CN115268058A - 相位调控的超材料体、装置及对辐射的调制方法 - Google Patents

相位调控的超材料体、装置及对辐射的调制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115268058A
CN115268058A CN202210928298.7A CN202210928298A CN115268058A CN 115268058 A CN115268058 A CN 115268058A CN 202210928298 A CN202210928298 A CN 202210928298A CN 115268058 A CN115268058 A CN 115268058A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical waveguide
phase
metamaterial
radiation
incident radiation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210928298.7A
Other languages
English (en)
Inventor
谭凤泽
朱瑞
郝成龙
朱健
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Original Assignee
Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd filed Critical Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Priority to CN202210928298.7A priority Critical patent/CN115268058A/zh
Publication of CN115268058A publication Critical patent/CN115268058A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/06—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the phase of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/0009—Materials therefor
    • G02F1/0036—Magneto-optical materials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/011—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  in optical waveguides, not otherwise provided for in this subclass
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0147—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on thermo-optic effects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2201/00—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00
    • G02F2201/02—Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 fibre
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/50—Phase-only modulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)

Abstract

本公开涉及一种相位调控的超材料体、装置及对辐射的调制方法。其中的超材料体，包括光波导，通过对光波导施加激励，使光波导产生应力，从而使光波导产生相位变化，并且能够对入射辐射进行调制。其中的装置包括光波导和驱动装置；驱动装置用于对光波导施加应力，其中的对辐射的调制方法，包括提供光波导，用于接收并调制入射辐射，形成调制后的出射辐射；对光波导施加应力，改变其对于入射辐射中沿应力方向偏振的部分辐射的介电常数，从而改变对于入射辐射的折射率和/或相位周期。上述装置和方法，通过直接对光波导施加扭力，无需借助依赖半导体工艺的纳米结构，就可以实现对入射辐射的调制，该调制基于扭力施加的程度不同，可以是动态可调的。

Description

相位调控的超材料体、装置及对辐射的调制方法
技术领域
本公开涉及光学技术领域，具体地，本公开涉及一种相位调控的超材料体、装置以及一种基于相同技术思想的对辐射的调制方法。
背景技术
当前的偏振相关超表面是基于PB Phase原理，对于特定入射偏振态的光施加额外相位，其相位的改变与光轴方向相关，所以通过设置纳米结构的旋向，改变光轴，从而改变施加的相位，实现类似于聚焦等功能，所以其是在基底上生长旋向随空间坐标变化的纳米结构来实现。这种借助于纳米结构实现超表面的方法加工起来还需半导体工艺加工，较为复杂，并且难以实现可动态调节的技术效果。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本公开第一方面提供了一种相位调控的超材料体，这种超材料体包括光波导，其中，通过对光波导施加激励，使光波导产生应力，从而使所述光波导产生相位变化，并且能够对入射辐射进行调制。
可选地，所述对光波导施加激励包括：对光波导施加机械力或磁力使其扭转；或者通过辐射改变光波导温度使其产生内应力。
本公开第二方面提供了一种相位调控的装置，包括如前述第一方面提供的超材料体，以及驱动装置；
其中，所述驱动装置用于对所述超材料体施加激励，以使所述超材料体产生相位分布，并且能够对入射辐射进行调制。
可选地，所述超材料体的至少一个有辐射经过的表面设置有结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；其中
基于所述结构单元与所述纳米结构的几何参数和/或相位排布，以及所述超材料体受应力产生的相位变化，所述超材料体能够对入射辐射进行多次调制。
可选地，所述超材料体截面为圆形，并且所述驱动装置能够沿垂直于所述圆形半径的方向对所述超材料体施加扭力。
可选地，所述超材料体的两个相对表面均设置有结构单元和组成所述结构单元的纳米结构。
可选地，所述超材料体包括光纤纤芯。
可选地，所述超材料体能够在扭力的作用下由各向同性介质变为各向异性介质。
可选地，所述超材料体的相位周期与其扭转角度呈负相关。
可选地，所述超材料体在扭力的作用下，能够将入射辐射调制为多个特定偏振辐射，并且所述多个特定偏振辐射具有不同的折射率。
可选地，所述多个特定偏振辐射的折射率沿径向变化，且与所述超材料体截面半径正相关。
可选地，驱动装置能够产生作用于所述超材料体的辐射，并通过所述辐射调节所述超材料体产生的相位分布。
基于相同的技术构思，本公开第三方面提供一种对辐射的调制方法，这种方法包括：
提供光波导，用于接收并调制入射辐射，形成调制后的出射辐射；
对所述光波导施加应力，改变其对于：
所述入射辐射中沿所述应力方向偏振的部分辐射
的介电常数，从而改变所述光波导对于入射辐射的折射率和/或相位周期。
可选地，对所述光波导施加扭力，使所述光波导从各向同性介质变为各向异性介质，从而改变对于入射辐射的折射率，进而形成所述出射辐射的相位变化。
可选地，还包括在所述光波导的至少一个表面构建由纳米结构组成的结构单元，以对所述入射辐射进行多次调制。
本公开的上述技术方案，至少能够实现如下有益效果：
通过直接对光波导施加扭力，可以无需借助依赖半导体工艺的纳米结构，就可以实现对入射辐射的调制，并且，该调制基于扭力施加的程度不同，可以是动态可调的。
进一步地，还可以应用于扁平形状的光波导，并且在其表面构成纳米结构以形成超表面，实现对偏振态的二次调制。其兼容现有光学系统，包括超表面光学系统和传统光学系统。
附图说明
所包括的附图用于提供本申请的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本申请的原理。
图1示出了本公开实施例提供的光波导的一种形式(圆柱体)，并且表示出其受力方向和形变；
图2示出了本公开实施例提供的光波导受扭力后的扭转角度、及所受扭力的正交分量示意；
图3为本公开实施例提供的光波导受扭力后的折射率椭球图；
图4为本公开实施例提供的光波导受扭力后的相位变化示意图，其中左图为施加扭力前，右图为施加扭力后；
图5为本公开的一个可选实施例中，能够对入射辐射二次调制的光波导装置示意图；
图6为本公开可选实施例中涉及的结构单元示意图；
图7为本公开可选实施例中涉及的纳米结构示意图。
图中附图标记分别表示：
1光波导，2纳米结构。
具体实施方式
现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。
“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。
本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
在现有技术中，本领域技术人员能够认识到，对于特定入射偏振态的光施加额外相位，其相位的改变与光轴方向相关；故可以通过设置纳米结构，并且改变纳米结构的旋向，以此改变光轴，从而改变施加的相位，实现对入射光的相位调制。
本公开实施例则是提供了一种全新的技术思路，简而言之，通过对圆形光波导施加扭转力，使其由各向同性介质变为各向异性介质，从而折射率椭球发生变化，从而引起相位变化，实现对入射光的相位调制。旨在降低生产门槛并且使其便于调节，并且能够兼容现有光学系统。
基于上述技术思路，本公开提供一种相位可调的光波导装置，其包括光波导和驱动装置；其中，所述驱动装置用于对所述光波导施加应力，以使所述光波导产生相位变化，并且能够对入射辐射进行调制。
在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。
如下提供一种包括圆柱体形状光波导的实施例。
本实施例中，通过扭动圆形光波导实现偏振相关相位调控。
如图1所示，光波导1截面为圆形，整体构成圆柱体形状，示例性的为扁圆柱体。
并且有驱动装置(未示出)用于为光波导施加扭力，具体的如图所示，驱动装置能够沿垂直于所述圆形半径的方向对所述光波导施加扭力。
本领域技术人员应认识到，上述驱动装置可以包括微机械结构、通过压电材料驱动的结构或者任何以电磁方式/洛伦兹力驱动并且能够对光波导1施加扭力的装置，这种驱动装置对于本领域技术人员而言是已知的，因此为简洁起见，本文不对其细节进行更详细的描述。
此外，本领域技术人员应认识到，尽管本实施例以圆柱体形状的光波导作为示例，但是本公开不限于此。根据本公开教导，本领域技术人员可以容易地设想将本公开的发明构思应用于其他形状、形式的光波导，如椭圆柱、方柱、棱镜及光纤(纤芯)等。
所述光波导的材质主体可以是二氧化硅。
如图2和图3所示，实施例中的圆形光波导在扭力作用下从各向同性介质变为各向异性介质，从而改变折射率，进而引起相位变化。折射率改变和相位改变过程分析如下。对于各向同性介质，其折射率椭球可表示为下式：
Figure BDA0003780582730000061
其中n为折射率。而在该圆形光波导受扭转力作用下，该介质变为各向异性，参量B(折射椭球系数)就会更新。B的改变量由下式分析：
ΔB＝Pijδj (2)
其中ΔB为描述折射率椭球变化，P表示弹光效应系数，δ表示扭力。
当其在承受扭力状态下，其在端面处会承受横向的剪切力，分为x和y两个方向。最终得到如下关系式：
Figure BDA0003780582730000062
其中τ描述扭转力，为dθ/dL，μ为剪切模量。最终更新得到B如下式：
Figure BDA0003780582730000063
可见，在扭力之下，B为非对角阵，表明介质为各向异性介质。为得到三个主轴的折射率参数，求得公式(4)的特征值，然后结合公式(1)中B与n的关系，得到三个主轴的折射率如下式：
Figure BDA0003780582730000071
进一步地可以看出，在扭力作用下，该光波导由各向同性变为各向异性介质，其折射率椭球更新为类似双轴晶体。通过公式(5)可以看出，对于入射光，其会分为两个特定偏振光，分别具有对应折射率n2和n3，并且n2和n3是沿径向变化，与r成正比。以上为折射率变化的分析。
此外，以圆形(截面)光波导为例，沿轴线方向其各个截面的折射率椭球的变化值是不同的，因此，上述光波导的厚度L越薄，越有助于使折射率椭球的该变量统一，即各截面各向异性变化相同。示例性的，其厚度L取值可以是0.17mm、0.18mm、0.19mm、2mm等。
基于该圆形光波导的折射率变化，设定该圆形光波导长度为L，其相位的改变也沿径向变化，如图4所示，其中左图为施加扭力前，右图为施加扭力后。
如图4所示出的，可以通过改变圆形光波导扭转的角度θ，来改变其相位分布，所以可以作为光学元器件中相位分布可调方式。该圆形光波导相位的周期和扭矩的关系如下：
Figure BDA0003780582730000072
可以看出，随着扭转角度变大，相位周期变小。
如下提供一种应用上述光波导的超材料体的实施例。
这种超材料体，包括光波导，其中，通过对光波导施加激励，使光波导产生应力，从而使所述光波导产生相位变化，并且能够对入射辐射进行调制。
在优选实施例中，所述对光波导施加激励包括：对光波导施加机械力或磁力使其扭转；或者通过辐射改变光波导温度使其产生内应力。
本领域技术人员应认识到，可以使用热(红外)辐射、激光照射的形式使光波导升温使其产生内应力。并且本公开不限于此，也可使用其他的方式改变光波导的温度，使其产生内应力，从而使所述光波导产生相位变化。
如下提供一种在光波导上增设纳米结构，以进行多次调制的实施例。
如图5所示出的，光波导1的至少一个有辐射经过的表面设置有结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构2；其中
基于所述结构单元与所述纳米结构的几何参数和/或相位排布，以及所述光波导受应力产生的相位变化，所述光波导能够对入射辐射进行多次调制。
也就是说，本实施例在上述光波导的基础上构成了一个超表面(超透镜)装置。
解释性的，本申请实施例及各可选实施例中，所描述的各种超表面(超透镜)包括如下特征：
超表面(超透镜)具有一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。超透镜包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；
结构单元为可密堆积图形，结构单元可以是为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，结构单元应为六边形定点及中心排布的纳米结构，或者为正方形定点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图6所示，所述结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。
如图6左部分示出了一个结构单元的实施例，其包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。
如图6中间部分示出了另一个结构单元的实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。
结构单元及其密堆/阵列的形式也可以是圆周排列的扇形，如图6右部分示出的，包括两个弧形边的扇形，也可以是一个弧形边的扇形，如图6右中的左下角区域。在扇形的各边交点以及中心设置有纳米结构。
纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。纳米结构的形式如图7所示。
各纳米结构之间可以填充空气或者在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本公开的实施方式，所填充的材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值应大于等于0.5。
示例性的，所述的光波导表面所设纳米结构相位可以满足如下公式之一：
Figure BDA0003780582730000091
Figure BDA0003780582730000092
Figure BDA0003780582730000093
Figure BDA0003780582730000094
Figure BDA0003780582730000101
Figure BDA0003780582730000102
Figure BDA0003780582730000103
Figure BDA0003780582730000104
其中，r为所述光波导表面中心到任一所述纳米结构中心的距离；λ为工作波长，
Figure BDA0003780582730000105
为任意与所述工作波长相关的相位，x,y为光波导表面坐标，f为所述光波导表面形成的超表面的焦距。
在优选实施例中，光波导的两个相对表面均设置有结构单元和组成所述结构单元的纳米结构。能够进行多次调制，示例性的，其能够在入射辐射射入时调制一次，通过扭转后的光波导调制第二次，并且通过辐射出射时经过表面的纳米结构调制第三次。
在优选实施例中，光波导也可以是棱镜的形式，其入射光的面和/或出射光的面设置有结构单元和纳米结构。
在优选实施例中，光波导也可以是光纤纤芯的形式，其耦入端和/或耦出段表面设置有结构单元和纳米结构。
本领域技术人员应认识到，在上述各实施例中，对于纳米结构如何设置在光波导表面不作具体限定，可以是通过光刻工艺直接生成，也可以是粘接、通过连接件套装、插装等。
需要注意的是，实施例提供的超表面(超透镜)可以通过半导体工艺加工，具有重量轻、厚度薄、加工工艺简单、成本低及量产一致性高等优点。
如下提供一种光纤线芯形式的光波导装置实施例。
其中，圆形光波导为光纤纤芯，然后通过施加扭力，得到相位分布周期。这里光纤纤芯的折射率为1.45，对于光纤来说，P11-P12的值为10-11m2/N，剪切模量u为2*106N/m2，光纤的长度为1mm，扭转角度为50度，工作波长为1.55um，得到其相位分布的周期为0.05mm。
在优选实施例中，光波导能够在扭力的作用下由各向同性介质变为各向异性介质。
在优选实施例中，对光纤线芯施加扭力的位置可以是其耦入端、耦出段或中间任意位置。
根据上文中已陈述的：“光波导的厚度L越薄，越有助于使折射率椭球的该变量统一，即各截面各向异性变化相同”原理，提供如下优选实施例，以提高光纤对辐射调制的精确性。
对光纤线芯施加扭力的位置，为光纤整体上的一段，即激励段，激励段长度应尽可能短。
还包括套装、粘接或插装在光纤上激励段位置的驱动装置，示例性的，为环形，套装在光纤的端部，或中间的任意段；优选地，激励段设置于光纤弯折较小的区段，能最大程度地避免误差。
驱动装置用于对其所影响的激励段施加热辐射或扭力。并基于上文中已陈述的原理，使受影响的光纤激励段产生相位分布。
激励段的长度越短，越有助于使折射率椭球的该变量统一，即各截面各向异性变化相同。示例性的，其长度取值可以是0.17mm、0.18mm、0.19mm、2mm等。
示例性的，驱动装置为环形加热元件，套装并固定于光纤的激励段。
示例性的，驱动装置为基于不同受热膨胀系数的材料复合制成的环形装置，粘接于激励段，在驱动装置受热时，产生扭转形变，从而对激励段施加扭力。
示例性的，驱动装置为压电材料制成的环形装置，粘接于激励段，在驱动装置加载电压时，产生扭转形变，从而对激励段施加扭力。
并且，从上述各实施例可知，光波导的相位周期与其扭转角度呈负相关。
在优选实施例中，光波导在扭力的作用下，能够将入射辐射调制为多个特定偏振辐射，并且所述多个特定偏振辐射具有不同的折射率。进一步地，多个特定偏振辐射的折射率沿径向变化，且与所述光波导截面半径正相关。
如下提供一种结合可调光波导与可调超表面的实施例。
本例中的技术方案，旨在结合可调超表面，进一步提升光波导装置的灵活性。与前述“在光波导上增设纳米结构，以进行多次调制的实施例”类似，将纳米结构更换为可调纳米结构(或纳米结构组成的可调结构单元)。
解释性的，超表面(超透镜)的光学性能主要由两个因素决定：1结构单元的几何形状与尺寸；2材料的介电常数。可见，如果能改变上述两个因素，即可实现超表面的可调节。由此可以通过改变材料的介电常数以实现器件光学性能的调控或重构。示例性的，可以将相变材料应用到超表面中，相变材料在外加激励(如热、激光、外加电压等)下能够改变物质内部的晶格，可以大幅度地改变介电常数，进而实现超表面的可调节。示例性的，也可以将柔性材质应用到超表面中，对其施加拉伸力，可以改变结构单元的几何形状与尺寸，进而实现超表面的可调节。
实施例中采用的可调超表面，示例性的，包括且不限于热控可调超表面、光控可调超表面或电控可调超表面。示例性的，也可以是机械调控的超表面，例如，超表面的基底采用可拉伸材质，超表面的纳米结构加工完成后固定在基底上，通过外部机械设备拉伸或压缩基底，改变超表面上纳米结构的间距，从而改变通过超表面的光的周期，进而改变光的相位。
应理解，可以通过本本公开实施例中的驱动装置，即对光波导施加应力，也可以同时对可调超表面进行拉伸、扭转等，改变其纳米结构的排列形式。
本领域技术人员应认识到，上述热控可调超表面、光控可调超表面或电控可调超表面的具体结构对于本领域技术人员而言是已知的，因此为简洁起见，本文不对其细节进行更详细的描述。
在上述各实施例中，所述的辐射可以是可见光波段、远红外波段、近红外波段、紫外线波段等各种可见、不可见的辐射。
根据本申请的实施方式，纳米结构可由如下材料中的至少之一形成：氧化钛、氧化硅、氮化硅、氮化镓、磷化镓、氧化铝、氢化非晶硅等材料。例如，当目标波段是可见光时，纳米结构的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅中的一种或多种；当目标波段是近红外光时，纳米结构的材料包括氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、非晶硅和晶体硅中的一种或多种；当目标波段是远红外光时，纳米结构的材料包括晶体硅、晶体锗、硫化锌和硒化锌中的一种或多种；当目标波段是紫外光时，纳米结构的材料包括氧化铪。
如下提供一种通过辐射控制的可调光波导的实施例。
包括一种相位调控装置，该相位调控装置中具有：
超材料体，与前述实施例相同地构成；
驱动装置，用于驱动超材料体产生相位分布。示例性的，驱动装置为激光器，同时超材料体在上述激光器的工作波段具有较高的吸收峰值。激光器能够产生辐射照射于超材料体，并使超材料体发生内能的变化，进而产生相位分布，并且能够对入射辐射进行调制。
示例性的，激光器能够动态地改变其辐射的输出功率、波长等参数，实现对超材料体的动态控制。
示例性的，驱动装置还可以是产生近红外、远红外、中红外辐射的装置。
示例性的，驱动装置是环绕超材料体的加热装置。
如下提供一种基于相同技术思想，对辐射进行调制的方法。
这种方法包括：
提供光波导，用于接收并调制入射辐射，形成调制后的出射辐射；
对所述光波导施加应力，改变其对于：
所述入射辐射中沿所述应力方向偏振的部分辐射的介电常数，从而改变所述光波导对于入射辐射的折射率和/或相位周期。
在优选实施例中，对所述光波导施加扭力，使所述光波导从各向同性介质变为各向异性介质，从而改变对于入射辐射的折射率，进而形成所述出射辐射的相位变化。
在优选实施例中，还包括在所述光波导的至少一个表面构建由纳米结构组成的结构单元，以对所述入射辐射进行多次调制。
综上所述，本申请实施例提供的光波导装置，通过直接对光波导施加扭力，可以无需借助依赖半导体工艺的纳米结构，就可以实现对入射辐射的调制，并且，该调制基于扭力施加的程度不同，可以是动态可调的。进一步地，还可以应用于扁平形状的光波导，并且在其表面构成纳米结构以形成超表面，实现对偏振态的二次调制。其兼容现有光学系统，包括超表面光学系统和传统光学系统。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种相位调控的超材料体，其特征在于，包括光波导，其中，通过对光波导施加激励，使光波导产生应力，从而使所述光波导产生相位变化，并且能够对入射辐射进行调制。
2.根据权利要求1所述的相位调控的超材料体，其特征在于，所述对光波导施加激励包括：对光波导施加机械力或磁力使其扭转；
或者
通过辐射改变光波导温度使其产生内应力。
3.一种相位调控的装置，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的超材料体，以及驱动装置；
其中，所述驱动装置用于对所述超材料体施加激励，以使所述超材料体产生相位分布，并且能够对入射辐射进行调制。
4.根据权利要求3所述的相位调控的装置，其特征在于，所述超材料体的至少一个有辐射经过的表面设置有结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；其中
基于所述结构单元与所述纳米结构的几何参数和/或相位排布，以及所述超材料体受应力产生的相位变化，所述超材料体能够对入射辐射进行多次调制。
5.根据权利要求3或4所述的相位调控的装置，其特征在于，所述超材料体截面为圆形，并且所述驱动装置能够沿垂直于所述圆形半径的方向对所述超材料体施加扭力。
6.根据权利要求4所述的相位调控的装置，其特征在于，所述超材料体的两个相对表面均设置有结构单元和组成所述结构单元的纳米结构。
7.根据权利要求5所述的相位调控的装置，其特征在于，所述超材料体包括光纤纤芯。
8.根据权利要求3或4或6或7所述的相位调控的装置，其特征在于，所述超材料体能够在扭力的作用下由各向同性介质变为各向异性介质。
9.根据权利要求8所述的相位调控的装置，其特征在于，所述超材料体的相位周期与其扭转角度呈负相关。
10.根据权利要求8所述的相位调控的装置，其特征在于，所述超材料体在扭力的作用下，能够将入射辐射调制为多个特定偏振辐射，并且所述多个特定偏振辐射具有不同的折射率。
11.根据权利要求10所述的相位调控的装置，其特征在于，所述多个特定偏振辐射的折射率沿径向变化，且与所述超材料体截面半径正相关。
12.根据权利要求3所述的相位调控的装置，其特征在于，所述驱动装置能够产生作用于所述超材料体的辐射，并通过所述辐射调节所述超材料体产生的相位分布。
13.一种对辐射的调制方法，其特征在于，包括：
提供光波导，用于接收并调制入射辐射，形成调制后的出射辐射；
对所述光波导施加应力，改变其对于：
所述入射辐射中沿所述应力方向偏振的部分辐射的介电常数，从而改变所述光波导对于入射辐射的折射率和/或相位周期。
14.根据权利要求13所述的调制方法，其特征在于，对所述光波导施加扭力，使所述光波导从各向同性介质变为各向异性介质，从而改变对于入射辐射的折射率，进而形成所述出射辐射的相位变化。
15.根据权利要求14所述的调制方法，其特征在于，还包括在所述光波导的至少一个表面构建由纳米结构组成的结构单元，以对所述入射辐射进行多次调制。
CN202210928298.7A 2022-08-03 2022-08-03 相位调控的超材料体、装置及对辐射的调制方法 Pending CN115268058A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210928298.7A CN115268058A (zh) 2022-08-03 2022-08-03 相位调控的超材料体、装置及对辐射的调制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210928298.7A CN115268058A (zh) 2022-08-03 2022-08-03 相位调控的超材料体、装置及对辐射的调制方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115268058A true CN115268058A (zh) 2022-11-01

Family

ID=83749720

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210928298.7A Pending CN115268058A (zh) 2022-08-03 2022-08-03 相位调控的超材料体、装置及对辐射的调制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115268058A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11927769B2 (en) 2022-03-31 2024-03-12 Metalenz, Inc. Polarization sorting metasurface microlens array device
US11978752B2 (en) 2019-07-26 2024-05-07 Metalenz, Inc. Aperture-metasurface and hybrid refractive-metasurface imaging systems
US11988844B2 (en) 2017-08-31 2024-05-21 Metalenz, Inc. Transmissive metasurface lens integration

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11988844B2 (en) 2017-08-31 2024-05-21 Metalenz, Inc. Transmissive metasurface lens integration
US11978752B2 (en) 2019-07-26 2024-05-07 Metalenz, Inc. Aperture-metasurface and hybrid refractive-metasurface imaging systems
US11927769B2 (en) 2022-03-31 2024-03-12 Metalenz, Inc. Polarization sorting metasurface microlens array device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115268058A (zh) 相位调控的超材料体、装置及对辐射的调制方法
US7920330B2 (en) Tunable optical active elements
Tabiryan et al. Advances in transparent planar optics: enabling large aperture, ultrathin lenses
US10274650B2 (en) Diffractive waveplate lenses and applications
KR101196081B1 (ko) 다층 중합체 굴절률 분포형 렌즈
CA2134958C (en) Apparatus and method of bragg intra-grating strain control
Colburn et al. Simultaneous achromatic and varifocal imaging with quartic metasurfaces in the visible
US20110038028A1 (en) Optical Imaging Lens systems and components
US9869802B2 (en) Optical device with focal length variation
WO2019189675A1 (ja) 光偏向装置および光学装置
US6941039B2 (en) Optical fiber gratings with azimuthal refractive index perturbation and devices for tuning, attenuating, switching, and modulating optical signals
CN217885960U (zh) 内窥镜失真的矫正装置及光纤内窥装置
RU2001131068A (ru) Управляемое электрооптическое устройство, способ его изготовления и электрооптический анизотропный пленочный кристалл
WO2007090843A2 (en) Tunable optical active elements
WO2018097007A1 (ja) 光学素子及び光学素子の製造方法
WO2013132266A2 (en) Optical device
CN114384612A (zh) 超表面单元、具有其的相位可调超表面和光学系统
JP7297075B2 (ja) 光偏向装置および光学装置
Aschwanden et al. Tunable transmission grating based on dielectric elastomer actuators
CN115047658A (zh) 基于液晶弹性体超表面的太赫兹光束偏折器及其制造方法
US11860504B2 (en) Optical scanning device
WO1997031289A1 (en) Apparatus and method for controlling the spectral response of a waveguide bragg grating
JP7252355B2 (ja) 光偏向装置および光学装置
KR101886792B1 (ko) 액정상 고분자를 이용한 이중 초점 렌즈
Liang et al. Acoustic Wavefront Modulation with Helical Structures Array

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination