CN112327475A - 一种基于电介质超表面结构的几何相位调控方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学几何相位调控技术领域，公开了一种基于电介质超表面结构的几何相位调控方法及系统，几何贝里相位与光的局部偏振态的改变相关，通过设计对于局部具有不同偏振态的均匀和非均匀的电介质超表面就可以获得几何相位，从而建立电介质超表面结构模块的几何参数与偏振改变间的定量关系；利用超表面的自旋‑轨道角动量转换过程来容易和快速的控制光的偏振自由度，从而达到控制光束的轨道角动量这一自由度。本发明利用电介质超表面的结构来调控几何相位，从而实现主动操控光束的轨道角动量。超表面的光学和光子学的集成器件，相对于当前仅用于电子学或更大元件水平上的电子学和光子学的集成，其应用的速度和性能有极大的提升空间。
Description
技术领域
本发明属于光学几何相位调控技术领域，尤其涉及一种基于电介质超表面结构的几何相位调控方法及系统。
背景技术
目前，最接近的现有技术：2006年，Marrucci等人利用超表面结构来实现自旋-轨道角动量转换和产生涡旋光束。其原理是超表面也将产生空间变化的几何贝里相位(与偏振态改变有关)，能够使圆偏振光手性反转并产生涡旋相位。这类光学元器件可实现对光束轨道角动量的操控，产生涡旋光束和矢量光束。2009年，Karimi等人实现了利用温度控制的超表面结构高效的产生(效率97％)和挑选(效率81％)光束的轨道角动量基模。2014年，Karimi等人发现了可见波段圆偏振光可通过等离子体q板(也叫等离子体超表面)改变光子轨道角动量。当等离子体超表面(纳米天线阵列组成)厚度远小于光波长时，自旋-轨道角动量的耦合效率可达3％。这一转换过程是源于纳米结构阵列中双折射的发生。这种方法可以得到一种生成可见光波段的轨道角动量光束的超薄发生器，在光谱学、成像、感应和量子信息等领域存在潜在的应用价值。
超薄超表面组成的亚波长等离激元共振器是单层的，能够在介质界面产生局部的相位突变，利用相位突变来代替电磁波传播过程中的累积相位差，能够实现在亚波长范围内对电磁波的深度调控，对器件的小型化和集成具有重要的意义。因为相位不连续是无散射的，仅依赖结构模块的取向，而不是光谱响应和入射光波长。基于这一原理，2012年，英国的张霜小组设计并实验研究了一种在光波到近红外波段都可产生突然的相位变化和波前控制的等离子超表面，当以圆偏振光入射时，产生了宽带涡旋光束。2012年，美国的Capasso小组研究了超薄平板光学元件(V型的等离子体天线微结构)产生不同拓扑荷数的光涡旋，在功率上述实现了30％的偏振转换。2015年，英国的张霜小组利用反射式金纳米天线阵列，在实验中捕捉到令人满意的激光全息图像，实测衍射效率高达80％。
目前限制超表面应用的根源是转换效率较低。最近，作为超薄低损耗元件，电介质超表面已经被证明可用于控制光的波前，其中大部分的超表面设计都是基于金属共振的低耦合效率的光学元件，导致了电阻损耗。美国的Yang等人利用银基底的高折射率的硅线模块结构超表面，实现了高频段光学涡旋光束的高线偏振转换效率(98％)，美国的Lin等人研究了左圆偏振高斯光束通过电介质梯度超表面光学元件后产生非衍射的贝塞尔光束，衍射效率达到75％以上。湖南大学的罗海陆小组利用电介质超表面产生高效率的矢量光束。
基于光场的自旋角动量和轨道角动量耦合器件，一种具有特殊几何结构的非均匀各向异性介质q-Plate出现了，它可看成是局部光轴方向变化的单轴晶体。它的功能是将左右圆偏振光束转换成携带有拓扑荷数的手性相反的圆偏振光束，其所起的作用是自旋-轨道角动量转换的中介。其中液晶分子构成的超表面可以方便的实现q值和拓扑荷数的任意可调，这可以通过调节结构参数来完成。但百微米量级的器件尺寸对于先进的光子学设备集成来说仍然太大。
最近，作为超薄低损耗元件，电介质超表面已经被证明可用于控制光的波前。利用高折射率的电介质天线构造的几何贝里相位光学元件易于制备且转换效率高，可实现高性能的轨道角动量光束产生器件，并达到操控光束轨道角动量态这一目的。基于上述考虑，由于超表面光电性质的人工可调性，根据需要设计各种各样的结构以产生不同几何贝里相位具有很强的可行性。
人工超表面(Metasurface)成为人工电磁超材料研究的最新发展方向，它可以灵活有效地操纵电磁波的相位、极化方式、传播模式等特性。人工超表面以其丰富而独特的物理特性，在多波段器件、隐身和天线技术等领域具有重要的应用价值。超表面的集成光子学技术有望应用于激光的全息成像、防伪和雷达等领域。美国珀杜大学电子与计算机工程学副教授基利季舍夫说，“超表面”可能让“平面光子学”器件和光开关缩小可以集成到计算机芯片的程度，用以进行光信息处理和光通信。“超材料”已经发展了十几年，其最吸引人的地方是可以纳米量级人工精确设计。“超表面”的典型制作方法是采用电子束雕刻或聚焦离子束加工技术，也可通过与当前半导体制造及工业过程兼容的相关材料制作而成。如果采用特定类型的等离子体材料，就可以将“超表面”集成至目前的半导体生产过程之中，这使得“超表面”的商业化具备可行性。
因此，本发明将建立超表面结构模块与均匀和非均匀几何相位的定量关系，研究几何贝里相位在产生轨道角动量光束中所起的作用，从而主动地操控光束的轨道角动量。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有基于光场的自旋角动量和轨道角动量耦合器件的百微米量级的器件尺寸对于先进的光子学设备集成来说仍然太大。
现有技术没有利用电介质超表面的结构来调控几何相位，从而实现主动操控光束的轨道角动量。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于电介质超表面结构的几何相位调控方法。
本发明是这样实现的，一种基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法包括以下步骤：
步骤一，确定电介质超表面结构模块的参数与几何贝里相位定量关系。
步骤二，控制光束的轨道角动量这一自由度。
进一步，步骤一中，所述利确定电介质超表面结构模块的参数与几何贝里相位定量关系的方法为：
几何贝里相位与光的局部偏振态的改变相关，通过设计对于局部具有不同偏振态的均匀和非均匀的电介质超表面就可以获得几何相位，从而建立电介质超表面结构模块的几何参数与偏振改变间的定量关系。
进一步，引入电介质超表面调制产生轨道角动量光束的几何贝里相位分析如下:与光的偏振有关的贝里相位是几何相位的一类，光的偏振态的周期变化伴随着相位的改变，这种相位变化由庞加莱球上表征的几何轨迹来决定的。假设各向异性介质在光的传播方向上具有均匀的相位延迟，在横向平面内，不同光轴方向(快、慢轴)的单轴晶体按一定规则排列，局部的光轴方向表示
其中局部光轴方向与局部径向的夹角α0；局部径向与x轴的夹角
q为整数或半整数，用来描述超表面结构的空间旋转率，超表面的称呼由来。光轴方向是空间变化的，但其相移Φ是空间均匀的，表示为Φ＝2π(ne-no)d/λ。其中ne、no、d和λ分别表示慢、快轴的折射率、厚度和波长。
此类贝里相位光学元件通常可以用Jones矩阵来描述，一个超表面是由大量具有空间变化的光轴方向的单轴晶体构成。那么其光传输性质矩阵为：
其中光轴方向与x方向成夹角α，W0为相位延迟板的Jones矩阵，M(α)为坐标旋转矩阵，分别表示为
假如入射任意线偏振光
为振幅，(cosθ，sinθ)T为偏振方向，θ为电场矢量与径向的夹角)。那么通过超表面后的输出电场Eout(x,y)＝T(x,y)Ein(x,y)为：
其中ψ＝2α(x,y)-2θ＝2[q arctan(y/x)+α0-θ]就是光束所携带的贝里相，在空间上是变化的，并且左旋和右旋圆偏振分量的贝里相的符号正好相反。几何贝里相不仅与超表面的结构参数有关，还与入射偏振态有关。这里应该注意到光束的几何相由材料性质和偏振分布两部分影响，那么本发明可以通过超表面的结构和光束的偏振分布来调控q参数来实现不同轨道角动量态的调控。
另外，可以看到电介质超表面的的输出电场Eout(x,y)由分别由两个圆偏振光的相干叠加组成，而其中每个圆偏振光部分由一个常量部分和一个携带贝里相的部分组成。贝里相位产生来源于自旋-轨道相互作用：光束通过超表面能够将圆偏振光转换为带有
的轨道角动量且具有与入射偏振手性相反的圆偏振光，在这个过程中角动量守恒，超表面只是充当了自旋和轨道角动量转换的中介，其本身不吸收和不产生角动量。而且此过程的角动量转换效率取决于Φ(与超表面的厚度，波长和快、慢轴的折射率有关)，即sin2(Φ/2)比例的光子参与角动量转换，cos2(Φ/2)比列的光子保持自旋和轨道角动量不变。那么，本发明可以设计超表面的结构来实现相位参数Φ的调控，从而实现高效率的轨道角动量光束转换。
进一步，步骤二中，所述控制光束的轨道角动量这一自由度的方法为：
利用超表面的自旋-轨道角动量转换过程来容易和快速的控制光的偏振自由度，从而达到控制光束的轨道角动量这一自由度。
进一步，步骤二中，利用超表面的自旋-轨道角动量转换过程控制光的偏振自由度中，通过自旋-超表面的自旋-轨道角动量转换装置进行光束的轨道角动量自由度的控制，所述自旋-超表面的自旋-轨道角动量转换装置包括单光子源、自旋-轨道角动量转换模块、自旋-轨道角动量分离模块和反馈补偿模块；
所述单光子源用于产生水平偏振单光子，所述自旋-轨道角动量转化模块用于实现光子自旋角动量到轨道角动量的转化，获得自旋-轨道角动量偏振态光子，所述自旋-轨道角动量偏振态分离模块用于对未发生转化的水平偏振单光子和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子进行分离，所述反馈补偿模块用于将分离出的未发生转化的水平偏振单光子反馈传输至所述自旋-轨道角动量转化模块。
进一步，所述单光子源包括激光器和衰减器；
所述自旋-轨道角动量转化单元包括依次连接的偏振分束器、第一偏振控制器和超表面；所述偏振分束器用于将偏振方向不同的光分开，所述第一偏振控制器用于将所有通过的偏振单光子调控输出为水平偏振单光子，所述超表面用于将第一偏振控制器输出的水平偏振单光子转化为自旋-轨道角动量偏振态光子。
进一步，所述自旋-轨道角动量偏振态分离单元包括第一分束器，所述第一分束器将通过其的光束分为第一光束和第二光束；所述第一光束所在路径上依次设有第一达夫棱镜和第一全反射镜；所述第二光束所在路径上依次设有第二全反射镜和第二达夫棱镜；所述第一光束和第二光束的交汇处设有第二分束器。
进一步，所述反馈补偿单元包括依次设置的第三全反射镜、第二偏振控制器和第四全反射镜；所述未发生转化的水平偏振单光子经所述第二分束器到达第三全反射镜，所述第二偏振控制器用于将所有通过的偏振光调控输出为垂直偏振光。
进一步，所述超表面为几何贝里相位板，其由单轴双折射向列液晶材料制成。
进一步，所述第一达夫棱镜和第二达夫棱镜相对设置，且在空间上具有夹角。
所述第一分束器的分束比为100：100，所述第二分束器的分束比为100:100。
本发明另一目的在于提供一种应用所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法的基于电介质超表面结构的几何相位调控装置。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供的基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，利用电介质超表面的结构来调控几何相位，从而实现主动操控光束的轨道角动量。超表面的光学和光子学的集成器件，相对于当前仅用于电子学或更大元件水平上的电子学和光子学的集成，其应用的速度和性能有极大的提升空间。芯片水平的集成在削减成本的同时将会减轻重量和提升速度，因此为设备的进一步小型化提供了可能。事实上，尽管光子学的一些组成要素已经成熟，该领域整体上有可能在经历一个机遇和应用的成长期，会有更多振奋人心的新技术涌现。
本发明的自旋-超表面的自旋-轨道角动量转换装置结构简单，使用方便，通过利用超表面的转化作用、达夫棱镜的分离特性并结合反馈补偿方式，实现了高纯度自旋-轨道角动量的高效转化，获得高纯度的自旋-轨道角动量光子；该系统实现了单光子源光束的循环利用，降低了系统成本，提高了产生效率，使自旋-轨道角动量特性得以充分利用；提高了通信码率并降低了误码率，增强了系统的安全性；可以携带更多的信息。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于电介质超表面结构的几何相位调控方法流程图。
图2是本发明实施例提供的超表面的自旋-轨道角动量转换装置原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有基于光场的自旋角动量和轨道角动量耦合器件的百微米量级的器件尺寸对于先进的光子学设备集成来说仍然太大。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于电介质超表面结构的几何相位调控方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于电介质超表面结构的几何相位调控方法的包括以下步骤：
S101：确定电介质超表面结构模块的参数与几何贝里相位定量关系。
S102：控制光束的轨道角动量这一自由度。
本发明实施例提供的S101中，确定电介质超表面结构模块的参数与几何贝里相位定量关系的方法为：几何贝里相位与光的局部偏振态的改变相关，通过设计对于局部具有不同偏振态的均匀和非均匀的电介质超表面就可以获得几何相位，从而建立电介质超表面结构模块的几何参数与偏振改变间的定量关系。
步骤S101中，引入电介质超表面调制产生轨道角动量光束的几何贝里相位分析如下:与光的偏振有关的贝里相位是几何相位的一类，光的偏振态的周期变化伴随着相位的改变，这种相位变化由庞加莱球上表征的几何轨迹来决定的。假设各向异性介质在光的传播方向上具有均匀的相位延迟，在横向平面内，不同光轴方向(快、慢轴)的单轴晶体按一定规则排列，局部的光轴方向表示
其中局部光轴方向与局部径向的夹角α0；局部径向与x轴的夹角
q为整数或半整数，用来描述超表面结构的空间旋转率，超表面的称呼由来。光轴方向是空间变化的，但其相移Φ是空间均匀的，表示为Φ＝2π(ne-no)d/λ。其中ne、no、d和λ分别表示慢、快轴的折射率、厚度和波长。
此类贝里相位光学元件通常可以用Jones矩阵来描述，一个超表面是由大量具有空间变化的光轴方向的单轴晶体构成。那么其光传输性质矩阵为：
其中光轴方向与x方向成夹角α，W0为相位延迟板的Jones矩阵，M(α)为坐标旋转矩阵，分别表示为
假如入射任意线偏振光
为振幅，(cosθ，sinθ)T为偏振方向，θ为电场矢量与径向的夹角)。那么通过超表面后的输出电场Eout(x,y)＝T(x,y)Ein(x,y)为：
其中ψ＝2α(x,y)-2θ＝2[q arctan(y/x)+α0-θ]就是光束所携带的贝里相，在空间上是变化的，并且左旋和右旋圆偏振分量的贝里相的符号正好相反。几何贝里相不仅与超表面的结构参数有关，还与入射偏振态有关。这里应该注意到光束的几何相由材料性质和偏振分布两部分影响，那么本发明可以通过超表面的结构和光束的偏振分布来调控q参数来实现不同轨道角动量态的调控。
另外，可以看到电介质超表面的的输出电场Eout(x,y)由分别由两个圆偏振光的相干叠加组成，而其中每个圆偏振光部分由一个常量部分和一个携带贝里相的部分组成。贝里相位产生来源于自旋-轨道相互作用：光束通过超表面能够将圆偏振光转换为带有
的轨道角动量且具有与入射偏振手性相反的圆偏振光，在这个过程中角动量守恒，超表面只是充当了自旋和轨道角动量转换的中介，其本身不吸收和不产生角动量。而且此过程的角动量转换效率取决于Φ(与超表面的厚度，波长和快、慢轴的折射率有关)，即sin2(Φ/2)比例的光子参与角动量转换，cos2(Φ/2)比列的光子保持自旋和轨道角动量不变。那么，本发明可以设计超表面的结构来实现相位参数Φ的调控，从而实现高效率的轨道角动量光束转换。
本发明实施例提供的S102中，控制光束的轨道角动量这一自由度的方法为：利用超表面的自旋-轨道角动量转换过程来容易和快速的控制光的偏振自由度，从而达到控制光束的轨道角动量这一自由度。
在本发明实施例中，利用超表面的自旋-轨道角动量转换过程控制光的偏振自由度中，通过自旋-超表面的自旋-轨道角动量转换装置进行光束的轨道角动量自由度的控制，所述自旋-超表面的自旋-轨道角动量转换装置包括单光子源、自旋-轨道角动量转换模块、自旋-轨道角动量分离模块和反馈补偿模块；
所述单光子源用于产生水平偏振单光子，所述自旋-轨道角动量转化模块用于实现光子自旋角动量到轨道角动量的转化，获得自旋-轨道角动量偏振态光子，所述自旋-轨道角动量偏振态分离模块用于对未发生转化的水平偏振单光子和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子进行分离，所述反馈补偿模块用于将分离出的未发生转化的水平偏振单光子反馈传输至所述自旋-轨道角动量转化模块。
所述单光子源包括激光器和衰减器；
所述自旋-轨道角动量转化单元包括依次连接的偏振分束器、第一偏振控制器和超表面；所述偏振分束器用于将偏振方向不同的光分开，所述第一偏振控制器用于将所有通过的偏振单光子调控输出为水平偏振单光子，所述超表面用于将第一偏振控制器输出的水平偏振单光子转化为自旋-轨道角动量偏振态光子。
所述自旋-轨道角动量偏振态分离单元包括第一分束器，所述第一分束器将通过其的光束分为第一光束和第二光束；所述第一光束所在路径上依次设有第一达夫棱镜和第一全反射镜；所述第二光束所在路径上依次设有第二全反射镜和第二达夫棱镜；所述第一光束和第二光束的交汇处设有第二分束器。
所述反馈补偿单元包括依次设置的第三全反射镜、第二偏振控制器和第四全反射镜；所述未发生转化的水平偏振单光子经所述第二分束器到达第三全反射镜，所述第二偏振控制器用于将所有通过的偏振光调控输出为垂直偏振光。
所述超表面为几何贝里相位板，其由单轴双折射向列液晶材料制成。
所述第一达夫棱镜和第二达夫棱镜相对设置，且在空间上具有夹角。
所述第一分束器的分束比为100：100，所述第二分束器的分束比为100:100。
下面结合实验效果对本发明作进一步描述。
实验效果
本发明利用电介质超表面的结构来调控几何相位，从而实现主动操控光束的轨道角动量。超表面的光学和光子学的集成器件，相对于当前仅用于电子学或更大元件水平上的电子学和光子学的集成，其应用的速度和性能有极大的提升空间。芯片水平的集成在削减成本的同时将会减轻重量和提升速度，因此为设备的进一步小型化提供了可能。事实上，尽管光子学的一些组成要素已经成熟，该领域整体上有可能在经历一个机遇和应用的成长期，会有更多振奋人心的新技术涌现。
本发明的自旋-超表面的自旋-轨道角动量转换装置结构简单，使用方便，通过利用超表面的转化作用(图2是本发明实施例提供的自旋-轨道角动量转换装置原理)、达夫棱镜的分离特性并结合反馈补偿方式，实现了高纯度自旋-轨道角动量的高效转化，获得高纯度的自旋-轨道角动量光子；该系统实现了单光子源光束的循环利用，降低了系统成本，提高了产生效率，使自旋-轨道角动量特性得以充分利用；提高了通信码率并降低了误码率，增强了系统的安全性；可以携带更多的信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，其特征在于，所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法包括以下步骤：
步骤一，确定电介质超表面结构模块的参数与几何贝里相位定量关系；
步骤二，控制光束的轨道角动量这一自由度。
2.如权利要求1所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，其特征在于，步骤一中，所述利确定电介质超表面结构模块的参数与几何贝里相位定量关系的方法为：
几何贝里相位与光的局部偏振态的改变相关，通过设计对于局部具有不同偏振态的均匀和非均匀的电介质超表面获得几何相位，从而建立电介质超表面结构模块的几何参数与偏振改变间的定量关系。
3.如权利要求1所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，其特征在于，步骤一具体包括：各向异性介质在光的传播方向上具有均匀的相位延迟，在横向平面内，不同光轴方向的单轴晶体按一定规则排列，局部的光轴方向表示
其中局部光轴方向与局部径向的夹角α0；局部径向与x轴的夹角
q为整数或半整数，用来描述超表面结构的空间旋转率；
光轴方向空间变化中，相移Φ空间均匀，表示为Φ＝2π(ne-no)d/λ；其中ne、no、d和λ分别表示慢、快轴的折射率、厚度和波长；
贝里相位光学元件用Jones矩阵描述，一个超表面由大量具有空间变化的光轴方向的单轴晶体构成；光传输性质矩阵为：
光轴方向与x方向成夹角α，W0为相位延迟板的Jones矩阵，M(α)为坐标旋转矩阵，分别表示为
入射任意线偏振光
E0(x,y)为振幅，(cosθ，sinθ)T为偏振方向，θ为电场矢量与径向的夹角；通过超表面后的输出电场Eout(x,y)＝T(x,y)Ein(x,y)为：
其中ψ＝2α(x,y)-2θ＝2[qarctan(y/x)+α0-θ]就是光束所携带的贝里相，在空间上变化，并且左旋和右旋圆偏振分量的贝里相的符号正好相反；
几何贝里相不仅与超表面的结构参数有关，还与入射偏振态有关；通过超表面的结构和光束的偏振分布来调控q参数实现不同轨道角动量态的调控；
电介质超表面的的输出电场Eout(x,y)由分别由两个圆偏振光的相干叠加组成，每个圆偏振光部分由一个常量部分和一个携带贝里相的部分组成；光束通过超表面能够将圆偏振光转换为带有
的轨道角动量且具有与入射偏振手性相反的圆偏振光，角动量守恒中，超表面为自旋和轨道角动量转换的中介；而且角动量转换过程效率取决于Φ，即sin2(Φ/2)比例的光子参与角动量转换，cos2(Φ/2)比列的光子保持自旋和轨道角动量不变。
4.如权利要求1所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，其特征在于，步骤二中，所述控制光束的轨道角动量这一自由度的方法为：
利用超表面的自旋-轨道角动量转换过程来容易和快速的控制光的偏振自由度，从而达到控制光束的轨道角动量这一自由度；
利用超表面的自旋-轨道角动量转换过程控制光的偏振自由度中，通过自旋-超表面的自旋-轨道角动量转换装置进行光束的轨道角动量自由度的控制，所述自旋-超表面的自旋-轨道角动量转换装置包括单光子源、自旋-轨道角动量转换模块、自旋-轨道角动量分离模块和反馈补偿模块；
所述单光子源用于产生水平偏振单光子，所述自旋-轨道角动量转化模块用于实现光子自旋角动量到轨道角动量的转化，获得自旋-轨道角动量偏振态光子，所述自旋-轨道角动量偏振态分离模块用于对未发生转化的水平偏振单光子和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子进行分离，所述反馈补偿模块用于将分离出的未发生转化的水平偏振单光子反馈传输至所述自旋-轨道角动量转化模块。
5.如权利要求4所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，其特征在于，所述单光子源包括激光器和衰减器；
所述自旋-轨道角动量转化单元包括依次连接的偏振分束器、第一偏振控制器和超表面；所述偏振分束器用于将偏振方向不同的光分开，所述第一偏振控制器用于将所有通过的偏振单光子调控输出为水平偏振单光子，所述超表面用于将第一偏振控制器输出的水平偏振单光子转化为自旋-轨道角动量偏振态光子。
6.如权利要求4所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，其特征在于，所述自旋-轨道角动量偏振态分离单元包括第一分束器，所述第一分束器将通过其的光束分为第一光束和第二光束；所述第一光束所在路径上依次设有第一达夫棱镜和第一全反射镜；所述第二光束所在路径上依次设有第二全反射镜和第二达夫棱镜；所述第一光束和第二光束的交汇处设有第二分束器。
7.如权利要求4所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，其特征在于，所述反馈补偿单元包括依次设置的第三全反射镜、第二偏振控制器和第四全反射镜；所述未发生转化的水平偏振单光子经所述第二分束器到达第三全反射镜，所述第二偏振控制器用于将所有通过的偏振光调控输出为垂直偏振光。
8.如权利要求4所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，其特征在于，所述超表面为几何贝里相位板，其由单轴双折射向列液晶材料制成。
9.如权利要求4所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，其特征在于，所述第一达夫棱镜和第二达夫棱镜相对设置，且在空间上具有夹角。
所述第一分束器的分束比为100：100，所述第二分束器的分束比为100:100。
10.一种应用权利要求1～7任意一项所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法的基于电介质超表面结构的几何相位调控装置。
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