CN114114720B - 一种基于超构表面的全维度光场调控方法和器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超构表面的全维度光场调控方法和器件，属于光场调控领域。该方法为平行多任务的方法，即将几何相位型超构表面单元的光轴旋转角度划分为几个子角，提供足够的调控参数。通过改变相位子角度的旋转角度，利用几何相位原理调控相位分布；通过改变振幅子角度，利用光场干涉原理调控振幅分布；通过携带相反相位梯度的偏振子角度，利用正交偏振光场叠加原理调控偏振分布，从而实现纳米光子集成空间全维度光场调控。本发明可对光场的振幅、相位和偏振分布进行连续、任意且独立的调控，具有尺寸小、分辨率高、工作带宽大、高鲁棒性等优点，可以用于产生调控各类复杂光场，并支撑通信、显示、成像、探测等多方面应用。

Description

一种基于超构表面的全维度光场调控方法和器件

技术领域

本发明属于光场调控领域，更具体地，涉及一种基于超构表面的全维度光场调控方法和器件。

背景技术

光是一种电磁波，其具有波粒二象性，并普遍存在于自然界中。因此，一束单色连续的相干光具有振幅、相位、偏振、频率(波长)及其空间分布等多个维度。值得一提的是，所有与光有关的应用几乎都是围绕光波的基本维度资源展开。传统的光学器件主要开发和利用具有均匀振幅、相位和偏振的光束，其应用相对受限。此外，除了人们熟知的振幅、相位、偏振、频率/波长等维度资源外，光场的振幅、相位、偏振空间分布作为光波的新颖的维度资源近年来受到非常广泛的关注。开发和利用光的空间维度在超分辨率成像、光力操纵、传感、量子信息处理等领域有着广阔的应用前景。

除了光的一维结构(例如空间振幅或相位或偏振)之外，具有不均匀空间分布的光场引起越来越多的兴趣。事实上，现代光电子技术更加需要人们开发和利用光场的多个维度资源。对光场多个维度的开发和利用在激光加工、光纤通信，生物成像，全息显示，量子信息等多个领域都有着极为重要的作用。例如，一个高精度的全息图需要同时和独立的振幅和相位空间分布的调制，并且它可以被光学旋涡进一步加密和复用，以实现高安全性的轨道角动量加密的全息图。

对光波的各个维度的开发与应用一个重要的领域就是对光场各个基本维度的调控。值得注意的是，目前调控空间光场维度的器件有多种：①相位型或幅度型液晶空间光调制器使用方便，但单元尺寸较大，分辨率较低，且通常仅对光场的某一个维度进行调控。②螺旋相位板通过不同厚度的材料来控制光束各个位置的光程来调制光场的相位分布，但其体积较大且精度有限。③近年来，基于光子集成平台的相控阵研究比较多，但是也仅仅聚焦在光场的相位维度上，且相控阵的大小和间距均较大，分辨率不足，产生多个级次的衍射。显然，传统的光场空间分布调控手段无法完全满足现代光电子技术对空间光场多维调控的要求；单一维度或者某几个维度的调控对于复杂结构光场的产生和应用来说也远远不够。

未来的光场调控技术主要有以下几个发展趋势：①光学器件的小型化和集成化；②光场三维空间幅度、相位、偏振的同时独立且连续调控，即空间光场的全维度调控；③更高的分辨率。超构表面是一种纳米光子器件。通过设计每个单元的形状，大小和角度和整个平面阵列的空间排列方式，超构表面可以将光的波前调控成为任意相位、偏振和强度空间分布的波前。在横向尺寸上，超构表面的单元都是亚波长的结构，因此其具有亚波长尺度的及高分辨率；在纵向上，超构表面的作用距离极短，可以在一个近似的平面上控制光波的波前分布。与其他光学器件(如透镜或棱镜)相比，超构表面器件在其灵活性和紧凑性方面表现出色，为芯片上集成纳米光子学提供了前所未有的机会。

当前，超构表面对光场的空间分布操控通常仅针对光场的一个或者两个维度，完整操控光波空间分布的各个维度依然困难。此外，现有的多维度调控操构表面往往利用了超构表面变化的尺寸参数，这会导致超构表面的电磁响应依赖于特定的波长，因此多维度调控超构表面的工作带宽受限且鲁棒性较差。鉴于此，设计出一种全维度调控超构表面来补充与拓展现有超构表面与空间光场调控器件功能是极其有必要的，且具有广泛应用前景。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于超构表面的全维度光场调控方法和器件，针对性突破现有光场调控方案大多仅适用于光场单一物理维度调控、带宽窄、鲁棒性差、分辨率低、体积大的局限性，目标是对光场三维空间(幅度、相位、偏振)全维度实现宽带、亚波长分辨率、集成、连续、独立的调控。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于超构表面的全维度光场调控方法，该方法利用超构表面对光场三维空间的调控实现振幅、相位和偏振全维度光场调控。借助超构表面的功能，该方法具有亚波长尺度的分辨率，极小的体积、高集成度与强大的光场调控能力。

进一步地，所述基于超构表面的全维度光场调控方法是利用超构表面的器件实现全维度光场调控，为全维度光场调控提供紧凑、高分辨率、稳定的集成化解决方案。将几何相位型超构表面中N行×N列排布的各向异性单元的旋转角度划分为相位子角度、振幅子角度和偏振子角度，其特征在于，通过改变相位子角度、振幅子角度和偏振子角度分别调控出射光场的相位分布、振幅分布和偏振分布，实现全维度的空间光场调控。

更进一步地，基于超构表面的全维度光场调控方法是一种平行多任务的方法，将所述超构表面超构表面单元的旋转角度进行切分为分为相位子角度、振幅子角度和偏振子角度，分别用于控制出射光场振幅、相位和偏振的分布。总旋转角度等于相位子角度、振幅子角度和偏振子角度之和。

更进一步地，所述相位调控通过调控第一个子角度即相位子角度来实现。当左旋圆偏振光入射时，出射光场中的右旋圆偏振光将会获得一个2倍于超构表面单元旋转角的相位延迟。当右旋圆偏振光入射时，出射光场中的左旋圆偏振光将会获得一个-2倍于超构表面单元旋转角的相位延迟。通过控制不同单元的相位子角度分布(0～π)，就可以控制出射光场的相位分布(0～正负2π)。

更进一步地，所述振幅分布的调控通过左右相邻单元间振幅子角度来实现。由于振幅子角度的引入，左右相邻的两个单元的相位分布不同，因此具有不同振幅子角度的两个相邻元件会发生干涉。由于超构表面单元表面的亚波长周期，从两个相邻的单元辐射的传输光束被认为是相互重叠。因此，通过控制不同单元的振幅子角度分布，就可以控制出射光场的振幅分布(光场场强0～1)。

更进一步地，所述的偏振调控通过引入第三个子角度即偏振子角度，并使用两个正交偏振光束的叠加来实现。在相邻的两行提供相位梯度，并且超表面的奇偶行中的梯度正好相反。因此，在可分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光光束叠加的线偏振光照明下，超构表面的奇偶行将分别以相同的衍射角衍射透射光束的左旋和右旋分量。再次，由于超构表面的亚波长周期，从奇偶行衍射左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光书光束是一个重叠光束。由于奇偶行中的干涉子角和相位子角可以对两个正交偏振传输光束进行独立的幅度和相位调制，因此可以实现独立的完全偏振调制。

本发明另一方面提供了一种基于超构表面的全维度光场调控器件，包括设置于基底上的超构表面，所述超构表面包括至少一个光场调控区，每个所述光场调控区包括N×N个阵列排布的具有光学各项异性亚波长超构表面单元。

更进一步地，所述一种基于超构表面的全维度光场调控器件的各项异性单元可以为柱状、椭圆状、椭球、六边形、开口环等单层或多层结构，各向异性单元的旋转角度分为相位子角度、振幅子角度和偏振子角度，所述相位子角度、振幅子角度和偏振子角度通过上述的调控方法进行设计。

更进一步地，所述几何相位单元可以通过电介质单元或者金属表面等离子体单元来实现。不同材料体系和几何尺寸的单元仅影响超构表面器件的工作效率，而超构表面的工作性能及其对空间全维度光场的调控能力与准确性不受影响。

更进一步地，所述一种基于超构表面的全维度光场调控器件，所述各项异性单元对光场的调控仅与超构表面单元的旋转角度相关，因此所述一种基于超构表面的全维度光场调控器件可以工作在一个较宽的带宽内。

通过本发明所构思的以上技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、传统光场调控大多简单调控光场单一或少数物理维度资源。相比之下，本发明采用的基于超构表面的全维度光场调控方法和器件能够同时、任意、独立调控三维空间的光场波前振幅、相位和偏振分布的全维度调控。

2、传统基于液晶空间光调制器、螺旋相位板、光学相控阵等器件的光场调控的像元尺寸大、分辨率低。相比之下，本发明采用的光场调控器件具有亚波长尺寸的单元结构，分辨率高，并可以实现全维度光场调控。

3、本发明采用的超构表面可以在亚波长的厚度内完成对光场的操控，不依赖于光程的累积，相比于其他类型的光场调控方式，体积更小。并且由于其平面极薄的特性，易于与其他器件集成。

4、本发明提出的基于平行多任务几何相位的全维度光场调控方法基于光学几何相位，其对光场振幅相位和偏振分布的调控仅与单元的旋转角度有关，与超构表面单元的材料、形状及尺寸无关。相比于其他的超构表面多维光场调控方法，本方法具有极高的鲁棒性。

5、本发明提出的基于平行多任务几何相位的全维度光场调控方案基于光学几何相位，其对光场的调控不依赖于光程和谐振，与入射波长无关，因此本发明提出的全维度超构表面可以工作在一个很宽的带宽内。

附图说明

图1是本发明平行多任务原理示意图；

图2是本发明提供的相位维度调控的原理示意图；

图3是本发明提供的幅度维度调控的原理示意图；

图4是本发明提供的偏振维度调控的原理示意图；

图5是本发明提供的全维度空间光场超构表面单元相位调控的结构示意图；

图6是本发明提供的全维度空间光场超构表面振幅调控的结构示意图；

图7是本发明提供的全维度空间光场超构表面偏振调控的结构示意图；

图8是本发明提供的基于超构表面的全维度光场调控器件的示意图；

图9是本发明提供的全维度空间光场超构表面单元结构示意图；

图10是本发明实施例中利用全维度空间光场超构表面进行相位调制，产生涡旋光束的实验结果；

图11是本发明实施例中利用全维度空间光场超构表面进行偏振调制，产生径向偏振矢量光束的实验结果；

图12是本发明实施例中利用全维度空间光场超构表面进行偏振调制，产生角向偏振矢量光束的实验结果；

图13是本发明实施例中利用全维度空间光场超构表面进行相位和偏振调制，产生径向矢量涡旋光束的实验结果；

图14是本发明实施例中利用全维度空间光场超构表面进行相位和偏振调制，产生角向矢量涡旋光束的实验结果；

图15是本发明实施例中利用全维度空间光场超构表面进行振幅、相位和偏振调制，产生多级次矢量光束的实验结果；

图16是本发明实施例中利用全维度空间光场超构表面进行振幅、相位和偏振调制，多维度全息图复用的实验结果。

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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于超构表面的全维度光场调控方法，具体调控原理如下：利用平行多任务的几何相位型超构表面对光场三维空间进行调控，通过对超构表面单元旋转角的切分，不同的子角分别控制光场振幅、相位、偏振，进而实现空间光场分布的全维度调控。

以下结合具体实施例及附图进行说明。

如图1所示，本发明利用平行多任务的几何相位型超构表面对光场三维空间进行调控。将超构表面单元的平面旋转角切分为三个子角度即相位子角度，θ_i振幅子角度，θ_s偏振子角度，不同的子角度负责不同的任务。具体地，相位子角度负责调控波前的相位，振幅子角度负责调控波前的振幅，偏振子角度负责调控波前的偏振。

如图2所示，本发明提供了相位维度调控方法的原理示意图。本发明的相位调控方式是基于几何相位的原理。当入射光场为左/右旋偏光时，出射光场的右/左旋圆偏光各点的相位等于相位子角度旋转角的正负2倍，通过超构表面单元相位子角度0～π的变化，从而实现该处光场相位0～正负2π的变化通过改变超构表面单元相位子角的旋转角度实现相位调控。

如图3所示，本发明提供了振幅维度调控方法的原理示意图，本发明的振幅调控方式是利用左右相邻单元辐射的同频率同相干光场干涉来实现幅度的调控，出射光场的振幅等于两束相干光相位差一半的余弦值。

如图4所示，本发明提供了偏振维度调控的原理示意图，本发明的振幅调控方式是利用两路正交且可任意调控振幅、相位的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光偏振光(同频率)来合成任意的偏振态，其中这两路正交的左旋和右旋偏振光的幅度、相位均可以独立、连续控制。

本发明提供一种基于平行多任务的超构表面全维度光场调控的方法，具体实施方式如下：

如图5所示，本发明提供一种基于超构表面的光场相位调控的方法，利用偏振光的几何相位来控制出射光场的相位分布。偏振光的几何相位是指当左/右旋圆偏振光入射各向异性单元时，出射光中的正交圆偏振分量会获得一个±2倍于旋转角度的相位延迟。基于各向异性型单元的几何相位，通过改变超构表面单元各个单元相位子角的平面旋转角度，就可以实现对光场空间相位分布的调控。

如图6所示，本发明提供一种基于多任务超构表面的光场振幅分布调控的方法，引入干涉子角度对光场的振幅分布进行调控。对同一行中相邻的两个超构表面单元引入不同的振幅子角度。以左旋圆偏振光为例，经过各向异性超构表面单元的调制，由于不同的振幅子角度的影响，两个相邻元件透射光中的右旋圆偏振光由于有相位差，因此会发生干涉。值得注意的是，由于超构表面单元具有亚波长周期，认为从两个相邻的元素发射出来的传输光束相互重叠。因此，这两束光在近场干涉，通过控制两个干涉子角的相位差，就可以控制输出光束的振幅这意味着通过调控干涉子角，本发明可以完成从0～1的振幅分布的调制。

如图7所示，本发明提供一种基于多任务超构表面的光场偏振分布调控的方法，引入偏振子角度对光场的偏振分布进行调控。本发明向水平相邻的两行几何相位元素提供相位梯度，并且使得超构表面的奇偶行中的梯度正好相反。因此，在可分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光光束叠加的线偏振光照明下，超构表面的奇偶行将分别以相同的衍射角折出右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。再次，超构表面具有亚波长的周期性结构，本发明中从超构表面奇偶行衍射的左旋偏振光束和右旋圆偏振光束在空间上是一个重叠光束。再次，结合之前的振幅调制和相位调制，奇偶行中的干涉子角和相位子角可以对两个正交偏振传输光束进行独立的幅度和相位调制，因此本发明提出的平行任务超构表面可以实现独立的完全偏振调制。

基于上述调控原理，线偏振的入射光场经过超构表面之后使得光场获得三维空间上幅度、相位和偏振的调控，从而实现集成全维度空间光场调控。

如图8所示，本发明提出一种基于超构表面的全维度光场调控器件，其设置于基底上的N×N个阵列排布的具有光学各项异性亚波长长方体超构表面单元，通过控制长方体在平面上的旋转角度来实现光场的全维度调控。

如图9所示，本发明提出一种典型的具有各向异性的表面等离子体几何相位超构表面单元。通过N×N该单元的排布，组成全维度超构表面单元。该单元由下层的电介质衬底和上层具有各向异性金属长方体结构组成。

值得指出的是：本发明所述几何相位型超构表面单元，其光子材料体系可以是表面等离子体型：如金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铬(Cr)等；也可以是电介质型：硅(Si)、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO₂)、氮化硅(SiN_x)、磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、铌酸锂(LiNbO3)、铌酸锂薄膜、聚合物(Polymer)还可以是液晶分子，更可以是相变材料以及多材料混合等现有以及还未使用的超构表面材料体系。

如图10所示，利用超构表面阵列单元来调制光场的空间相位分布，从而产生涡旋光束。图10分别从左至右依次为：仿真的涡旋光束光强分布图，仿真的涡旋光束与基模高斯光束干涉光强分布图，实验的涡旋光束光强分布图，实验的涡旋光束与基模高斯光束干涉光强分布图。从图中可以看出，仿真和实验的涡旋光束都呈现“甜甜圈”状，这是典型涡旋光束的特征；仿真和实验的干涉图都呈现单螺旋结构，说明生成的涡旋光束具有一阶的涡旋相位分布。

如图11所示，利用超构表面阵列单元来调制光场的空间偏振分布，从而产生径向矢量光束。图11分别从左至右依次为：仿真的径向矢量光束光强分布图，仿真的径向矢量光束各个偏振态光强分布图，实验的径向矢量光束光强分布图，实验的径向矢量光束各个偏振态光强分布图。从图中可以看出，仿真和实验的径向矢量光束都呈现“甜甜圈”状，这是由于中心的偏振奇点导致，是矢量光束的典型特征；仿真和实验的各个偏振态的光束分布都呈现与偏振方向一致的两瓣形状，说明产生了径向矢量偏振光束。

如图12所示，利用超构表面阵列单元来调制光场的空间偏振分布，从而产生角向矢量光束。图12分别从左至右依次为：仿真的角向矢量光束光强分布图，仿真的角向矢量光束各个偏振态光强分布图，实验的角向矢量光束光强分布图，实验的角向矢量光束各个偏振态光强分布图。从图中可以看出，仿真和实验的角向矢量光束都呈现“甜甜圈”状，这是由于中心的偏振奇点导致，是矢量光束的典型特征；仿真和实验的各个偏振态的光束分布都呈现与偏振方向正交的两瓣形状，说明产生了角向矢量偏振光束。

如图13所示，利用超构表面阵列单元来同时调制光场的空间相位和偏振分布，从而产生径向矢量涡旋光束。图13的上层从左至右依次为：仿真的径向矢量涡旋光束光强分布图，仿真的径向涡旋矢量光束各个偏振态光强分布图，仿真的径向矢量涡旋光束左旋圆偏振分量的光强分布图，仿真的径向矢量涡旋光束右旋圆偏振分量的光强分布图。图13的下层从左至右依次为：实验的径向矢量涡旋光束光强分布图，实验的径向涡旋矢量光束各个偏振态光强分布图，实验的径向矢量涡旋光束左旋圆偏振分量的光强分布图，实验的径向矢量涡旋光束右旋圆偏振分量的光强分布图。从图中可以看出，仿真和实验的径向矢量涡旋光束中心为亮斑；各偏振方向仿真和实验的各个偏振态的光束分布都呈现与偏振方向相同的分布；左旋圆偏振分量的干涉图呈现同心圆环状，右旋圆偏振分量的干涉图呈现螺旋形干涉条纹，说明产生了径向矢量涡旋光束。

如图14所示，利用超构表面阵列单元来同时调制光场的空间相位和偏振分布，从而产生角向矢量涡旋光束。图14的上层从左至右依次为：仿真的角向矢量涡旋光束光强分布图，仿真的角向涡旋矢量光束各个偏振态光强分布图，仿真的角向矢量涡旋光束左旋圆偏振分量的光强分布图，仿真的角向矢量涡旋光束右旋圆偏振分量的光强分布图。图14的下层从左至右依次为：实验的角向矢量涡旋光束光强分布图，实验的角向涡旋矢量光束各个偏振态光强分布图，实验的角向矢量涡旋光束左旋圆偏振分量的光强分布图，实验的角向矢量涡旋光束右旋圆偏振分量的光强分布图。从图中可以看出，仿真和实验的角向矢量涡旋光束中心为亮斑；各偏振方向仿真和实验的各个偏振态的光束分布都呈现与偏振方向正交的分布；左旋圆偏振分量的干涉图呈现同心圆环状，右旋圆偏振分量的干涉图呈现螺旋形干涉条纹，说明产生了角向矢量涡旋光束。

如图15所示，利用超构表面阵列单元来同时调制光场的空间振幅、相位和偏振分布。以矢量光束选择性多级衍射作为全维度调制的例子。选择性多级衍射是指有选择性的产生多个衍射级，这需要同时进行振幅和相位调制。因此，矢量光束的选择性多级衍射需要同时进行振幅、相位和偏振调制，它提供了全维空间光调制的直接演示。在这项工作中，产生的矢量在第一和第二级衍射，使它们同样明亮，实验结果与理论预期和模拟结果吻合良好，为提出的平行任务全维空间光调制超构表面提供了有力的证明。

如图16所示，利用超构表面来同时调制光场的空间振幅、相位和偏振分布，来产生多维度全偏振复用的全息图：在不同的位置生成不同的两份携带不同正交偏振的全息图。在633nm、532nm、488nm的波长处测试了性能。实验结果与理论预期和模拟结果吻合良好，为提出的平行任务全维空间光调制超构表面能够在一个宽带内工作提供了有力的证明。

本领域的技术人员容易理解，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 (4)

1.一种基于超构表面的全维度光场调控方法，将几何相位型超构表面中N行×N列排布的各向异性单元的旋转角度划分为相位子角度、振幅子角度和偏振子角度，其特征在于，通过改变相位子角度、振幅子角度和偏振子角度分别调控出射光场的相位分布、振幅分布和偏振分布，实现全维度的空间光场调控；

所述相位调控为：通过改变各个各向异性单元的相位子角度来调控出射光场的相位分布，当入射光场为左/右旋偏光时，出射光场的右/左旋原片光各点的相位等于相位子角度旋转角的2倍，控制相位子角度0～π的变化，从而实现该处光场相位0～正负2π的变化；

所述振幅调控为：通过改变左右相邻的各向异性单元的振幅子角度来调控出射光场的振幅分布，出射光场各点的振幅等于同一行相邻的各向异性单元的振幅子角度之差2倍的余弦值，控制振幅子角度旋转角，从而实现该处光场场强0～1的变化；

所述偏振调控为：通过改变各个各向异性单元的偏振子角度来调控出射光场的偏振分布，通过改变偏振子角度，对相邻两行各向异性单元引入相反的相位梯度，使得相邻两行各向异性单元出射的左旋圆偏光和右旋圆偏光朝同一个方向偏折，并合成一束，从而调控该处光场偏振态的变化。

2.一种基于超构表面的全维度光场调控器件，其特征在于，包括设置于基底上的超构表面，所述超构表面包括至少一个光场调控区，每个所述光场调控区包括N×N个阵列排布的各向异性单元，各向异性单元的旋转角度分为相位子角度、振幅子角度和偏振子角度，所述相位子角度、振幅子角度和偏振子角度通过权利要求1所述的调控方法进行设计。

3.根据权利要求2所述的全维度光场调控器件，其特征在于，所述各向异性单元为单层或多层的柱状、椭圆状、椭球、六边形或者开口环。

4.根据权利要求3所述的全维度光场调控器件，其特征在于，所述各向异性单元的材料为金属、电介质、二维材料、液晶分子、相变材料或者以上多种材料的混合。