CN110635206B - 一种模式可控的矢量涡旋光束生成装置及生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模式可控的矢量涡旋光束生成装置及生成方法，属于涡旋光束生成技术领域，解决了现有技术无法准确产生不同模式的矢量涡旋光束的问题。该装置包括电磁波发射装置、电磁波接收装置、控制器、可调式阿基米德螺旋金属颗粒、人工表面等离激元波导、介质基板。其中，人工表面等离激元波导设置于介质基板上方，输入端与电磁波发射装置输出端连接，输出端与电磁波接收装置输入端连接；控制器用于可调式阿基米德螺旋金属颗粒形状和位置；可调式阿基米德螺旋金属颗粒对称设置于人工表面等离激元波导的两侧。本发明能够产生具有待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束，装置简单、易实现、成本较低，具有突出的技术优势。

Description

一种模式可控的矢量涡旋光束生成装置及生成方法

技术领域

本发明涉及涡旋光束生成技术领域，尤其涉及一种模式可控的矢量涡旋光束生成装置及生成方法。

背景技术

矢量涡旋光束携带一定的能量和光学角动量。其中，光学角动量包括自旋角动量(SAM)跟轨道角动量(OAM)。SAM与电磁波的电场极化方向有关，依赖于入射光的偏振态；OAM是电磁波绕轴旋转，具有一定的螺旋相位面跟方位角分量。

在矢量涡旋光束中，携带OAM是由正常的电磁波中添加一个相位因子引起，使得电磁波的波前不再是平面形式，而是绕着光束传播方向旋转，呈现出一种螺旋相位分布结构，它的电场表达式为E(r，φ)＝A_i(r)e^ilφ

式中，A_i(r)表示电磁场振幅，r表示位置矢量，e^ilφ表示相位因子，l表示矢量涡旋光束的拓扑电荷，φ表示方位角。

由于能提供新的维度和方法来操纵光与物质相互作用，矢量涡旋光束引起国内外研究工作者的极大关注。目前，矢量涡旋光束在光学显微镜、自由空间通信和量子信息运用广泛，比如可以利用光的OAM来提高数据传输容量或进一步提高量子信息系统的安全性。高效地产生矢量涡旋波束，是推广矢量涡旋光束技术应用的必要前提。

目前，国内外专家在矢量涡旋光束的生成技术领域做了大量的工作，但主要集中在研究单一模式的矢量涡旋光束的生成方法。但对于光通信技术、激光加工技术等实际应用需求，往往需要能够产生不同模式的矢量涡旋光束，反映不同的信息。不同模式的矢量涡旋光束能进行信息编码、多点加工、波分复用、增加通信容量等。因此，产生不同模式的矢量涡旋光束十分必要。但目前，这一类研究并不成熟，主流方法有两类。一类是基于双折射偏振分束器产生高斯光束，再结合计算全息图实现矢量涡旋光束的输出，该方法的优点是不需要其他元件，但产生的高斯光束偏振态无法控制。另一类是利用相控天线来实现矢量涡旋光束，但当所需要的矢量涡旋模式增加时，相控阵天线数量和尺寸也随之增加，增加了设计复杂性和加工成本。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种模式可控的矢量涡旋光束生成装置及方法，用以解决现有技术无法准确产生不同模式的矢量涡旋光束的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种模式可控的矢量涡旋光束生成装置，包括电磁波发射装置、电磁波接收装置、控制器、可调式阿基米德螺旋金属颗粒、人工表面等离激元波导、介质基板，其中，

人工表面等离激元波导设置于介质基板上方，其输入端与电磁波发射装置输出端连接，其输出端与电磁波接收装置输入端连接；可调式阿基米德螺旋金属颗粒对称设置于人工表面等离激元波导的两侧；

所述控制器，用于根据用户输入的待调试的拓扑荷大小，确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径、标准阿基米德金属旋臂数目，以及与人工表面等离激元波导的距离，进而调整阿基米德螺旋金属颗粒的形状和位置，控制产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束。

上述技术方案的有益效果如下：目前，关于模式可控的矢量涡旋光束生成装置的研究并不是很多。比如，现有技术基于双折射偏振分束器产生高斯光束，再结合计算全息图实现矢量涡旋光束的输出，该方法的特点是不需要其他元件，但是所产生的高斯光束的偏振态无法控制。现有技术利用相控天线来实现矢量涡旋，当所需要的矢量涡旋模式增加时，相控阵天线所要的数量和尺寸也随之增加，这就增加了设计的复杂性和加工的成本。而且，大部分涡旋光束的产生主要在光频段，而低频段如微波频段的研究比较稀少。上述技术方案中矢量涡旋光束生成装置结构较小，不需要复杂的阵列排布，制造简单且成本较低，能够在微波频段下通过馈电装置进行馈电，操作简单。

基于上述装置的进一步改进，所述电磁波发射装置发射的电磁波为微波频段；

所述阿基米德螺旋金属颗粒、人工表面等离激元波导采用同种材料；

所述材料，包括铜、铝、银、金中的至少一种。

上述进一步改进方案的有益效果是：微波频段可以利用铜、铝、银、金一类金属材料，这些材料的实验加工比较容易，成本较低。

进一步，所述可调式阿基米德螺旋金属颗粒的厚度、阿基米德金属旋臂宽度固定，其半径、阿基米德金属旋臂数目、位置均可调；

所述人工表面等离激元波导，采用H型金属周期槽结构。

上述进一步改进方案的有益效果是：采用H型金属周期槽结构，随着槽深d的增加，所等效的等离子体共振频率减小，曲线趋于平稳，截止频率降低，并且相同的频率处，槽深d越大，所支持的传播常数越大，场的局域效果越好。

进一步，两个大小、结构相同的所述阿基米德螺旋金属颗粒布设为偶极子结构，设置于与人工表面等离激元距离相等的位置处；

所述介质基板的厚度为0.4～0.8mm；

所述H型金属周期槽结构的厚度为0.018～0.035mm，单元周期长度为4～6mm，单元槽宽为1～2mm，槽深为1～4mm，单元高度为9～12mm；

所述可调式阿基米德螺旋金属颗粒的固定尺寸：厚度为0.018～0.035mm，每一个阿基米德金属旋臂的宽度为0.3～0.4mm。

上述进一步改进方案的有益效果是：对称放置在人工表面等离激元波导两侧的两个相同的阿基米德螺旋颗粒，能够产生两个方向相反的涡旋模式(拓扑电荷数是相同的)。整个装置结构比较小，加工容易，不需要复杂的阵列排列，成本较低，容易实现。

进一步，所述控制器执行如下程序控制产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束：

根据待调试的拓扑荷大小、工作波长，确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径和标准阿基米德金属旋臂数目，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准半径和标准阿基米德金属旋臂数目；

根据待调试的拓扑荷大小、上述标准半径和标准阿基米德金属旋臂数目，进一步确定每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准距离，稳定后产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束。

上述进一步改进方案的有益效果是：调整方式简单，通过编程可自动实现，容易实现。

另一方面，本发明实施例提供了一种上述矢量涡旋光束生成装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

布设矢量涡旋光束生成装置于预设位置处，使人工表面等离激元波导表面馈电；

根据待调试的拓扑荷大小、工作波长，确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径和标准阿基米德金属旋臂数目，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准半径和标准阿基米德金属旋臂数目；

根据待调试的拓扑荷大小、上述标准半径和标准阿基米德金属旋臂数目，进一步确定每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准距离，稳定后产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束。

上述技术方案的有益效果如下：目前，关于模式可控的矢量涡旋光束生成方法的研究并不是很多。比如，现有技术基于双折射偏振分束器产生高斯光束，再结合计算全息图实现矢量涡旋光束的输出，该方法的特点是不需要其他元件，但是所产生的高斯光束的偏振态无法控制。现有技术利用相控天线来实现矢量涡旋，当所需要的矢量涡旋模式增加时，相控阵天线所要的数量和尺寸也随之增加，这就增加了设计的复杂性和加工的成本。而且，大部分涡旋光束的产生主要在光频段，而低频段如微波频段的研究比较稀少。上述技术方案中不需要复杂的阵列排布，实现容易，能够在微波频段下通过馈电装置(电磁波发射装置、电磁波接收装置)进行馈电，操作简单。

基于上述方法的进一步改进，所述布设矢量涡旋光束生成装置于预设位置处，使人工表面等离激元波导馈电，进一步包括如下步骤：

将两个大小、结构相同的可调式阿基米德螺旋金属颗粒布设为偶极子结构，设置于与人工表面等离激元距离相等的位置处；

通过电磁波发射装置发出微波频段、频率为f的电磁波，经人工表面等离激元波导传输至电磁波接收装置，使人工表面等离激元波导表面馈电。

采用上述进一步改进方案的有益效果是：能够实现对称模式，且模式可控。

进一步，所述确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径和标准阿基米德金属旋臂数目，进一步包括如下步骤：

通过下面公式确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径R

其中

式中，c为真空波速，f为电磁波频率，λ为工作波长，n_eff为金属颗粒材料的等效折射率，θ为螺旋相位，当待调试的拓扑荷大小l＝0时，θ＝±2π，当待调试的拓扑荷大小l＝±1时，θ＝±2π，当待调试的拓扑荷大小l＝±2时，θ＝±4π；

根据上述标准半径R，通过下面公式获取标准阿基米德金属旋臂数目m

式中，

表示取整运算。

上述进一步改进方案的有益效果是：上述公式是发明人经过大量资料调研结合大量试验数据总结出的适合实际使用的精准的计算公式，方法新颖，直接应用能够缩短设计周期和成本。

进一步，所述确定每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离，进一步包括如下步骤：

通过下面公式确定每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离

式中，d为H型金属周期槽结构的单元槽深。

上述进一步改进方案的有益效果是：上述公式也是发明人经过大量资料调研结合大量试验数据总结出的适合实际使用的精准的计算公式，方法新颖，直接应用能够缩短设计周期和成本。

进一步，当固定尺寸满足可调式阿基米德螺旋金属颗粒的厚度t＝0.018mm、阿基米德金属旋臂宽度w＝0.2mm时，可变尺寸调整至如下尺寸获得待调试的拓扑荷大小l：

标准半径R＝2.3mm、阿基米德金属旋臂数目n＝4、每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离h＝6.5mm时，产生l＝0拓扑荷大小的矢量涡旋光束；

标准半径R＝2.9mm、阿基米德金属旋臂数目n＝6、每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离h＝9mm时，产生l＝±1拓扑荷大小的矢量涡旋光束；

标准半径R＝6.8mm、阿基米德金属旋臂数目n＝10、每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离h＝15mm时，产生l＝±2拓扑荷大小的矢量涡旋光束。

上述进一步改进方案的有益效果是：上面尺寸可单独应用，自动生成产生三种拓扑荷大小的矢量涡旋光束，或者叠加应用，产生用户需要的矢量涡旋光束组合。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1模式可控的矢量涡旋光束生成装置布设示意图；

图2为为本发明实施例2单偶极子仿真拓扑荷l＝0模式电场和螺旋相位效果图；

图3为本发明实施例2单偶极子仿真拓扑荷l＝±1模式电场和螺旋相位效果图；

图4为本发明实施例2单偶极子仿真拓扑荷l＝±2模式电场和螺旋相位效果图；

图5为本发明实施例2多偶极子仿真拓扑荷l＝0，±1，±2模式电场和螺旋相位效果图。

附图标记：

1-介质基板；2-人工表面等离激元波导；3，4-可调式阿基米德螺旋金属颗粒。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种模式可控的矢量涡旋光束生成装置，其如图1所示，包括电磁波发射装置、电磁波接收装置、控制器、可调式阿基米德螺旋金属颗粒、人工表面等离激元波导、介质基板，图中，电磁波发射装置、电磁波接收装置、控制器进行了省略。

其中，人工表面等离激元波导设置于介质基板上方，其输入端与电磁波发射装置连接，其输出端与电磁波接收装置连接；可调式阿基米德螺旋金属颗粒对称设置于人工表面等离激元波导的两侧。所述阿基米德螺旋金属颗粒为，多条阿基米德金属旋臂绕中心旋转形成的阿基米德螺线式结构。

所述控制器，用于根据用户输入的待调试的拓扑荷大小，确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径、标准阿基米德金属旋臂数目，以及与人工表面等离激元波导的标准距离，进而调整阿基米德螺旋金属颗粒的形状和位置，控制产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束。

优选地，控制器可包括单片机、控制没条阿基米德金属旋臂旋转伸出的执行机构。每个执行机构采用微电子工艺制成，实现了尺寸的缩小。执行机构的控制端与控制器的输出端连接，执行机构的动作端与对应阿基米德金属旋臂连接。执行机构的动作控制可参照现有微型悬臂(例如悬臂式加速度传感器、悬臂式电场传感器等)的控制设计，其控制力的大小、方向可根据其实施力(电流、电压)进行调整，控制器输出所述实施力进而控制执行机构的动作。本领域技术人员能够理解。

优选地，可调式阿基米德螺旋金属颗粒包括阿基米德中心、多条可伸缩的柔性阿基米德金属旋臂。使用之前，各条柔性阿基米德金属旋臂旋绕在阿基米德中心，使用时，执行机构控制对应数目的阿基米德金属旋臂旋出，直到达到阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径，再移动至与人工表面等离激元波导的标准距离。

实施时，电磁波经过人工表面等离激元波导，耦合到对称放置在波导两边的阿基米德螺旋金属颗粒上，导致阿基米德螺旋金属颗粒附近产生螺旋相位，不同的阿基米德螺旋金属颗粒附近产生不同的螺旋相位，从而实现不同矢量的涡旋光束。

与现有技术相比，本实施例提供的装置能够在微波频段范围内同时实现对OAM的调控，得到不同的矢量涡旋光束，改善了现有技术采用天线阵列来实现矢量涡旋方式带来的结构复杂性以及成本的增加(模式越多、天线需求量越大)。并且，所述装置设计简单，加工方便，成本较低。目前，关于模式可控的矢量涡旋光束生成装置的研究并不是很多。比如，现有技术基于双折射偏振分束器产生高斯光束，再结合计算全息图实现矢量涡旋光束的输出，该方法的特点是不需要其他元件，但是所产生的高斯光束的偏振态无法控制。现有技术利用相控天线来实现矢量涡旋，当所需要的矢量涡旋模式增加时，相控阵天线所要的数量和尺寸也随之增加，这就增加了设计的复杂性和加工的成本。而且，大部分涡旋光束的产生主要在光频段，而低频段如微波频段的研究比较稀少。上述技术方案中矢量涡旋光束生成装置结构较小，不需要复杂的阵列排布，能够在微波频段下通过馈电装置(电磁波发射装置、电磁波接收装置)进行馈电，操作简单。

实施例2

在实施例1的基础上进行优化，所述可调式阿基米德螺旋金属颗粒、人工表面等离激元波导采用同种材料。所述材料，包括铜、铝、银、金中的至少一种。

优选地，人工表面等离激元波导，采用H型金属周期槽结构。

优选地，每个可调式阿基米德螺旋金属颗粒的厚度、阿基米德金属旋臂宽度固定，其半径、阿基米德金属旋臂数目、位置均可调，具有M条阿基米德金属旋臂的可调式阿基米德螺旋金属颗粒，如图1所示。两个大小、结构相同的阿基米德螺旋金属颗粒作为一组，布设为偶极子结构，设置于人工表面等离激元波导上方、与人工表面等离激元波导距离相等位置处。

优选地，介质基板的厚度为0.4～0.8mm。H型金属周期槽结构的厚度为0.018～0.035mm，单元周期长度为4～6mm，单元槽宽为1～2mm，槽深为1～4mm，单元高度为9～12mm。可调式阿基米德螺旋金属颗粒的厚度t₁为0.018～0.035mm，每一个阿基米德金属旋臂的宽度w为0.3～0.4mm，半径R可调范围为2～7mm，阿基米德金属旋臂数目的可调范围为4～20条，即半径最长为7mm，旋臂数全部伸出时为20条，根据实际待调试的拓扑荷大小，计算得到对应的半径和旋臂数目，经由控制器控制所有旋臂的伸出与缩回以得到对应的旋臂数，并控制伸出的每一旋臂的伸出距离，得到对应的半径。

H型金属周期槽结构的优点是：采用H型金属周期槽结构，能够调节槽深d(1～4mm),通过d可以灵活地操控人工表面等离激元的波矢k和频率f的关系，随着d的增加，所等效的等离子体共振频率减小，曲线趋于平稳，截止频率降低，并且相同的频率处，d越大，所支持的传播常数越大，场的局域效果越好。这样人工表面等离激元波导可以紧密地束缚在H型金属周期槽结构上。优选地，为了能够实现电磁场的良好局域性，并且能够到达微波频率范围，选择槽的深度d＝4mm。

优选地，介质基板可采用聚四氟乙烯(F4B)高频微波电路板，介电常数为2.65，介质损耗小于0.003，具有性能稳定、耐高温、经久耐用等优点。

通过改变可调式阿基米德螺旋金属颗粒结构尺寸(半径、阿基米德金属旋臂数目、)，以及调整可调式阿基米德螺旋金属颗粒与人工表面等离激元波导的距离，能够产生拓扑电荷l＝0、l＝±1、l＝±2的涡旋矢量。不同的涡旋矢量反映着不同的信息。

l＝0模式示意图如图2所示，可调式阿基米德螺旋金属颗粒的半径R＝2.3mm，阿基米德金属旋臂宽度w＝0.2mm，阿基米德金属旋臂数n＝4，h₁＝6.5mm。可看出，响应峰值大约为5.7GHz左右，利用商业软件CST监测该频点，观察它的电场可发现相位不存在均匀变化。

l＝±1模式示意图如图3所示，可调式阿基米德螺旋金属颗粒的半径为R＝2.9mm，阿基米德金属旋臂宽度w＝0.2mm，阿基米德金属旋臂数n＝6，可调式阿基米德螺旋金属颗粒与人工表面等离激元波导的距离h₂＝9mm。可看出，响应峰对应的频率约为6.4GHz，两个偶极子并非是振荡模式，而是两个不同方向的涡旋态(箭头方向)。将沿着顺时针方向的涡旋态的拓扑电荷定义为l＝1，能够清晰地看到两个不同的拓扑电荷l＝±1。相位在0°～360°均匀分布，产生不同的涡旋矢量。

l＝±2模式示意图如图4所示，可调式阿基米德螺旋金属颗粒半径R＝6.8mm，阿基米德金属旋臂宽度w＝0.2mm，阿基米德金属旋臂数n＝10，可调式阿基米德螺旋金属颗粒与人工表面等离激元波导的距离h₃＝15mm。可看出，在3.7GHz左右出现一个很强烈的响应峰，通过监测该频点，发现出现了两个四极子，通过箭头指向可看到，上下两个阿基米德螺旋金属颗粒是旋转方向不一样的四极子。此时，将这两个不同方向的涡旋矢量的拓扑电荷定义为l＝2(逆时针)和l＝-2(顺时针)。相位分布不在是0°～360°范围均匀变化，而是在0°～720°范围内均匀变化，是360°的两倍。波导上下两个粒子的相位颜色渐变刚好相反，也证实了上下两个相同粒子，在人工表面等离激元波导的激励下，能够产生拓扑电荷l＝±2的涡旋矢量。

将产生不同的矢量涡旋模式的3对金属颗粒，按顺序垂直对称放置在同一根金属人工表面等离激元波导的两侧，不同的金属颗粒之间的间距大小相同。反射-透射曲线示意图如图5所示，各粒子之间的距离D＝40mm。可发现，在人工表面等离激元波导带的激励下，能够同时激励起三个不同的响应峰，分别对应频率为3.6GHz、5.7GHz和6.4GHz，监测这几个频点，可发现在人工表面等离激元波导带的激励下能够同时实现不同的拓扑电荷(l＝0，±1，±2)，产生不同的涡旋光束。

与实施例1相比，本实施例提供的装置进行了进一步细化通过对金属波导(人工表面等离激元波导)的馈电，从而激发螺旋粒子的各种矢量涡旋模式，方法简单易懂，操作方便，加工简单。相较现有技术所用大量天线阵列来实现不同模式的矢量涡旋，本实施例的优点是：装置小，不需要复杂的阵列排布，易于调控；在微波频段很容易实现，能够同时产生多种不同的矢量涡旋模式；可以用于表征不同的信息，能够在增加光通信的容量，以及在信息编码的类型等方面有很大的利用价值，在多模式涡旋接受器和发射器也有很大的利用价值。

实施例3

本发明还提供了一种利用实施例1或2所述矢量涡旋光束生成装置的矢量涡旋光束生成方法，包括如下步骤：

S1.布设矢量涡旋光束生成装置于预设位置处，使人工表面等离激元波导表面馈电。

S2.根据待调试的拓扑荷大小、工作波长，确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径和标准阿基米德金属旋臂数目，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准半径和标准阿基米德金属旋臂数目。可选地，可通过CST仿真软件获取的金属颗粒结构。

S3.根据待调试的拓扑荷大小、上述标准半径和标准阿基米德金属旋臂数目，进一步确定每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准距离，稳定后产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束。

与现有技术相比，现有技术关于模式可控的矢量涡旋光束生成装置的研究并不是很多，现有技术中基于双折射偏振分束器产生高斯光束，再结合计算全息图实现矢量涡旋光束的输出，该方法的特点是不需要其他元件，但是所产生的高斯光束的偏振态无法控制；现有技术中利用相控天线来实现矢量涡旋，当所需要的矢量涡旋模式增加时，相控阵天线所要的数量和尺寸也随之增加，这就增加了设计的复杂性和加工的成本。而且，大部分涡旋光束的产生主要在光频段，而低频段如微波频段的研究比较稀少。本实施例不需要复杂的阵列排布，设计简单且成本较低，能够在微波频段下进行馈电，操作简单。

实施例4

在实施例3的基础上进行优化，步骤S1可进一步细化为如下步骤：

S11.将两个大小、结构相同的可调式阿基米德螺旋金属颗粒布设为偶极子结构，设置于与人工表面等离激元距离相等的位置处；

S12.通过电磁波发射装置发出微波频段、频率为f的电磁波，经人工表面等离激元波导传输至电磁波接收装置，使人工表面等离激元波导表面馈电。

优选地，步骤S2所述确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径和标准阿基米德金属旋臂数目，进一步包括如下步骤:

S21.通过下面公式确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径R

其中

式中，c为真空波速，f为电磁波频率，λ为工作波长，n_eff为金属颗粒材料的等效折射率，θ为螺旋相位，当待调试的拓扑荷大小l＝0时，θ＝±2π，当待调试的拓扑荷大小l＝±1时，θ＝±2π，当待调试的拓扑荷大小l＝±2时，θ＝±4π。等效折射率是材料的固有特性，可查表获得。

S22.根据上述标准半径R，通过下面公式获取标准阿基米德金属旋臂数目m

式中，

表示取整运算。

优选地，步骤S3中，所述确定每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离，进一步包括如下步骤：

S31.通过下面公式确定每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离

式中，d为H型金属周期槽结构的单元槽深。

优选地，当固定尺寸满足可调式阿基米德螺旋金属颗粒的厚度t＝0.018mm、阿基米德金属旋臂宽度w＝0.2mm时，可变尺寸调整至如下尺寸获得待调试的拓扑荷大小l：

标准半径R＝2.3mm、阿基米德金属旋臂数目n＝4、每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离h＝6.5mm时，产生l＝0拓扑荷大小的矢量涡旋光束。

标准半径R＝2.9mm、阿基米德金属旋臂数目n＝6、每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离h＝9mm时，产生l＝±1拓扑荷大小的矢量涡旋光束。

标准半径R＝6.8mm、阿基米德金属旋臂数目n＝10、每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离h＝15mm时，产生l＝±2拓扑荷大小的矢量涡旋光束。

实施时，可利用商业软件CST在微波工作室里构建基本模型结构，包括介质底板以及附着在介质底板上的金属波导传输线和波导传输线两侧对称放置的阿基米德螺旋金属颗粒。然后通过CST仿真软件获取涡旋模式，如图2～5所示。

与现有技术相比，本实施例能够通过对金属波导(人工表面等离激元波导)的馈电，从而激发螺旋粒子的各种矢量涡旋模式，方法简单易懂，操作方便，加工简单。相较现有技术所用大量天线阵列来实现不同模式的矢量涡旋，本实施例的优点是：不需要复杂的阵列排布，易于调控；在微波频段很容易实现，能够同时产生多种不同的矢量涡旋模式；可以用于表征不同的信息，能够在增加光通信的容量，以及在信息编码的类型等方面有很大的利用价值；除此之外，在多模式涡旋接受器和发射器都有很大的利用价值。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

Claims (6)

1.一种模式可控的矢量涡旋光束生成装置，其特征在于，包括电磁波发射装置、电磁波接收装置、控制器、可调式阿基米德螺旋金属颗粒、人工表面等离激元波导、介质基板，其中，

人工表面等离激元波导设置于介质基板上方，其输入端与电磁波发射装置输出端连接，其输出端与电磁波接收装置输入端连接；可调式阿基米德螺旋金属颗粒对称设置于人工表面等离激元波导的两侧；所述可调式阿基米德螺旋金属颗粒的厚度、阿基米德金属旋臂宽度固定，其半径、阿基米德金属旋臂数目、位置均可调；人工表面等离激元波导，采用H型金属周期槽结构；

所述控制器，用于根据用户输入的待调试的拓扑荷大小，确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径、标准阿基米德金属旋臂数目，以及与人工表面等离激元波导的距离，进而调整阿基米德螺旋金属颗粒的形状和位置，控制产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束；

上述控制器执行如下程序控制产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束：

根据待调试的拓扑荷大小、工作波长，通过下面公式确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径R和标准阿基米德金属旋臂数目m，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准半径R和标准阿基米德金属旋臂数目m

其中

式中，c为真空波速，f为电磁波频率，λ为工作波长，n_eff为金属颗粒材料的等效折射率，

表示取整运算，θ为螺旋相位，当待调试的拓扑荷大小l＝0时，θ＝±2π，当待调试的拓扑荷大小l＝±1时，θ＝±2π，当待调试的拓扑荷大小l＝±2时，θ＝±4π；

根据待调试的拓扑荷大小、上述标准半径R和标准阿基米德金属旋臂数目m，进一步通过下面公式确定每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离h，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准距离h，稳定后产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束

式中，d为H型金属周期槽结构的单元槽深。

2.根据权利要求1所述的模式可控的矢量涡旋光束生成装置，其特征在于，所述电磁波发射装置发射的电磁波为微波频段；

所述可调式阿基米德螺旋金属颗粒、人工表面等离激元波导采用同种材料；

所述材料，包括铜、铝、银、金中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的模式可控的矢量涡旋光束生成装置，其特征在于，两个大小、结构相同的所述阿基米德螺旋金属颗粒布设为偶极子结构，设置于与人工表面等离激元距离相等的位置处；

所述介质基板的厚度为0.4～0.8mm；

所述H型金属周期槽结构的厚度为0.018～0.035mm，单元周期长度为4～6mm，单元槽宽为1～2mm，单元高度为9～12mm；

所述可调式阿基米德螺旋金属颗粒的固定尺寸：厚度为0.018～0.035mm，每一个阿基米德金属旋臂的宽度为0.3～0.4mm。

4.一种利用权利要求1-3之一所述矢量涡旋光束生成装置的矢量涡旋光束生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

布设矢量涡旋光束生成装置于预设位置处，使人工表面等离激元波导表面馈电；

根据待调试的拓扑荷大小、工作波长，通过下面公式确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径R和标准阿基米德金属旋臂数目m，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准半径R和标准阿基米德金属旋臂数目m

其中

式中，c为真空波速，f为电磁波频率，λ为工作波长，n_eff为金属颗粒材料的等效折射率，

表示取整运算，θ为螺旋相位，当待调试的拓扑荷大小l＝0时，θ＝±2π，当待调试的拓扑荷大小l＝±1时，θ＝±2π，当待调试的拓扑荷大小l＝±2时，θ＝±4π；

根据待调试的拓扑荷大小、上述标准半径R和标准阿基米德金属旋臂数目m，进一步通过下面公式确定每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离h，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准距离h，稳定后产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束

式中，d为H型金属周期槽结构的单元槽深。

5.根据权利要求4所述的矢量涡旋光束生成方法，其特征在于，所述布设矢量涡旋光束生成装置于预设位置处，使人工表面等离激元波导馈电，进一步包括如下步骤：

将两个大小、结构相同的可调式阿基米德螺旋金属颗粒布设为偶极子结构，设置于与人工表面等离激元距离相等的位置处；

通过电磁波发射装置发出微波频段、频率为f的电磁波，经人工表面等离激元波导传输至电磁波接收装置，使人工表面等离激元波导表面馈电。

6.根据权利要求4或5所述的矢量涡旋光束生成方法，其特征在于，当固定尺寸满足可调式阿基米德螺旋金属颗粒的厚度t＝0.018mm、阿基米德金属旋臂宽度w＝0.2mm时，可变尺寸调整至如下尺寸获得待调试的拓扑荷大小l：

标准半径R＝2.3mm、阿基米德金属旋臂数目n＝4、每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离h＝6.5mm时，产生l＝0拓扑荷大小的矢量涡旋光束；

标准半径R＝2.9mm、阿基米德金属旋臂数目n＝6、每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离h＝9mm时，产生l＝±1拓扑荷大小的矢量涡旋光束；

标准半径R＝6.8mm、阿基米德金属旋臂数目n＝10、每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离h＝15mm时，产生l＝±2拓扑荷大小的矢量涡旋光束。

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