CN115469450B - 几何相位元件及其光轴设计方法和任意矢量光场产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种几何相位元件及其光轴设计方法和任意矢量光场产生装置。上述光轴设计方法包括：获得目标空间光强分布与目标空间二值相位分布；根据微元阵列对应的第一琼斯矩阵、所述微元阵列中对应微元的快慢轴之间的相对相位差值以及待调控偏振态对应的第二琼斯矩阵，获得调控后出射光场的第三琼斯矩阵；对第三琼斯矩阵进行偏振滤波获得调控后出射光场的电矢量；根据目标空间光强分布与调控后出射光场的电矢量及微元坐标，获得每个微元对应的光轴第一和第二指向，其中第一与第二指向相差π/2；以及针对微元阵列中对应第一相位的微元，将对应的第一指向作为其光轴指向；针对微元阵列中对应第二相位的微元，将对应的第二指向作为其光轴指向。
Description
技术领域
本发明涉及光学与光电子技术领域，尤其是一种几何相位元件及其光轴设计方法和任意矢量光场产生装置。
背景技术
矢量光场是指其振幅、相位及偏振具有特定空间结构分布的傍轴光场，具有可调控的空间强度、相位及偏振分布使得矢量光场具有多种新奇光学特性，在超精密测量、光镊微操、生物超分辨显微、量子信息编码等现代光子学研究及应用中具有重大意义。由于任意矢量光场的波函数都可描述为一对正交空间模式(如厄米高斯、拉盖尔高斯、因斯高斯模式等)与正交偏振态构成的不可分离态(即光学自旋-轨道耦合态)，因此，制备矢量光场需要对调控光场在某一对正交偏振态下分别实施独立的空间复振幅(即振幅及相位)调制。
然而，目前，任意矢量光场的产生技术在现阶段仍有着较大的局限性。一种是构建含有空间光调制器(SLM)的偏振干涉仪：干涉仪中的SLM，如硅基液晶(LCoS)或数字微镜(DMD)，对两路正交偏振光做空间复振幅调制，最终在偏振干涉仪的输出端得到任意目标矢量光场。例如2007年《New Journal of Physics》第9卷发表的《Tailoring of arbitraryoptical vector beams》论证的技术原理。另一种是利用基于几何相位原理的二元光学元件：基于空间变取向液晶(LC)或介电超表面(Meta-surface)技术制备的空间变取向波片，该元件可对调控光场赋予光学偏振手性依赖的空间几何相位(即光学自旋-轨道耦合)，此过程等价于对调控光场的左、右旋偏振分量分别施加正交手性波前延迟。即2006年《Physical Review Letters》第96卷第16期发表的《Optical Spin-to-Orbital AngularMomentum Conversion in Inhomogeneous Anisotropic Media》中所论述原理。上述两种技术路线中都存在显著缺点：方案一需要LCoS或DMD主动式空间光调制设备，成本高且无法实现紧凑、易集成的光学结构；方案二虽然可实现紧凑的透射或反射式二元光学元件，然而其只具备空间相位调制能力，无法实现精确的空间复振幅调控，限制了应用范围。因此，设计出一种具备空间复振幅调制能力的新型二元光学几何相位元件是实现高效、高精确产生任意矢量光场的关键。
发明内容
为此，本发明提供了一种几何相位元件及其光轴设计方法和任意矢量光场产生装置，以力图解决或者至少缓解上面存在的至少一个问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种几何相位元件的光轴设计方法，所述几何相位元件包括微元阵列，所述光轴设计方法包括：获得目标空间光强分布与目标空间二值相位分布，所述二值相位包括第一相位和第二相位；获得所述微元阵列对应的琼斯矩阵，作为第一琼斯矩阵；确定待调控入射光场的偏振态，作为待调控偏振态，以获得所述待调控偏振态对应的琼斯矩阵，作为第二琼斯矩阵；确定所述微元阵列中对应微元的快慢轴之间的相对相位差值；根据第一琼斯矩阵、所述微元阵列中对应微元的快慢轴之间的相对相位差值以及第二琼斯矩阵，获得调控后出射光场的琼斯矩阵，作为第三琼斯矩阵；通过对所述第三琼斯矩阵进行偏振滤波，获得所述调控后出射光场的电矢量；根据所述目标空间光强分布与所述调控后出射光场的电矢量，基于所述微元阵列中的微元坐标，获得所述微元阵列中每个微元对应的光轴第一指向和光轴第二指向；其中，所述光轴第二指向减去所述光轴第一指向的差为π/2；以及针对所述微元阵列中对应第一相位的微元，将该微元对应的光轴第一指向作为该微元的光轴指向；针对所述微元阵列中对应第二相位的微元，将该微元对应的光轴第二指向作为该微元的光轴指向。
进一步地，所述微元阵列的材料为液晶或介电超表面。
进一步地，所述第一琼斯矩阵为：
其中，
表示所述微元阵列的光轴指向分布，x、y分别表示所述微元阵列中微元的横坐标和纵坐标，δ表示对应微元的快慢轴之间的相对相位差值。
进一步地，当取δ等于半波相位、且待调控偏振态为水平线偏振时，获得的第三琼斯矩阵为：
其中，Eout表示调控后出射光场的琼斯矩阵。
进一步地，通过对所述第三琼斯矩阵进行偏振滤波、获得所述调控后出射光场的电矢量的步骤包括：对所述第三琼斯矩阵进行水平方向分量的偏振滤波，得到调控后出射光场的电矢量为：
其中，Eh-out表示经过水平方向分量偏振滤波的所述调控后出射光场的电矢量。
进一步地，通过对所述第三琼斯矩阵进行偏振滤波、获得所述调控后出射光场的电矢量的步骤包括：对所述第三琼斯矩阵进行竖直方向分量的偏振滤波，得到调控后出射光场的电矢量为：
其中，Ev-out表示经过竖直方向分量偏振滤波的所述调控后出射光场的电矢量。
进一步地，所述微元阵列中每个微元对应的光轴第一指向和光轴第二指向通过如下方式获得：用I(x,y)表示所述目标空间光强分布，根据I(x,y)＝E2 h-out计算每个微元对应的光轴第一指向和光轴第二指向。
根据本发明的另一方面，还提供了一种几何相位元件，所述几何相位元件包括微元阵列，所述微元阵列中各微元的光轴指向按照如上所述的光轴设计方法确定。
根据本发明的又一方面，还提供了一种任意矢量光场产生装置，所述任意矢量光场产生装置包括偏振分束单元、几何相位单元以及偏振滤波及合束单元；几何相位单元包括两个如上所述的几何相位元件，分别为第一几何相位元件和第二几何相位元件；所述偏振滤波及合束单元包括水平偏振滤波元件、竖直偏振滤波元件和合束元件；其中，所述第一几何相位元件在设计时，在对所述第三琼斯矩阵进行偏振滤波的步骤中所执行的是水平偏振滤波；所述第二几何相位元件在设计时，在对所述第三琼斯矩阵进行偏振滤波的步骤中所执行的是竖直偏振滤波；线偏振入射光经所述第一偏振分光单元后分为水平偏振光和竖直偏振光两支路平行出射，其中：所述水平偏振光经所述第一几何相位元件和所述水平偏振滤波元件进行对应的空间光强调制和空间二值相位调制后，得到第一支路调制光束；所述竖直偏振光经所述第二几何相位元件和竖直偏振滤波元件进行对应的空间光强调制和空间二值相位调制后，得到第二支路调制光束；所述第一支路调制光束和所述第二支路调制光束经所述合束元件合束后，作为具有所需矢量光场的合束光输出。
进一步地，所述偏振分束单元和/或偏振滤波及合束单元采用如下方式之一实现：侧向位移偏振分光棱镜；或偏振分光棱镜和反射镜。
根据本发明的上述几何相位元件及其光轴设计方法和任意矢量光场产生装置，基于矢量波前调控原理，提供了一种具备“奇-偶对称性”空间复振幅调制能力的光学几何相位元件，并以此元件为基础提出一种可精密产生任意矢量光场，且结构紧凑、易于集成的装置。
本发明的上述技术，通过几何相位元件直接产生结构光场、矢量光场，价格低廉，上手简单，使用便捷的同时，原理所需的偏振调控较易实现高精度调控，使得产生光场具有质量高，噪声低的特点，光场不受电控器件刷新频率的影响，输出光场稳定。同时超薄的二维结构元件极大简化了光路复杂情况，提高了光学实验的稳定性
附图说明
为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。
图1是示出根据本发明实施例的几何相位元件的光轴设计方法的一种可能处理的流程图；
图2是示出高斯光束入射几何相位元件后的偏振分布、滤波后光束的空间光强及相位分布的示意图；
图3是示出根据本发明实施例的任意矢量光场产生装置的可能结构、滤波后光场变化情况以及液晶分子取向分布的示意图；
图4是示出高阶庞加莱球及各点输出光场的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本发明的实施例，提供了一种几何相位元件的光轴设计方法，所述几何相位元件包括微元阵列，所述光轴设计方法包括：获得目标空间光强分布与目标空间二值相位分布，所述二值相位包括第一相位和第二相位；获得所述微元阵列对应的琼斯矩阵，作为第一琼斯矩阵；确定待调控入射光场的偏振态，作为待调控偏振态，以获得所述待调控偏振态对应的琼斯矩阵，作为第二琼斯矩阵；确定所述微元阵列中对应微元的快慢轴之间的相对相位差值；根据第一琼斯矩阵、所述微元阵列中对应微元的快慢轴之间的相对相位差值以及第二琼斯矩阵，获得调控后出射光场的琼斯矩阵，作为第三琼斯矩阵；通过对所述第三琼斯矩阵进行偏振滤波，获得所述调控后出射光场的电矢量；根据所述目标空间光强分布与所述调控后出射光场的电矢量，基于所述微元阵列中的微元坐标，获得所述微元阵列中每个微元对应的光轴第一指向和光轴第二指向；其中，所述光轴第二指向减去所述光轴第一指向的差为π/2；以及针对所述微元阵列中对应第一相位的微元，将该微元对应的光轴第一指向作为该微元的光轴指向；针对所述微元阵列中对应第二相位的微元，将该微元对应的光轴第二指向作为该微元的光轴指向。
图1示出了根据本发明一个实施例的几何相位元件的光轴设计方法100的流程图。几何相位元件例如是晶体波片、聚合物波片或液晶波片等。
上述几何相位元件包括微元阵列，微元阵列的材料例如是云母、方解石或石英等晶体，又或者可以是液晶或介电超表面。
应当理解的是，根据本发明实施例的几何相位元件的光轴设计方法100，用于设计能够产生目标光场的一种几何相位元件，但在产生该目标光场时仍需要配合其他元件一起使用来产生对应的目标光场(如下文中描述的任意矢量光场产生装置)。
目标光场是一种任意矢量光场。矢量光场是指振幅、相位及偏振具有特定空间结构分布的傍轴光场，其同一波阵面上的不同位置具有不同的偏振态。
目标光场具有预定的(或给定的)空间光强分布(下文中称作目标空间光强分布)，此外，目标光场还具有预定的(或给定的)空间相位分布，且该空间相位分布是二值相位分布(下文中称作目标空间二值相位分布)，二值相位分布也即相位分布中只有两类相位，如第一相位
和第二相位/>
根据本发明的实施例，第二相位与第一相位之间的差例如为π，例如，
或者，/>
例如，第一相位为0，第二相位为π。或者，第一相位为π，第二相位为0。
这样，在步骤S101中，获得目标空间光强分布与目标空间二值相位分布，二值相位包括第一相位和第二相位。
接着，在步骤S102中，获得微元阵列对应的琼斯矩阵，作为第一琼斯矩阵。
在步骤S103中，确定待调控入射光场的偏振态，作为待调控偏振态，以获得待调控偏振态对应的琼斯矩阵，作为第二琼斯矩阵。
在步骤S104中，确定微元阵列中对应微元的快慢轴之间的相对相位差值。
这样，在步骤S105中，可以根据第一琼斯矩阵、微元阵列中对应微元的快慢轴之间的相对相位差值以及第二琼斯矩阵，获得调控后出射光场的琼斯矩阵，作为第三琼斯矩阵。
接着，在步骤S106中，通过对第三琼斯矩阵进行偏振滤波，获得调控后出射光场的电矢量；根据目标空间光强分布与调控后出射光场的电矢量，基于微元阵列中的微元坐标，获得微元阵列中每个微元对应的光轴第一指向和光轴第二指向；其中，光轴第二指向减去光轴第一指向的差为π/2。
在步骤S107中，对微元阵列中对应第一相位的微元，将该微元对应的光轴第一指向作为该微元的光轴指向；针对微元阵列中对应第二相位的微元，将该微元对应的光轴第二指向作为该微元的光轴指向。
这样，在步骤S108中，可以根据所确定的所述微元阵列中每个微元的光轴指向，可获得所述微元阵列的光轴指向分布。
作为示例，微元阵列的材料可以为液晶或介电超表面。
作为示例，第一琼斯矩阵J(x,y)为：
其中，
表示微元阵列的光轴指向分布，x、y分别表示微元阵列中微元的横坐标和纵坐标，δ表示对应微元的快慢轴之间的相对相位差值。
作为示例，当取δ等于半波相位、且待调控偏振态为水平线偏振时，获得的第三琼斯矩阵为：
其中，Eout表示调控后出射光场的琼斯矩阵。
作为示例，通过对第三琼斯矩阵进行偏振滤波、获得调控后出射光场的电矢量的步骤包括：
对第三琼斯矩阵进行水平方向分量的偏振滤波，得到调控后出射光场的电矢量为：
其中，Eh-out表示经过水平方向分量偏振滤波的调控后出射光场的电矢量。
作为示例，通过对第三琼斯矩阵进行偏振滤波、获得调控后出射光场的电矢量的步骤包括：对第三琼斯矩阵进行竖直方向分量的偏振滤波，得到调控后出射光场的电矢量为：
其中，Ev-out表示经过竖直方向分量偏振滤波的调控后出射光场的电矢量。
作为示例，微元阵列中每个微元对应的光轴第一指向和光轴第二指向通过如下方式获得：用I(x,y)表示目标空间光强分布，根据I(x,y)＝E2 h-out计算每个微元对应的光轴第一指向和光轴第二指向。
本发明的实施例还提供了一种几何相位元件，该几何相位元件包括微元阵列，微元阵列中各微元的光轴指向按照如上所述的光轴设计方法确定。
由此，上述几何相位元件利用矢量波前调控原理实现了空间振幅与空间二值相位分布独立调控(即“奇-偶对称性”空间复振幅调制)能力。所述“奇-偶对称性”空间复振幅调制的实现的原理是：所述几何相位元件(液晶或超表面)由对应结构微元按照特定排列分布构成；首先，偏振调控与偏振滤波结合可实现任意空间强度分布的调制；其次，该元件对光场的偏振调制过程中，被调制光场绝对波前延迟与偏振态分别与对应微元处的快慢轴角度及其2倍角度有关，所以每种偏振态都可被赋予两种绝对波前延迟
或/>
即实现二值波前调制。进一步地，同时具备任意强度分布与任意二值相位分布调制能力的结合即实现了“奇-偶对称性”空间复振幅调制能力，可实现任意具有奇偶宇称对称性空间模式的产生。
此外，本发明的实施例还提供了一种任意矢量光场产生装置，任意矢量光场产生装置包括如图3所示的偏振分束单元1、几何相位单元2以及偏振滤波及合束单元3。
其中，几何相位单元2包括两个如上文所述的几何相位元件，分别为第一几何相位元件和第二几何相位元件。
偏振滤波及合束单元3包括水平偏振滤波元件、竖直偏振滤波元件和合束元件。
其中，第一几何相位元件在设计时，在对第三琼斯矩阵进行偏振滤波的步骤中所执行的是水平偏振滤波；而第二几何相位元件在设计时，在对第三琼斯矩阵进行偏振滤波的步骤中所执行的是竖直偏振滤波。
线偏振入射光(例如入射光为45°线偏振光)经第一偏振分光单元1后分为水平偏振光和竖直偏振光两支路平行出射，其中：水平偏振光经第一几何相位元件和水平偏振滤波元件进行对应的空间光强调制和空间二值相位调制后，得到第一支路调制光束；竖直偏振光经第二几何相位元件和竖直偏振滤波元件进行对应的空间光强调制和空间二值相位调制后，得到第二支路调制光束；
第一支路调制光束和第二支路调制光束经合束元件合束后，作为具有所需矢量光场的合束光输出。
作为示例，偏振分束单元1和/或偏振滤波及合束单元3采用如下方式之一实现：侧向位移偏振分光棱镜；或偏振分光棱镜和反射镜。
上述任意矢量光场产生装置是基于上文描述的几何相位元件实现的。任意矢量光场产生装置包括上文所述的几何相位元件、侧向位移偏振分光棱镜(BD)及半波片构成的自锁相偏振马赫-曾德干涉仪。该“干涉仪”能够将任意标量偏振态(即偏振庞加莱球上任意一点)的入射高斯光束转换为对应的任意矢量光束(即高阶庞加莱球上任意一点)。
下面结合图2-图4来描述本发明的优选实施例。
本实例中，以液晶几何相位器件为例，以水平方向为0°方向，构造其内部液晶分子指向分布为
则该器件的琼斯矩阵为：
其中δ为液晶分子快慢轴之间的相对相位差值，若取δ为半波相位即φ＝π，且入射光场为水平线偏振光场，则出射光场的琼斯矢量为
所述“奇-偶对称性”空间复振幅调制可拆分为空间光强调制与空间二值相位调制两部分。对于空间光强分布来说，可通过构造某一偏振方向分量的偏振分布后经由对应分量的偏振滤波得到，以水平方向分量为例，经由0°偏振滤波器后出射光场的电矢量为
由于此时光场竖直方向电矢量分量为0，光场能量只与水平方向分量有关，此时光场能量为
因此，可以结合目标光场构造液晶分子指向分布
经由偏振滤波调控空间各个位置的光强大小满足目标光场的光强分布。
对于空间二值相位分布调制来说，由于偏振状态只与电矢量振动方向的相对关系有关，对于任意偏振
即/>
总有另一指向角度/>
使得出射光场的琼斯矢量为：
即在保持偏振状态不变的情况下使其整体波前携带额外的π延迟。进而可以不改变公式(4)所示目标光强分布的前提下，为滤波后的光场赋予任意二值相位分布
以制备LG±3，1拉盖尔高斯(奇)模光场为为例，高斯光束入射所述几何相位元件后的偏振分布如图2(a)所示，滤波后光束的空间光强及相位分布如图2(b)、图2(c)所示。
为进一步演示本发明所述产生矢量光场的装置，本实例基于上文所设计的几何相位元件(液晶基空间变取向波片)，演示产生由LG±3，1定义的任意矢量光场所需的装置结构及原理。
具体而言，如图3(a)所示，两块侧向位移偏振分光棱镜1、3以及实施例1中所设计的几何相位元件2构成。以水平方向45°线偏振入射侧向位移偏振分光棱镜1，该元件可将入射光场分束为水平偏振光与竖直偏振光两路并平行出射，之后放置实施例1中所设计的几何相位元件2，其液晶分子取向分布如图3(c)所示。其后两路平行光场入射侧向位移偏振分光棱镜3，同时实现偏振滤波与合束功能，滤波后光场变化情况由图3(b)所示，合束后形成由LG±3，1定义的矢量光场并输出，其输出结果如图4(b3)所示。
为进一步展示上述实施例中所示的新型光学几何相位元件及装置的性能，以图4(a)所示高阶庞加莱球上点(即①-⑤)为例，通过改变入射光场偏振与装置2的液晶分子取向分布，实现对应标量偏振光场向矢量偏振光场的直接转化，各点输出光场如图4(b)所示。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。
本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。
此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。
如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。
Claims (6)
1.一种几何相位元件的光轴设计方法，所述几何相位元件包括微元阵列，其特征在于，所述光轴设计方法包括：
获得目标空间光强分布与目标空间二值相位分布，所述二值相位包括第一相位和第二相位；
获得所述微元阵列对应的琼斯矩阵，作为第一琼斯矩阵；
确定待调控入射光场的偏振态，作为待调控偏振态，以获得所述待调控偏振态对应的琼斯矩阵，作为第二琼斯矩阵；
确定所述微元阵列中对应微元的快慢轴之间的相对相位差值；
根据第一琼斯矩阵、所述微元阵列中对应微元的快慢轴之间的相对相位差值以及第二琼斯矩阵，获得调控后出射光场的琼斯矩阵，作为第三琼斯矩阵；
通过对所述第三琼斯矩阵进行偏振滤波，获得所述调控后出射光场的电矢量；根据所述目标空间光强分布与所述调控后出射光场的电矢量，基于所述微元阵列中的微元坐标，获得所述微元阵列中每个微元对应的光轴第一指向和光轴第二指向；其中，所述光轴第二指向减去所述光轴第一指向的差为π/2；以及
针对所述微元阵列中对应第一相位的微元，将该微元对应的光轴第一指向作为该微元的光轴指向；针对所述微元阵列中对应第二相位的微元，将该微元对应的光轴第二指向作为该微元的光轴指向；
所述第一琼斯矩阵为：
其中，δ表示对应微元的快慢轴之间的相对相位差值；
当取δ等于半波相位、且待调控偏振态为水平线偏振时，获得的第三琼斯矩阵为：
其中，E out 表示调控后出射光场的琼斯矩阵；φ(x,y)表示所述微元阵列的光轴指向分布，x、y分别表示所述微元阵列中微元的横坐标和纵坐标；
对所述第三琼斯矩阵进行水平方向分量的偏振滤波，得到调控后出射光场的电矢量为：
其中，E h-out 表示经过水平方向分量偏振滤波的所述调控后出射光场的电矢量；
用I(x, y)表示所述目标空间光强分布，根据I(x, y)= E 2 h-out 计算每个微元对应的光轴第一指向和光轴第二指向。
2.根据权利要求1所述的光轴设计方法，其特征在于，所述微元阵列的材料为液晶或介电超表面。
3.根据权利要求1或2所述的光轴设计方法，其特征在于，通过对所述第三琼斯矩阵进行偏振滤波、获得所述调控后出射光场的电矢量的步骤还包括：
对所述第三琼斯矩阵进行竖直方向分量的偏振滤波，得到调控后出射光场的电矢量为：
其中，E v-out 表示经过竖直方向分量偏振滤波的所述调控后出射光场的电矢量。
4.一种几何相位元件，所述几何相位元件包括微元阵列，其特征在于，所述微元阵列中各微元的光轴指向按照如权利要求1-3中任一项所述的光轴设计方法确定。
5.一种任意矢量光场产生装置，其特征在于，所述任意矢量光场产生装置包括偏振分束单元（1）、几何相位单元（2）以及偏振滤波及合束单元（3）；几何相位单元（2）包括两个如权利要求4所述的几何相位元件，分别为第一几何相位元件和第二几何相位元件；所述偏振滤波及合束单元（3）包括水平偏振滤波元件、竖直偏振滤波元件和合束元件；
其中，所述第一几何相位元件在设计时，在对所述第三琼斯矩阵进行偏振滤波的步骤中所执行的是水平偏振滤波；所述第二几何相位元件在设计时，在对所述第三琼斯矩阵进行偏振滤波的步骤中所执行的是竖直偏振滤波；
线偏振入射光经所述偏振分束单元（1）后分为水平偏振光和竖直偏振光两支路平行出射，其中：所述水平偏振光经所述第一几何相位元件和所述水平偏振滤波元件进行对应的空间光强调制和空间二值相位调制后，得到第一支路调制光束；所述竖直偏振光经所述第二几何相位元件和竖直偏振滤波元件进行对应的空间光强调制和空间二值相位调制后，得到第二支路调制光束；
所述第一支路调制光束和所述第二支路调制光束经所述合束元件合束后，作为具有所需矢量光场的合束光输出。
6.根据权利要求5所述的任意矢量光场产生装置，其特征在于，所述偏振分束单元（1）和/或偏振滤波及合束单元（3）采用如下方式之一实现：
侧向位移偏振分光棱镜；或
偏振分光棱镜和反射镜。
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