CN114397716A - 一种波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器 - Google Patents

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田胜楠
冯佳麒
王俊杰
吴倩倩
霍晓东
杨勋
杨明
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    • G—PHYSICS
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    • G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines

Abstract

本发明涉及一种涡旋光束超表面发生器的设计，具体为一种波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器；由若干个按照正方形晶格周期性排列的矩形柱单元结构构成，每个矩形柱结构高度相同，长度和宽度不同，矩形柱结构在长度方向和宽度方向具有独立的相位梯度，且相位覆盖范围均为0°～360°，所述矩形柱结构的排布满足其透射波相位能够分别将波长为530nm的x线偏振和波长为660nm的y线偏振入射光束会聚成亮环半径不随拓扑荷变化而变化的完美涡旋光束；受入射光波长和偏振态的控制，不同波长、不同偏振态的入射光入射时，能够产生不同亮环半径的完美涡旋光束；每个矩形柱单元结构沿x方向和沿y方向的传输相位无需满足半波片的要求，设计更加灵活。

Description

一种波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器
技术领域
本发明涉及一种涡旋光束超表面发生器的设计，具体为一种波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器。
背景技术
涡旋光束是一种具有螺旋形波前且中心光强为零的空心光束。涡旋光束可以用来操纵粒子或者对光通信系统的信息进行编码，因此它在光通信、粒子捕获和成像等领域内具有重要的应用前景。然而，利用传统方法获得的涡旋光束，其亮环半径会随着拓扑电荷值的增大而增大，这使得具有不同拓扑电荷的涡旋光束在同一器件进行耦合和传输等应用时变得非常困难。
为了解决这个问题，人们提出了亮环半径不受拓扑电荷影响的完美涡旋光束，这种光束的亮环尺寸不随拓扑电荷的变化而变化，在光通信、量子光学和激光制造等领域具有特殊的应用。传统的完美涡旋光束的产生需要螺旋相位板、轴棱镜、傅里叶透镜等多个光学元件共同作用，结构复杂，体积庞大，阻碍了完美涡旋光束在小型化和集成化光学系统中的应用。
发明内容
为了解决这一问题，本发明提出了一种波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器，可有效解决背景技术提出的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器，由若干个按照正方形晶格周期性排列的矩形柱单元结构构成，每个矩形柱结构高度相同，长度和宽度不同，矩形柱结构在长度方向和宽度方向具有独立的相位梯度，且相位覆盖范围均为0°～360°，所述矩形柱结构的排布满足其透射波相位能够分别将波长为530nm的x线偏振和波长为660nm的y线偏振入射光束会聚成亮环半径不随拓扑荷变化而变化的完美涡旋光束；
所述矩形柱单元结构的透射波相位满足：
Figure BDA0003414499320000021
其中，
Figure BDA0003414499320000022
Figure BDA0003414499320000023
Figure BDA0003414499320000024
在上述公式中，x和y表示超表面平面内单元结构的中心点坐标；
公式(2)为螺旋相位板的相位公式，m表示拓扑电荷；
公式(3)为轴棱镜的相位公式，d为轴棱镜周期，它控制完美涡旋光束的亮环半径大小；
公式(4)为傅里叶透镜的相位公式，f为透镜的理论焦距，λ为工作波长。
作为优选，选择n个传输相位不尽相同的矩形柱结构作为构建超表面的基本元素，形成双相位梯度分布的超表面阵列。
作为优选，所述矩形柱结构由高折射率的二氧化钛材料组成。
作为优选，采用石英玻璃作为所述矩形柱结构的基底。
作为优选，所述矩形柱结构所在的正方形晶格周期为400nm，所述矩形柱结构位于其所在正方形晶格的中心处。
作为优选，所述矩形柱结构的高度为600nm。
本发明的波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器可达到如下有益效果：
1)本发明设计的双完美涡旋光束发生器受入射光波长和偏振态的控制，不同波长、不同偏振态的入射光入射时，能够产生不同亮环半径的完美涡旋光束；
2)本发明设计的双完美涡旋光束发生器由八种尺寸不同的矩形柱结构构成，由于采用传输相位调控方式，每个矩形柱单元结构沿x方向和沿y方向的传输相位无需满足半波片的要求，设计更加灵活；
3)本发明设计的双完美涡旋光束超表面发生器无需重新设计和加工超表面，改变入射光波的偏振态，就能够实现半径尺寸不同的两束完美涡旋光束之间的切换。
附图说明
图1是本发明的双完美涡旋光束超表面发生器的结构示意图；
图2是矩形柱单元结构的长、宽及其对应的透射相位和振幅的结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
近年来，超表面作为一种厚度只有波长量级的人工材料，具有自然材料所不具备的性质，受到了广泛的关注。利用超表面产生完美涡旋光束不同于传统方法：超表面是通过在基底表面设置微纳结构以实现对电磁波相位和振幅的调控，从而产生完美涡旋光束。与传统器件相比，基于超表面的涡旋光束发生器结合了小型化、易于设计和制造的优点，体现了产生完美涡旋光束巨大的潜力。
本发明的可产生双完美涡旋光束的超表面发生器，在具体实施时，由若干个按照正方形晶格周期性排列的矩形柱单元结构构成，所述矩形柱结构具有相同的高度，不同的长度和宽度，所述矩形柱结构在长度方向和宽度方向具有独立的相位梯度，且相位覆盖范围均为0°～360°，所述矩形柱结构的排布满足其透射波相位能够分别将波长为530nm的x线偏振和波长为660nm的y线偏振入射光束会聚成亮环半径不随拓扑荷变化而变化的完美涡旋光束。
进一步的实施例中，所述矩形柱结构的透射波相位满足以下完美涡旋光束的相位方程：
Figure BDA0003414499320000041
其中，
Figure BDA0003414499320000042
Figure BDA0003414499320000043
Figure BDA0003414499320000044
在上述公式中，x和y表示超表面平面内单元结构的中心点坐标；公式(2)为螺旋相位板的相位公式，其中m表示拓扑电荷；公式(3)为轴棱镜的相位公式，其中d为轴棱镜周期，它控制完美涡旋光束的亮环半径大小；公式(4)为傅里叶透镜的相位公式，其中f为透镜的理论焦距，λ为工作波长。
本发明采用传输相位调控的方式设计超表面结构，超表面上各向异性的单元结构在所处晶格周期结构中的占空比不同，等效折射率就不同，由此对透射光波产生的传输相位大小就不同。对非圆对称的单元结构，如矩形柱单元结构来讲，不同尺寸的长和宽(假设分别沿x轴、y轴方向)具有不同的等效折射率，因此能够分别对垂直入射的x方向线偏振、y方向线偏振入射光实现大小不同的传输相位调控，即不同长度和宽度的矩形柱在沿长度方向和沿宽度方向具有不同大小的传输相位。另一方面，由于x方向线偏振光与y方向线偏振光是相互正交的，因此，沿x方向和y方向的透射光束性质是互不干扰的。本发明基于此，将两组完全独立的完美涡旋光束相位排布加载在同一超表面结构，在两束不同波长且具有正交线偏振态的光束同时垂直入射到超表面后，能够生成两种不同亮环半径的完美涡旋光束。
具体设计步骤为：首先根据完美涡旋光束的相位公式
Figure BDA0003414499320000051
计算出相应位置的理论相位值，建立理论相位值与在超表面结构中的位置关系，其中，虽然x线偏振光和y线偏振光对应的完美涡旋光束的相位公式是相同的，但是各自的参数，如拓扑荷m＝2、棱镜周期d＝4um、入射光波长λ是独立设置的；然后，通过FDTD Solutions软件对长、宽位于0.2P-0.8P(P为矩形柱结构所在的正方形晶格周期)范围内的矩形柱单元结构进行模拟仿真，其中入射光源分别设置为波长是λ1的x线偏振光和波长是λ2的y线偏振光，由此建立两种波长下矩形柱结构长、宽与振幅和相位的数据库；最后，根据完美涡旋相位公式，在数据库中筛选出同时满足沿x方向和沿y方向传输相位的矩形柱单元结构，并按照公式中对应的坐标进行排布，构成可产生双完美涡旋光束的超表面结构。
进一步的实施例中，对公式(1)所表示的完美涡旋光束的相位方程做了八阶离散化处理，即将完美涡旋光束的相位离散为45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°。通过筛选程序，从数据库中筛选出满足条件的一组不同尺寸长、宽的矩形柱结构作为构建超表面发生器的基本单元结构。所筛选的矩形柱结构沿x方向和沿y方向的相位覆盖范围均为0°～360°。
进一步的实施例中，所筛选的矩形柱结构由在可见光范围内损耗可以忽略的高折射率的二氧化钛材料组成，石英玻璃作为所述矩形柱结构的基底。
进一步的实施例中，所筛选的矩形柱结构所在的正方形晶格周期为400nm，所筛选的矩形柱结构位于其所在正方形晶格的中心处。所筛选矩形柱结构高度为600nm。
进一步的实施例中，如图1所示，双完美涡旋光束超表面发生器由40×40个矩形柱单元结构按照正方形晶格周期排列而成。本实施例的超表面发生器的相位方程中的各参数如下：对应x线偏振入射光的拓扑荷m＝2、棱镜周期d＝4um、入射光波长λ1＝530nm，傅里叶透镜焦距f＝100um；对应y线偏振入射光的拓扑荷m＝2、棱镜周期d＝6um、入射光波长λ2＝660nm，傅里叶透镜焦距f＝100um。构成本实施例的超表面发生器的矩形柱单元结构沿x方向和沿y方向的相位覆盖范围均为0°-360°。本实施例中利用FDTD Solutions软件建立的数据库如图2所示，其中(a-b)图是波长为530nm的x线偏振光入射时矩形柱单元结构的长、宽与其对应的透射相位和振幅的结果图，图(c-d)是波长为660nm的y线偏振光入射时矩形柱单元结构的长、宽与其对应的透射相位和振幅的结果图。本实施例根据完美涡旋光束的相位公式在图2所示的数据库中进行矩形柱单元结构的筛选。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器，其特征在于：由若干个按照正方形晶格周期性排列的矩形柱单元结构构成，每个矩形柱结构高度相同，长度和宽度不同，矩形柱结构在长度方向和宽度方向具有独立的相位梯度，且相位覆盖范围均为0°～360°，所述矩形柱结构的排布满足其透射波相位能够分别将波长为530nm的x线偏振和波长为660nm的y线偏振入射光束会聚成亮环半径不随拓扑荷变化而变化的完美涡旋光束；
所述矩形柱单元结构的透射波相位满足：
Figure FDA0003414499310000011
其中，
Figure FDA0003414499310000012
Figure FDA0003414499310000013
Figure FDA0003414499310000014
在上述公式中，x和y表示超表面平面内单元结构的中心点坐标；
公式(2)为螺旋相位板的相位公式，m表示拓扑电荷；
公式(3)为轴棱镜的相位公式，d为轴棱镜周期，它控制完美涡旋光束的亮环半径大小；
公式(4)为傅里叶透镜的相位公式，f为透镜的理论焦距，λ为工作波长。
2.根据权利要求1所述的波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器，其特征在于：选择n个传输相位不尽相同的矩形柱结构作为构建超表面的基本元素，形成双相位梯度分布的超表面阵列。
3.根据权利要求1所述的波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器，其特征在于：所述矩形柱结构由高折射率的二氧化钛材料组成。
4.根据权利要求3所述的波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器，其特征在于：采用石英玻璃作为所述矩形柱结构的基底。
5.根据权利要求1所述的波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器，其特征在于：所述矩形柱结构所在的正方形晶格周期为400nm，所述矩形柱结构位于其所在正方形晶格的中心处。
6.根据权利要求5所述的波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器，其特征在于：所述矩形柱结构的高度为600nm。
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