，通过改变第一介质块的第一臂长和第一臂宽、第二介质块的第二臂长和第二臂宽，优化超表面单元的高度，并选择预设工作波长，以使得超表面单元电极子谐振峰和偶极子谐振峰重合。
其中，在本发明的一个实施例中，介质块采用介质材料或金属材料制成，当然，材料不仅仅限制与上述的材料，还包括多种材料，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，在此不做具体限定。
可以理解的是，通过改变正交介质块的两个臂的长L1，L2和宽W1，W2，优化介质块的高度H，选择合适的工作波长。
具体而言，如图2所示，根据广义的惠更斯原理，入射光正入射到超表面上，超表面的各个单元可以视为一系列次波源。当次波源的电极子和磁极子谐振峰重合时，超表面将没有反射，从而实现高透射效率。通过调节正交介质块的两个臂的长L1，L2和宽W1，W2，优化介质块的高度H，使得在需要的工作波长处，结构的电极子谐振峰和偶极子谐振峰重合。
需要说明的是，波长不限于光波段，也可以为太赫兹和微波波段等，在此不做具体限定，仅作为本发明的示例。基于惠更斯原理的设计，使得电极子谐振峰和磁极子谐振峰重合，不仅实现了透射效率的提高，而且使得超表面单元厚度的降低。
举例而言，采用介质材料硅作为正交介质块。针对设计波长1.396μm，介质材料硅的折射率设为3.5。以左旋圆偏振光入射，对透射光中的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的比值做监测。根据惠更斯原理，对L1,L2,W1,W2和H进行仿真优化，对各个参数进行扫描。优化得到的结构参数为L1＝0.7μm，L2＝0.4μm，W1＝0.2μm，W2＝0.2μm，H＝0.25μm。在此结构参数下，超表面单元的电极子谐振峰和磁极子谢振峰重合，此时，超表面单元的偏振效率最高，约为90％。
在步骤S102中，在第一预设区间逐渐调节预设参数，并固定其他参数，以线性调控目标振幅，并根据在预设参数调节过程中所有的预设参数和目标振幅的数据得到第一二维分布图，其中，预设参数为第一臂长、第一臂宽、第二臂长和第二臂宽参数中的任意一个参数。
其中，在本发明的一个实施例中，第一预设区间可以为0.2μm至0.4μm。需要说明的是，第一预设区间的取值范围并不限定于0.2μm至0.4μm，还可以包括多个取值区间，在此仅为示例，不做具体限定。
可以理解的是，过微调正交介质块的两个臂的长L1，L2和宽W1，W2，实现对振幅的调控。基于惠更斯原理的设计，使得在改变超表面单元几何结构的某一参数时，该超表面单元对反向偏振光的调制作用发生变化，实现出射光中反向偏振光的振幅变化。
具体而言，调节参数使得谐振峰重合后，要实现对振幅的调控，就要逐渐打破电极子谐振峰和磁极子谐振峰的重合。随着两个谐振峰偏离彼此越来越多，整个单元的散射光振幅就会减小。为了不引入额外的相位变化，该步骤中只对L1，L2，W1，W2这四个参数中的其中一个参数(一下的描述中将该参数称为M)进行控制，随着该参数的变化，单元的散射光的振幅也是线性变化的。
举例而言，在步骤S101优化出来的结构的基础上，固定其他参数并设置旋转角θ为0。以左旋圆偏振光入射，改变W2，改变的范围在0.2μm～0.4μm之间。得到W2变化时，右旋偏振光的振幅分布。再旋转整个单元结构，使得旋转角在0～π之间变化，得到振幅的分布图如图3左图所示。
在步骤S103中，在第二预设区间内逐渐旋转超表面单元与X轴的旋转角，以线性调控目标相位，并根据在旋转角旋转过程中所有旋转角和目标相位的数据得到第二二维分布图，其中，以超表面所在的平面建立平面坐标系。
其中，在本发明的一个实施例中，第二预设区间可以为0至π。需要说明的是，第二预设区间取值范围并不限定于0至π，还可以包括多个取值区间，在此仅为示例，不做具体限定。
可以理解的是，通过旋转整个单元结构与x轴的夹角θ，实现对相位的调控。基于几何相位的设计，旋转超表面单元来实现相位调控，实现了连续相位的线性调控。
在本发明中，相位的改变主要来源于两个方面，一个方面是步骤S102中对M进行改变时带来的相位
Figure BDA0001966215100000061
另一个方面是旋转整个单元结构与x轴的夹角θ带来的几何相位变化
Figure BDA0001966215100000062
其中，。每个M值对应的相位
Figure BDA0001966215100000063
不同，且相位
Figure BDA0001966215100000064
不随旋转角度θ而变化。相位
Figure BDA0001966215100000065
与M的变化关系可以用软件仿真获得。相位
Figure BDA0001966215100000066
和旋转角θ之间的关系为：
Figure BDA0001966215100000067
旋转角θ的变化范围是0到π。总的相位
Figure BDA0001966215100000068
举例而言，通过改变旋转角θ，实现对相位的调控。在步骤二优化出来的结构的基础上，固定其他参数。以左旋圆偏振光入射，对每个W2的值，改变旋转角θ，使得旋转角在0～π之间变化。得到右旋偏振光的相位分布如图3右图所示。
在步骤S104中，根据预设参数、旋转角、第一二维分布图和第二二维分布图得到复振幅分布，并根据复振幅分布得到所有超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息。
可以理解的是，本发明实施例查找任意复振幅对应的单元结构的数据。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据预设参数、旋转角、第一二维分布图和第二二维分布图得到复振幅分布，进一步包括：根据第一二维分布图、并沿着预设参数变化方向确定第一振幅Ai，记录下此时对应的预设参数的第一数值Wi；固定预设参数，并根据第二二维分布图、且沿着旋转角变化方向确定第一相位
Figure BDA0001966215100000069
记录下此时旋转角的第二数值θi；根据数值Wi和数值θi得到复振幅分布。
其中，在本发明的一个实施例中，复振幅分布为：
Figure BDA00019662151000000610
其中，Ai为第一振幅，
Figure BDA00019662151000000611
为第一相位。
具体而言，根据步骤S102和步骤S103，通过仿真软件的数值模拟，可以分别得到振幅随W，θ的二维分布图，相位随W，θ的二维分布图。本发明实施例公开的一种基于惠更斯超表面的复振幅调制器件，其振幅随W线性变化，相位随θ线性变化。对于任意一个复振幅分布
Figure BDA0001966215100000071
首先参考振幅随W，θ的二维分布图，先沿W的变化方向确定振幅Ai，记录下此时对应的W参数的数值Wi；其次在相位随W，θ的二维分布图中，固定W，再沿θ的变化方向确定相位
Figure BDA0001966215100000072
记录下此时对应的θ的数值θi。于是，可以由记录下来的W,θ决定复振幅分布Ei。
举例而言，查找任意复振幅对应的单元结构的数据。利用步骤S102和步骤S103，建立起了W2和θ变化时的振幅/相位分布的索引数据图表。基于该图表，即可对任意复振幅Ei＝0.723+0.3425j，先提取其幅值和相位，即0.8*exp(-j*160)，再寻找出对应的(W2i，θi)。在图3左图中，沿W2变化方向，也就是图中箭头方向，寻找出需要的Ai值，如图中直线所示，此时对应W2i＝0.25μm。将该直线对应到图3右图中，再沿该直线方向，也即图中箭头方向，寻找出需要的
Figure BDA0001966215100000073
值。如图中白色点所示，此时对应
Figure BDA0001966215100000074
在步骤S105中，根据所有超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息得到任意复振幅对应的调制参数。
可以理解的是，编码复振幅数据到超表面。具体而言，利用步骤S104，可以确定任意复振幅分布
Figure BDA0001966215100000075
对应的超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息(Wi，θi)。对于一组需要编码到超表面上的二维复振幅数据，其对应的几何尺寸信息和旋转角信息(Wi，θi)也是一组二维数据。利用这组几何结构数据(Wi，θi)，可以设计出超表面单元构成的超表面。
举例而言，在步骤S104中，得到了对应的超表面单元的结构数据W2i和
Figure BDA0001966215100000076
再结合步骤S101优化得到的其他数据，即可建立该超表面单元。图4左上图和右上图分别为需要编码的二维振幅和二维相位分布。利用步骤S104，即可得到每个振幅和相位对应的W2i和
Figure BDA0001966215100000077
利用这些W2i和
Figure BDA0001966215100000078
即可建立超表面阵列。如图4左下图所示，对应图4左下图的局部放大图如图4右下图所示。在使用该超表面调制光场时，如图5所示，平面波入射到该超表面上，对应各个像素处出射的光场被调制成复振幅
Figure BDA0001966215100000079
Figure BDA00019662151000000710
综上，基于惠更斯原理和几何相位原理。超表面单元由两个互相正交的介质块构成。通过调节正交介质块的两个臂的长L1，L2和宽W1，W2，实现对振幅的调控。通过改变正交结构与x轴的夹角θ，实现对相位的调控。本发明实施例可实现任意复振幅的编码调制，该复振幅调制方法设计简便，便于加工，尤其高度约五分之一波长这一特性，使得其特别适用于纳米压印加工。相比于传统超表面的电子束光刻加工，纳米压印技术能实现大面积加工，该复振幅调制器件可以对振幅和相位进行任意的调制，在集成光电子系统以及超表面全息等领域有着极大的应用价值。
根据本发明实施例提出的基于惠更斯超表面的复振幅调制方法，基于惠更斯原理和几何相位原理，实现了像素单元为亚波长尺寸的任意复振幅的调控，振幅随调节参数M线性变化，相位随旋转角θ线性变化。这样的方式更方便组成任意的复振幅，加工误差带来的影响也更小，基于惠更斯原理，使得偏振转换效率达到了90％以上，能量利用率大大增加。此外，基于惠更斯原理的设计，使得介质块的厚度H约为五分之一工作波长，这更有利用加工，甚至可以使用纳米压印实现大面积加工。而目前其他复振幅调制的超表面的单元，厚度H都大于二分之一个波长，只能采用电子束刻蚀等逐点加工方式进行加工，很难做成大面积器件。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于惠更斯超表面的复振幅调制装置。
图6是本发明一个实施例的基于惠更斯超表面的复振幅调制装置的结构示意图。
如图6所示，该基于惠更斯超表面的复振幅调制装置10，超表面包括多个超表面单元，超表面单元由第一介质块和第二介质块互相正交构成，其中，装置10包括：初始化模块100、调节模块200、旋转模块300、查找模块400和处理模块500。
其中，初始化模块100用于通过改变第一介质块的第一臂长和第一臂宽、第二介质块的第二臂长和第二臂宽，优化超表面单元的高度，并选择预设工作波长，以使得超表面单元电极子谐振峰和偶极子谐振峰重合。调节模块200用于在第一预设区间逐渐调节预设参数，并固定其他参数，以线性调控目标振幅，并根据在预设参数调节过程中所有的预设参数和目标振幅的数据得到第一二维分布图，其中，预设参数为第一臂长、第一臂宽、第二臂长和第二臂宽参数中的任意一个参数。旋转模块300用于第二预设区间内逐渐旋转超表面单元与X轴的旋转角，以线性调控目标相位，并根据在旋转角旋转过程中所有旋转角和目标相位的数据得到第二二维分布图，其中，以超表面所在的平面建立平面坐标系。查找模块400用于在根据预设参数、旋转角、第一二维分布图和第二二维分布图得到复振幅分布，并根据复振幅分布得到所有超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息。处理模块500用于根据所有超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息得到任意复振幅对应的调制参数。本发明实施例的装置10基于惠更斯原理设计的超表面，超表面单元的厚度相比传统超表面大大降低，更有利于大面积批量加工，且可以广泛应用于光场整形、集成光电子系统和全息显示等领域。
进一步地，在本发明的一个实施例中，查找模块400进一步用于根据第一二维分布图、并沿着预设参数变化方向确定第一振幅Ai，记录下此时对应的预设参数的第一数值Wi，固定预设参数，并根据第二二维分布图、且沿着旋转角变化方向确定第一相位
Figure BDA0001966215100000081
记录下此时旋转角的第二数值θi，并根据数值Wi和数值θi得到复振幅分布。
进一步地，在本发明的一个实施例中，复振幅分布为：
Figure BDA0001966215100000082
其中，Ai为第一振幅，
Figure BDA0001966215100000083
为第一相位。
进一步地，在本发明的一个实施例中，其中，第一预设区间可以为0.2μm至0.4μm，第二预设区间可以为0至π。
进一步地，在本发明的一个实施例中，介质块采用介质材料或金属材料制成。
需要说明的是，前述对基于惠更斯超表面的复振幅调制方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于惠更斯超表面的复振幅调制装置，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于惠更斯超表面的复振幅调制装置，基于惠更斯原理和几何相位原理，实现了像素单元为亚波长尺寸的任意复振幅的调控，振幅随调节参数M线性变化，相位随旋转角θ线性变化。这样的方式更方便组成任意的复振幅，加工误差带来的影响也更小，基于惠更斯原理，使得偏振转换效率达到了90％以上，能量利用率大大增加。此外，基于惠更斯原理的设计，使得介质块的厚度H约为五分之一工作波长，这更有利用加工，甚至可以使用纳米压印实现大面积加工。而目前其他复振幅调制的超表面的单元，厚度H都大于二分之一个波长，只能采用电子束刻蚀等逐点加工方式进行加工，很难做成大面积器件。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于惠更斯超表面的复振幅调制方法，其特征在于，所述超表面包括多个超表面单元，所述超表面单元由第一介质块和第二介质块互相正交构成，其中，所述方法包括以下步骤：
通过改变所述第一介质块的第一臂长和第一臂宽、所述第二介质块的第二臂长和第二臂宽，优化所述超表面单元的高度，并选择预设工作波长，以使得所述超表面单元电极子谐振峰和偶极子谐振峰重合；
在第一预设区间逐渐调节预设参数，并固定其他参数，以线性调控目标振幅，并根据在所述预设参数调节过程中所有的所述预设参数和所述目标振幅的数据得到第一二维分布图，其中，所述预设参数为所述第一臂长、第一臂宽、第二臂长和第二臂宽参数中的任意一个参数；
在第二预设区间内逐渐旋转所述超表面单元与X轴的旋转角，以线性调控目标相位，并根据在所述旋转角旋转过程中所有所述旋转角和所述目标相位的数据得到第二二维分布图，其中，以所述超表面所在的平面建立平面坐标系；
根据所述预设参数、所述旋转角、所述第一二维分布图和所述第二二维分布图得到复振幅分布，并根据所述复振幅分布得到所有所述超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息；以及
根据所有所述超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息得到任意复振幅对应的调制参数。
2.根据权利要求1所述的基于惠更斯超表面的复振幅调制方法，其特征在于，所述根据所述预设参数、所述旋转角、所述第一二维分布图和所述第二二维分布图得到复振幅分布，进一步包括：
根据所述第一二维分布图、并沿着所述预设参数变化方向确定第一振幅Ai，记录下此时对应的所述预设参数的第一数值Wi；
固定所述预设参数，并根据所述第二二维分布图、且沿着所述旋转角变化方向确定第一相位
Figure FDA0002323702840000011
记录下此时所述旋转角的第二数值θi；
根据所述数值Wi和所述数值θi得到所述复振幅分布。
3.根据权利要求2所述的基于惠更斯超表面的复振幅调制方法，其特征在于，所述复振幅分布为：
Figure FDA0002323702840000012
其中，Ai为所述第一振幅，
Figure FDA0002323702840000013
为所述第一相位。
4.根据权利要求1所述的基于惠更斯超表面的复振幅调制方法，其特征在于，所述第二预设区间为0至π。
5.根据权利要求1所述的基于惠更斯超表面的复振幅调制方法，其特征在于，所述介质块采用介质材料制成。
6.一种基于惠更斯超表面的复振幅调制装置，其特征在于，所述超表面包括多个超表面单元，所述超表面单元由第一介质块和第二介质块互相正交构成，其中，所述装置包括：
初始化模块，用于通过改变所述第一介质块的第一臂长和第一臂宽、所述第二介质块的第二臂长和第二臂宽，优化所述超表面单元的高度，并选择预设工作波长，以使得所述超表面单元电极子谐振峰和偶极子谐振峰重合；
调节模块，用于在第一预设区间逐渐调节预设参数，并固定其他参数，以线性调控目标振幅，并根据在所述预设参数调节过程中所有的所述预设参数和所述目标振幅的数据得到第一二维分布图，其中，所述预设参数为所述第一臂长、第一臂宽、第二臂长和第二臂宽参数中的任意一个参数；
旋转模块，用于在第二预设区间内逐渐旋转所述超表面单元与X轴的旋转角，以线性调控目标相位，并根据在所述旋转角旋转过程中所有所述旋转角和所述目标相位的数据得到第二二维分布图，其中，以所述超表面所在的平面建立平面坐标系；
查找模块，用于根据所述预设参数、所述旋转角、所述第一二维分布图和所述第二二维分布图得到复振幅分布，并根据所述复振幅分布得到所有所述超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息；以及
处理模块，用于根据所有所述超表面单元的几何尺寸信息和旋转角信息得到任意复振幅对应的调制参数。
7.根据权利要求6所述的基于惠更斯超表面的复振幅调制装置，其特征在于，所述查找模块进一步用于根据所述第一二维分布图、并沿着所述预设参数变化方向确定第一振幅Ai，记录下此时对应的所述预设参数的第一数值Wi，固定所述预设参数，并根据所述第二二维分布图、且沿着所述旋转角变化方向确定第一相位
Figure FDA0002323702840000021
记录下此时所述旋转角的第二数值θi，并根据所述数值Wi和所述数值θi得到所述复振幅分布。
8.根据权利要求7所述的基于惠更斯超表面的复振幅调制装置，其特征在于，所述复振幅分布为：
Figure FDA0002323702840000022
其中，Ai为所述第一振幅，
Figure FDA0002323702840000023
为所述第一相位。
9.根据权利要求6所述的基于惠更斯超表面的复振幅调制装置，其特征在于，所述第二预设区间为0至π。
10.根据权利要求6所述的基于惠更斯超表面的复振幅调制装置，其特征在于，所述介质块采用介质材料制成。
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