CN112909566B - 一种多功能涡旋叠加态发生器 - Google Patents

一种多功能涡旋叠加态发生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多功能涡旋叠加态发生器，属于新型人工电磁材料和太赫兹科学技术领域。该器件采用全硅结构，包含若干个透射阵列单元，每个单元应该满足：对于不同的圆偏振电磁波入射到超表面时，超表面阵列会产生特定的相位响应，从而产生多种涡旋态和涡旋叠加态。本发明通过将十字形单元和正方形单元空间交织排列分别对入射电磁波的同偏振和交叉偏振分量实现独立的相位调控，可以在不同的出射偏振态进行多种功能设计，具有高效、透射式、多功能等优点。

Description

一种多功能涡旋叠加态发生器
技术领域
本发明新型人工电磁材料和太赫兹科学技术领域，具体涉及一种多功能涡旋叠加态发生器。
背景技术
由于在电磁波操控方面的潜在突破，超表面在科研界引起了广泛的关注。超表面已经广泛应用在很多领域，例如超透镜、自旋霍尔效应、全息和涡旋发生器等。为了满足高容量平面电磁设备的增长需求，将多种功能集成在单个器件上是必需的。这些具有各向异性结构的超表面只能工作在两个正交的线偏振态，这些限制了其实际应用。通过引入几何相位，超表面可以实现圆偏振下的偏振复用。但是左右旋圆偏振的功能相互锁定。这种单调的功能将会带来巨大的限制。最近，通过将几何相位与传播相位结合，实现了完全的相位和偏振独立调控。但大部分是多层或反射式结构设计，在实际应用中有一定的局限。
涡旋光束由于携带轨道角动量而引起了巨大的研究兴趣，其具有螺旋状的相位结构以及环状的强度分布。涡旋光束广泛应用于通信、光镊以及量子信息编码等领域。特别地，涡旋光束的叠加态在计量学、量子科学和轨道角动量通信等领域是很重要的。高阶涡旋模式的叠加态可以用于超灵敏的角度测量。在波色-爱因斯坦凝聚中，多涡旋态可以用来产生原子旋转状态的任意叠加。携带轨道角动量的涡旋光束在提高通信系统的数据容量方面显示出了良好的前景，因为在单一通信信道中可以同时以相同的频率传输多个正交模式。
在左右旋圆偏振入射下，可以在交叉偏振通道产生任意的涡旋光束。借助几何相位，通过叠加多个离轴涡旋，多通道涡旋叠加态可以在交叉偏振通道生成。也有一些学者研究了等离激元涡旋的叠加态。这些工作多数只能工作在交叉偏振通道、反射式或多层设计，在实际应用中受限。因此发展透射式、高效率、多功能涡旋叠加态发生器具有非常重要的应用价值。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种多功能涡旋叠加态发生器，通过下述技术方案实现：
一种多功能涡旋叠加态发生器，包括由多个按照设定的相位分布规律排列的十字形阵列单元和正方形阵列单元组成的超表面阵列单元，其超表面阵列单元满足对不同圆偏振电磁波入射到超表面阵列单元时产生多种涡旋态和涡旋叠加态，所述超表面阵列单元的相位分布规律满足如下表达式：
Figure BDA0002907404870000011
其中，f为超表面的聚焦；r、θ为以该超表面中心为原点的极坐标系下的半径和方位角；λ为设定频率对应的波长；
Figure BDA0002907404870000021
为在左旋圆偏振电磁波入射的条件下出射的右旋圆偏振电场的相位分布；
Figure BDA0002907404870000022
在右旋圆偏振电磁波入射的条件下出射的左旋圆偏振电场的相位分布；
Figure BDA0002907404870000023
为在左旋圆偏振电磁波入射的条件下出射的左旋圆偏振电场的相位分布；
Figure BDA0002907404870000024
在右旋圆偏振电磁波入射的条件下出射的右旋圆偏振电场的相位分布；l1、l2、l3为在左右旋圆偏振电磁波入射下，出射圆偏振的涡旋拓扑荷。
上述方案的有益效果是，通过阵列单元对入射电磁波的同偏振和交叉偏振分量实现独立的相位调控，可以在不同的出射偏振态进行多种功能设计，同时可以在多通道实现涡旋态的叠加，在现有的发生器只能工作在交叉偏振通道、反射式或多层设计的基础上，能够进一步发展成为透射式、高效率的多功能涡旋叠加态发生器。
进一步的，所述十字形单元和正方形单元交错排列，分别调控入射长的交叉偏振分量和同偏振分量。
进一步的，所述十字形单元由两个矩形条组成，其矩形条宽度相同，长度的取值范围为30-110μm；所述正方形矩形条的变长取值范围为30-60μm。
上述进一步方案的有益效果是，通过十字形和正方形结构可以实现对同偏振和交叉偏振的同时调控，提高效率。
进一步的，所述十字形单元和正方形单元的相位覆盖范围为0-2π。
上述进一步方案的有益效果是，实现更大范围的相移覆盖。
进一步的，在左右旋圆偏振电磁波入射下，所述多功能涡旋叠加态发生器通过切换入射和出射电磁波的左右偏振态，得到不同拓补荷的涡旋态；通过探测出射电磁波的线偏振态，分别得到不同拓补荷的涡旋的相干叠加态。
上述进一步方案的有益效果是，对于不同的圆偏振电磁波入射到超表面时，超表面阵列会产生特定的相位响应，从而产生多种涡旋态和涡旋叠加态。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明多功能涡旋叠加发生器的结构示意图，其中的放大结构为超表面阵列单元的空间排列示意图。
图2是本发明的阵列单元结构示意图。
图3是本发明的十字形结构在1.3THz时x和y偏振入射下的透射系数和相移。
图4是本发明的正方形结构在1.3THz时x偏振入射下的透射系数和相移曲线。
图5为本发明的超表面阵列在1.3THz时经过左旋圆偏振平面波激励透射在焦平面的电场强度和相位分布图。
图6为本发明的超表面阵列在1.3THz时经过右旋圆偏振平面波激励透射在焦平面的电场强度和相位分布图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种多功能涡旋叠加态发生器，如图1所示，包括由多个按照设定的相位分布规律排列的十字形阵列单元和正方形阵列单元组成的超表面阵列单元，其超表面阵列单元满足对不同圆偏振电磁波入射到超表面阵列单元时产生多种涡旋态和涡旋叠加态，所述超表面阵列单元的相位分布规律满足如下表达式：
Figure BDA0002907404870000031
其中，f为超表面的聚焦；r、θ为以该超表面中心为原点的极坐标系下的半径和方位角；λ为设定频率对应的波长；
Figure BDA0002907404870000032
为在左旋圆偏振电磁波入射的条件下出射的右旋圆偏振电场的相位分布；
Figure BDA0002907404870000033
在右旋圆偏振电磁波入射的条件下出射的左旋圆偏振电场的相位分布；
Figure BDA0002907404870000034
为在左旋圆偏振电磁波入射的条件下出射的左旋圆偏振电场的相位分布；
Figure BDA0002907404870000035
在右旋圆偏振电磁波入射的条件下出射的右旋圆偏振电场的相位分布；l1、l2、l3为在左右旋圆偏振电磁波入射下，出射圆偏振的涡旋拓扑荷。
在本实施例里，所述的超表面阵列单元采用全硅结构，这里采用的是折射率为3.45的高阻硅，刻蚀深度为150μm，单元周期为150μm，拓扑荷分别为l1＝-2，l2＝-3，l3＝+2。焦距f为7mm,该超表面阵列单元由十字形单元和正方形单元空间交错排列而成。在左右旋圆偏振电磁波入射下，出射的圆偏振的涡旋拓扑荷分别为l1，l2和l3。通过切换入射和出射电磁波的左右旋偏振态，可以得到三种拓扑荷的涡旋态，在左右旋圆偏振电磁波入射下，若探测出射电磁波的线偏振态，将分别得到两种涡旋叠加态，它们分别是拓扑荷为l1和l3的涡旋的相干叠加和拓扑荷为l2和l3的涡旋的相干叠加。
本实施例里的多功能涡旋叠加态发生器包含：十字形和正方形两种结构单元，如图2所示，十字形单元由两个矩形条组成，矩形条的宽度均为30μm，长度分别为L1和L2，L1和L2的取值范围为30-110μm。正方形结构的边长为L，L的取值范围为30-60μm。在本实施例中共采用了15种十字形和8种正方形结构，它们的参数分别是：L1＝48μm,L2＝110μm；L1＝46μm,L2＝102μm；L1＝45μm,L2＝92μm；L1＝43μm,L2＝79μm；L1＝42μm,L2＝68μm；L1＝37μm,L2＝60μm；L1＝34μm,L2＝59μm；L1＝30μm,L2＝60μm；L1＝110μm,L2＝48μm；L1＝102μm,L2＝46μm；L1＝92μm,L2＝45μm；L1＝79μm,L2＝43μm；L1＝68μm,L2＝42μm；L1＝60μm,L2＝37μm；L1＝59μm,L2＝34μm；L＝35μm；L＝40μm；L＝42μm；L＝44μm；L＝46μm；L＝48μm；L＝51μm；L＝60μm。
其中十字形单元和正方形单元的透射系数在0.5，单元周期为150μm，超表面阵列单元的基底厚度为350μm，单元结构高度为150μm，总高度为500μm。
对于不同的圆偏振电磁波入射到超表面时，超表面阵列会产生特定的相位响应，从而产生多种涡旋态和涡旋叠加态。为了同时调控超表面阵列出射电场的同偏振和交叉偏振分量，本实施例采用十字形单元和正方形单元交错排列，分别调控入射场的交叉偏振和同偏振分量，在本实施例里，多功能涡旋叠加发生器的直径为9mm，由全硅的十字形和正方形结构交叉排列组成，其正方形单元与十字形单元在x和y方向均有75μm的错位，如图1中的放大结构所示。
如图3所示，本实施例所采用的十字形结构单元的透射系数均在0.5，相移覆盖0-2π的范围。
如图4所示，本实施例采用的正方形结构单元的透射系数均在0.5，相移覆盖0-2π的范围。
如图5所示，本实施例的多功能涡旋叠加态发生器在1.3THz时经过左旋圆偏振平面波，会在焦平面处产生拓扑荷为-2和+2的涡旋叠加态，表现为花瓣状，花瓣的数量为4。
如图6示，本实施例的多功能涡旋叠加态发生器在1.3THz时经过左旋圆偏振平面波，会在焦平面处产生拓扑荷为-3和+2的涡旋叠加态，表现为花瓣状，花瓣的数量为5。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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方式而已，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 (4)

1.一种多功能涡旋叠加态发生器，其特征在于，包括由多个按照设定的相位分布规律排列的十字形阵列单元和正方形阵列单元组成的超表面阵列单元，所述超表面阵列单元采用全硅结构，所述十字形阵列单元和正方形阵列单元交错排列，其中，所述十字形阵列单元用于调控入射场的交叉偏振分量，所述正方形阵列单元用于调控入射场的同偏振分量，其超表面阵列单元满足对不同圆偏振电磁波入射到超表面阵列单元时产生多种涡旋态和涡旋叠加态，所述超表面阵列单元的相位分布规律满足如下表达式：
Figure FDA0003623796280000011
其中，f为超表面的聚焦；r、θ为以该超表面中心为原点的极坐标系下的半径和方位角；λ为设定频率对应的波长；
Figure FDA0003623796280000012
为在左旋圆偏振电磁波入射的条件下出射的右旋圆偏振电场的相位分布；
Figure FDA0003623796280000013
在右旋圆偏振电磁波入射的条件下出射的左旋圆偏振电场的相位分布；
Figure FDA0003623796280000014
为在左旋圆偏振电磁波入射的条件下出射的左旋圆偏振电场的相位分布；
Figure FDA0003623796280000015
在右旋圆偏振电磁波入射的条件下出射的右旋圆偏振电场的相位分布；l1、l2、l3为在左右旋圆偏振电磁波入射下，出射圆偏振的涡旋拓扑荷。
2.根据权利要求1所述的多功能涡旋叠加态发生器，其特征在于，所述十字形单元由两个矩形条组成，其矩形条宽度相同，长度的取值范围为30-110μm；所述正方形矩形条的变长取值范围为30-60μm。
3.根据权利要求2所述的多功能涡旋叠加态发生器，其特征在于，所述十字形单元和正方形单元的相位覆盖范围为0-2π，透射系数为0.5。
4.根据权利要求1所述的多功能涡旋叠加态发生器，其特征在于，在左右旋圆偏振电磁波入射下，所述多功能涡旋叠加态发生器通过切换入射和出射电磁波的左右偏振态，得到不同拓补荷的涡旋态；通过探测出射电磁波的线偏振态，分别得到不同拓补荷的涡旋的相干叠加态。
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