CN116184659A - 一种超表面的设计方法、光束整形器、装置及电子设备 - Google Patents

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CN116184659A CN202310196037.5A CN202310196037A CN116184659A CN 116184659 A CN116184659 A CN 116184659A CN 202310196037 A CN202310196037 A CN 202310196037A CN 116184659 A CN116184659 A CN 116184659A
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谭凤泽
朱健
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Abstract

本发明提供了一种超表面的设计方法、光束整形器、装置及电子设备，该方法包括：确定入射类型和入射参数；确定出射类型和出射参数；基于入射参数与出射参数，确定衍射相位分布的初始值；根据入射类型与出射类型，对衍射相位分布进行迭代优化，得到优化后的衍射相位分布，根据优化后的衍射相位分布生成目标相位分布，并按目标相位分布生成超表面。通过本发明实施例提供的超表面的设计方法、光束整形器、装置及电子设备，不仅克服了单独使用光强重新分布原理求算衍射相位分布所导致的出射光束光强分布边缘太平滑的问题，还克服了利用随机生成的初始值进行仿真所导致的容易陷入局部最优等问题，得到整形效果好，结构轻薄，生产难度低的超表面。

Description

一种超表面的设计方法、光束整形器、装置及电子设备
技术领域
本发明涉及光束整形技术领域，具体而言，涉及一种超表面的设计方法、光束整形器、装置及电子设备。
背景技术
传统的光束整形器可选用多片式组合的球面镜和/或非球面镜，但是，在实际加工中球面镜与非球面镜的制作难度较大，且这种传统透镜的组合需要较长的空间距离，造成该光束整形器的尺寸较大，占据较大的空间体积；因此，如何设计一种体积小、制作难度低且整形效果好的光束整形器显得尤为重要。
发明内容
为解决现有存在的技术问题，本发明实施例提供一种超表面的设计方法、光束整形器、装置及电子设备。
第一方面，本发明实施例提供了一种超表面的设计方法，包括：确定入射类型和入射参数；所述入射类型表示入射光束的类型，所述入射参数表示所述入射光束的参数，且所述入射参数包括：所述入射光束的波长和所述入射光束的光强分布；确定出射类型和出射参数；所述出射类型表示出射光束的类型，所述出射参数表示所述出射光束的参数，且所述出射参数包括：所述出射光束的光强分布；基于所述入射参数与所述出射参数，确定衍射相位分布的初始值；所述衍射相位分布表示将所述入射光束调整为所述出射光束的相位分布；根据所述入射类型与所述出射类型，对所述衍射相位分布进行迭代优化，得到优化后的衍射相位分布，根据所述优化后的衍射相位分布生成目标相位分布，并按所述目标相位分布生成超表面。
可选地，基于所述入射参数与所述出射参数，确定衍射相位分布的初始值，包括：确定二维相位分布；所述二维相位分布表示对射向第一方向以及第二方向构成的平面的入射光束进行调制的相位分布；所述第一方向表示所要设计的超表面中的方向；且所述第一方向与所述第二方向为相互垂直的两个方向；将所述二维相位分布作为所述衍射相位分布的初始值。
可选地，确定二维相位分布，包括：将所述入射光束的光强分布重新分布为所述出射光束的光强分布，得到一维相位分布；所述一维相位分布表示对射向第一方向的入射光束进行调制的相位分布；根据所述出射光束的光强分布类型和所述一维相位分布，确定所述二维相位分布。
可选地，入射光束为高斯光束；所述出射光束为平顶光束。
可选地，根据所述出射光束的光强分布类型和所述一维相位分布，确定所述二维相位分布，包括：在所述出射光束的光强分布类型为圆柱状的情况下，对所述一维相位分布进行旋转对称分布，得到所述二维相位分布；在所述出射光束的光强分布类型为长方体的情况下，确定对射向所述第二方向的入射光束进行调制的相位分布，将所述对射向所述第二方向的入射光束进行调制的相位分布与所述一维相位分布进行叠加，得到所述二维相位分布。
可选地，一维相位分布满足：
Figure BDA0004109570210000021
在所述出射光束的光强分布类型为圆柱状的情况下，所述二维相位分布满足：
Figure BDA0004109570210000022
其中，
Figure BDA0004109570210000023
表示所述一维相位分布；x表示所述第一方向上的位置；λ表示所述入射光束的波长；z表示所述出射光束至衍射平面的传播距离；u(t)表示所述出射光束的光强分布的位置u与所述入射光束在第一方向上的位置t的转换关系,t表示积分变量；
Figure BDA0004109570210000024
表示所述二维相位分布；y表示所述第二方向上的位置。
可选地，在所述出射光束的光强分布类型为长方体的情况下，所述二维相位分布满足：
Figure BDA0004109570210000037
且
Figure BDA0004109570210000031
其中，
Figure BDA0004109570210000032
表示所述二维相位分布；λ表示所述入射光束的波长；z表示所述出射光束至衍射平面的传播距离；t表示积分变量；
Figure BDA0004109570210000033
表示在第一方向上的一维相位分布；x表示所述第一方向上的位置；ux(t)表示所述出射光束的光强分布在所述第一方向x上的位置ux与所述入射光束在第一方向x上的位置t的转换关系；
Figure BDA0004109570210000034
表示在第二方向上的一维相位分布；y表示所述第二方向上的位置；uy(t)表示所述出射光束的光强分布在所述第二方向y上的位置uy与所述入射光束在第二方向y上的位置t的转换关系。
可选地，根据所述入射类型与所述出射类型，对所述衍射相位分布进行迭代优化，得到优化后的衍射相位分布，包括：根据所述入射类型确定所述入射光束的光源函数，根据所述出射类型确定所述出射光束的光源函数；将所述衍射相位分布的初始值代入相位恢复算法，并基于所述入射光束的光源函数与所述出射光束的光源函数进行优化，得到优化后的衍射相位分布。
可选地，根据所述优化后的衍射相位分布生成目标相位分布，包括：将所述优化后的衍射相位分布作为所述目标相位分布；或者，对所述优化后的衍射相位分布叠加附加相位分布，得到所述目标相位分布；所述附加相位分布表示对所述入射光束准直或聚焦的相位分布。
可选地，附加相位分布满足：
Figure BDA0004109570210000035
其中，
Figure BDA0004109570210000036
表示所设计的超表面的(x,y)位置处对应的附加相位分布；λ表示所述入射光束的波长；f表示所设计的超表面的焦距。
第二方面，本发明实施例还提供了一种光束整形器，包括：由上述任意一种设计方法设计得到的超表面。
第三方面，本发明实施例还提供了一种超表面的设计装置，包括：第一确定模块、第二确定模块、生成模块和优化模块；所述第一确定模块用于确定入射类型和入射参数；所述入射类型表示入射光束的类型，所述入射参数表示所述入射光束的参数，且所述入射参数包括：所述入射光束的波长和所述入射光束的光强分布；所述第二确定模块用于确定出射类型和出射参数；所述出射类型表示出射光束的类型，所述出射参数表示所述出射光束的参数，且所述出射参数包括：所述出射光束的光强分布；所述生成模块用于基于所述入射参数与所述出射参数，确定衍射相位分布的初始值；所述衍射相位分布表示将所述入射光束调整为所述出射光束的相位分布；所述优化模块用于根据所述入射类型与所述出射类型，对所述衍射相位分布进行迭代优化，得到优化后的衍射相位分布，根据所述优化后的衍射相位分布生成目标相位分布，并按所述目标相位分布生成超表面。
第四方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述存储器中存储的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述第一方面所述的超表面的设计方法。
第五方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的超表面的设计方法。
第六方面，本申请还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，当计算机程序被执行时，可以实现上述第一方面或者第一方面的任一种可能的设计方式所述的超表面的设计方法。
本发明实施例提供的超表面的设计方法、光束整形器、装置及电子设备，通过计算得到衍射相位分布的初始值，并对该衍射相位分布(由该初始值起)进行优化，得到优化后的衍射相位分布，根据优化后的衍射相位分布最终得到所要设计的超表面对应的目标相位分布。该方法没有直接将基于光强重新分布原理所求得的衍射相位分布直接作为目标相位分布生成超表面，而是将该衍射相位分布作为仿真优化的初始值，不仅克服了单独使用光强重新分布原理求算衍射相位分布所导致的出射光束的光强分布边缘太平滑的问题，还克服了利用随机生成的初始值进行仿真所导致的容易陷入局部最优，使整形后的出射光束的均匀性不佳，光强分布曲面比较粗糙等问题，使得可以设计得到体积小、制作难度低且整形效果好的用于光束整形器的超表面。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1示出了本发明实施例所提供的一种超表面的设计方法的流程图；
图2示出了本发明实施例所提供的超表面的设计方法中，将高斯光束整形为平顶光束的示意图；
图3示出了本发明实施例所提供的超表面的设计方法中，光束整形的原理示意图；
图4示出了本发明实施例所提供的超表面的设计方法中，“基于入射参数与出射参数，确定衍射相位分布的初始值”的具体流程图；
图5示出了本发明实施例所提供的超表面的设计方法中，“根据入射类型与出射类型，对衍射相位分布进行迭代优化，得到优化后的衍射相位分布”的具体流程图；
图6示出了本发明实施例所提供的超表面的设计方法中，需要准直的应用场景原理示意图；
图7示出了本发明实施例所提供的超表面的设计方法中，需要聚焦的应用场景原理示意图；
图8示出了本发明实施例所提供的实施例1中，投射在光束整形器表面的高斯光束的光强分布示意图；
图9示出了本发明实施例所提供的实施例1中，高斯光束在y＝0处的截面分布示意图；
图10示出了本发明实施例所提供的实施例1中，投射在衍射平面的平顶光束的光强分布示意图；
图11示出了本发明实施例所提供的实施例1中，平顶光束在y＝0处的截面分布示意图；
图12示出了本发明实施例所提供的实施例1中，光束整形器的相位分布示意图；
图13示出了本发明实施例所提供的实施例1中，相位分布在y＝0处的截面分布示意图；
图14示出了本发明实施例所提供的实施例1中，纳米结构示意图；
图15示出了本发明实施例所提供的实施例1中，直径D与调控相位的关系示意图；
图16示出了本发明实施例所提供的实施例2中，投射在光束整形器表面的高斯光束的光强分布示意图；
图17示出了本发明实施例所提供的实施例2中，投射在衍射平面的平顶光束的光强分布示意图；
图18示出了本发明实施例所提供的实施例2中，平顶光束在y＝0处的截面分布示意图；
图19示出了本发明实施例所提供的实施例2中，光束整形器的相位分布示意图；
图20示出了本发明实施例所提供的实施例3中，高斯光束的光强分布示意图；
图21示出了本发明实施例所提供的实施例3中，平顶光束的光强分布示意图；
图22示出了本发明实施例所提供的实施例3中，平顶光束在y＝0处的截面分布示意图；
图23示出了本发明实施例所提供的实施例3中，光束整形器的相位分布示意图；
图24示出了本发明实施例所提供的一种超表面的设计装置的结构示意图；
图25示出了本发明实施例所提供的一种电子设备的结构示意图。
图示：
1-激光器，2-准直透镜，3-超表面，4-聚焦透镜。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例进行描述。
图1示出了本发明实施例所提供的一种超表面的设计方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤101-104。
步骤101：确定入射类型和入射参数；入射类型表示入射光束的类型，入射参数表示入射光束的参数，且入射参数包括：入射光束的波长和入射光束的光强分布。
步骤102：确定出射类型和出射参数；出射类型表示出射光束的类型，出射参数表示出射光束的参数，且出射参数包括：出射光束的光强分布。
本发明实施例中，入射光束为待整形的光束，即射向所要设计的超表面的光束；出射光束为整形后得到的光束，即由所要设计的超表面射出的光束。其中，本发明实施例对于入射光束的类型以及出射光束的类型均不做任何限定，换句话说，入射光束可以是需要整形的任意一种类型的光束，出射光束可以是根据实际所需确定的另一种类型的光束。
可选地，参见图2所示，入射光束为高斯光束；出射光束为平顶光束。
也就是说，本发明实施例所设计的超表面(图2中以附图标记M示出)可以将射入其中的高斯光束(图2中以超表面M左侧曲线表示该高斯光束)调整为平顶光束(图2中以超表面M右侧“凸”形曲线表示该平顶光束)，并将整形得到的平顶光束射向衍射平面(如图2中以附图标记P所示的平面，且图2中两箭头指向的方向为高斯光束的传播方向)。其中，本发明实施例之所以选取高斯光束作为入射光束，选取平顶光束作为出射光束的原因在于：通常情况下，从激光器输出的激光都是高斯光束，例如，固体激光器、气体激光器和光纤激光器输出的激光在任意位置截面的光强分布均为高斯分布，但是，在激光材料加工、激光医疗等领域，使用高斯分布的激光(高斯光束)切割的材料截面非常粗糙，不便于进一步加工，在图像显示和照明等领域，截面内光强分布不均匀的高斯光斑(高斯分布的光斑)将严重影响显色质量，因此，需要对激光器输出的高斯光束进行处理，转换为如平顶光束这种光强分布均匀的光束类型。需要说明的是，本发明实施例以最常见的高斯光束整形为平顶光束为例，并不代表本发明所提供的设计方法仅适用于这种情况。
其中，在确定了入射类型之后，可以基于该入射类型得到该入射光束的参数，即入射参数；该入射参数为入射光束的波长和光强分布，其中，该入射光束的光强分布是该入射光束投射在所要设计的超表面上的光斑情况，例如，在入射光束为高斯光束的情况下，该高斯光束的光强分布是高斯光斑的分布情况，本发明实施例可以从该高斯光束的光强分布中得到该高斯光斑的半径，并将该半径作为入射参数。
相应地，在确定了出射类型之后，可以基于该出射类型得到该出射光束的参数，即出射参数；该出射参数为出射光束的光强分布，其中，该出射光束的光强分布是预先确定的该出射光束投射在衍射平面上的光斑情况，例如，在确定出射光束为平顶光束的情况下，该平顶光束的光强分布是预设的平顶光斑的分布情况，本发明实施例可以从该平顶光束的光强分布中确定该光强分布的光强分布类型，常见的光强分布类型可以是旋转对称的圆柱状，或者非旋转对称的长方体状等，基于该平顶光束的光强分布可以确定相应的出射参数。
步骤103：基于入射参数与出射参数，确定衍射相位分布的初始值；衍射相位分布表示将入射光束调整为出射光束的相位分布。
本发明实施例可以根据光束整形所遵循的光强重新分布这一物理原理，计算出将该入射光束调制为该出射光束的调控相位，也就是说，根据入射光束经所要设计的超表面衍射前对应的光强分布以及经该超表面衍射后得到的出射光束的光强分布(即衍射结果)，可以确定将入射光束调整为出射光束的相位分布，如图3所示，图3中以M表示用于光束整形的超表面，以P表示衍射平面，以超表面左侧的箭头表示入射光束。需要说明的是，由于基于该物理过程所计算得到的衍射相位分布通常将导致衍射的结果，即出射光束的光强分布，边缘过于平滑，整形效果差，因此，本发明实施例在此步骤103中所计算得到的仅仅是衍射相位分布的初始值，还需对该衍射相位分布的初始值进行优化。
步骤104：根据入射类型与出射类型，对衍射相位分布进行迭代优化，得到优化后的衍射相位分布，根据优化后的衍射相位分布生成目标相位分布，并按目标相位分布生成超表面。
其中，可以采用仿真优化的方式，基于已知的入射类型和出射类型，对上述步骤103求得的衍射相位分布的初始值进行迭代优化，换句话说，本步骤104所优化的参数为衍射相位分布，通过该迭代优化过程，可以将衍射相位分布的初始值迭代优化为衍射效果更好的衍射相位分布，即得到优化后的衍射相位分布，基于该优化后的衍射相位分布所调整得到的出射光束的光强分布边缘更陡也更明显。
在本发明实施例中，可以根据该优化后的衍射相位分布生成最终所需的目标相位分布，该目标相位分布是本发明实施例所要设计的超表面的相位分布。具体地，本发明实施例基于该目标相位分布生成超表面的过程可以是：按照所获得的目标相位分布，在离散相位点的纳米结构的数据库中进行扫描，选择可在入射光束的波长处工作且相位覆盖0～2π的纳米结构，且所选择的纳米结构满足目标相位分布的要求，完成该超表面的设计工作，进而可以进行实际的超表面构建和制造。
在本发明实施例所提供的超表面的设计方法中，通过计算得到衍射相位分布的初始值，并对该衍射相位分布(由该初始值起)进行优化，得到优化后的衍射相位分布，根据优化后的衍射相位分布最终得到所要设计的超表面对应的目标相位分布。该方法没有直接将基于光强重新分布原理所求得的衍射相位分布直接作为目标相位分布生成超表面，而是将该衍射相位分布作为仿真优化的初始值，不仅克服了单独使用光强重新分布原理求算衍射相位分布所导致的出射光束的光强分布边缘太平滑的问题，还克服了利用随机生成的初始值进行仿真所导致的容易陷入局部最优，使整形后的出射光束的均匀性不佳，光强分布曲面比较粗糙等问题，使得可以设计得到体积小、制作难度低且整形效果好的用于光束整形器的超表面。
可选地，参见图4所示，上述步骤103“基于入射参数与出射参数，确定衍射相位分布的初始值”，可以包括以下步骤1031-1032。
步骤1031：确定二维相位分布；二维相位分布表示对射向第一方向以及第二方向构成的平面的入射光束进行调制的相位分布；第一方向表示所要设计的超表面中的方向；且第一方向与第二方向为相互垂直的两个方向。
步骤1032：将二维相位分布作为衍射相位分布的初始值。
其中，可以通过计算获得二维相位分布，将二维相位分布作为衍射相位分布的初始值；顾名思义，该二维相位分布对应二维平面用于改变光强分布的相位分布，具体地，该二维平面是由相互垂直的第一方向与第二方向构成的平面，其中，本发明实施例将该超表面中某一方向作为第一方向；例如，可以将图3所示超表面中x轴的方向作为第一方向，即第一方向与第二方向构成的平面是所要设计的超表面所在平面；也就是说，所确定的二维相位分布是能够对射入所要设计的超表面的入射光束的光强分布进行调制的相位分布。本发明实施例中，该二维相位分布能够使入射光束经该超表面衍射为出射光束，因此，将该二维相位分布作为待优化的衍射相位分布，即衍射相位分布的初始值。
可选地，上述步骤1031“确定二维相位分布”可以包括以下步骤A1-步骤A2。
步骤A1：将入射光束的光强分布重新分布为出射光束的光强分布，得到一维相位分布；一维相位分布表示对射向第一方向的入射光束进行调制的相位分布。
从原理上分析，光束整形是对光束能量(光强)的重新分布，图3以一维示意图的形式展示了光束整形中能量重新分布的过程：入射光束每个小区域(如图3中由虚线区分示意的区域)的能量能够被对应分配到衍射平面上预先所确定的区域。基于此，本发明实施例可以首先确定所要设计的超表面对于射向该超表面中某一方向的入射光束所提供的调制相位，即得到一维相位分布，也就是说，该一维相位分布用于改变光强分布；例如，可以将图3所示超表面中x轴的方向作为第一方向，将计算得到的该超表面对射向该x轴方向的入射光束进行调制的相位分布作为一维相位分布。
步骤A2：根据出射光束的光强分布类型和一维相位分布，确定二维相位分布。
本发明实施例中，在根据上述步骤A1确定得到一维相位分布之后，可以根据所要得到的出射光束的光强分布类型，例如，可以由所要得到的出射光束的光强分布确定其具体类型，如圆柱状或长方体状等；基于出射光束的光强分布类型和一维相位分布，计算获得二维相位分布。
可选地，上述步骤1032“根据出射光束的光强分布类型和一维相位分布，确定二维相位分布”，可以包括以下步骤B1-B2。
步骤B1：在出射光束的光强分布类型为圆柱状的情况下，对一维相位分布进行旋转对称分布，得到二维相位分布。
本发明实施例中，根据出射光束的光强分布类型不同，可以采用不同的方法确定二维相位分布。具体地，当出射光束是圆柱状时，例如，对于将圆对称的高斯光束整形为圆柱状的平顶光束的情况，两光束形状均为旋转对称形状，只需要对一维相位分布进行旋转对称分布的操作，即可得到二维相位分布。
步骤B2：在出射光束的光强分布类型为长方体的情况下，确定对射向第二方向的入射光束进行调制的相位分布，将对射向第二方向的入射光束进行调制的相位分布与一维相位分布进行叠加，得到二维相位分布。
而当出射光束是长方体状时，例如，对于将圆对称的高斯光束整形为长方体状的平顶光束的情况，所设计的超表面需要在第一方向以及第二方向分别进行调控，也就是说，在第一方向对应的一维相位分布的基础上叠加对射向第二方向的入射光束进行调制的相位分布，将两个方向分别对应的调控相位进行整合，即可得到二维相位分布。
可选地，一维相位分布满足：
Figure BDA0004109570210000121
在出射光束的光强分布类型为圆柱状的情况下，二维相位分布满足：
Figure BDA0004109570210000122
其中，参见图3所示，
Figure BDA0004109570210000123
表示一维相位分布；x表示第一方向上的位置；λ表示入射光束的波长；z表示出射光束至衍射平面的传播距离；u(t)表示出射光束的光强分布的位置u与入射光束在第一方向上的位置t的转换关系,t表示积分变量；
Figure BDA0004109570210000124
表示二维相位分布；y表示第二方向上的位置。
可选地，在出射光束的光强分布类型为长方体的情况下，二维相位分布满足：
Figure BDA0004109570210000125
且
Figure BDA0004109570210000126
其中，参见图3所示，
Figure BDA0004109570210000127
表示二维相位分布；λ表示入射光束的波长；z表示出射光束至衍射平面的传播距离；t表示积分变量；
Figure BDA0004109570210000128
表示在第一方向上的一维相位分布；x表示第一方向上的位置；ux(t)表示出射光束的光强分布在第一方向x上的位置ux与入射光束在第一方向x上的位置t的转换关系；
Figure BDA0004109570210000129
表示在第二方向上的一维相位分布；y表示第二方向上的位置；uy(t)表示出射光束的光强分布在第二方向y上的位置uy与入射光束在第二方向y上的位置t的转换关系。
其中，基于光束整形是将光强进行重新分布的原理，可以得到公式一：
Figure BDA00041095702100001210
该公式一中，Ii(x)是入射光束的光强分布，It(u)是经光束整形器整形后投射到衍射平面上的出射光束的光强分布；根据公式一可以由入射光束的光强分布和出射光束的光强分布获得坐标转换关系u(t)。在上述光强转换过程中，对于与所要设计的超表面距离为z的衍射平面，各部分光线的偏折角度θ满足以下关系(即公式二)：
Figure BDA0004109570210000131
且一维相位分布
Figure BDA0004109570210000132
满足如下关系(即公式三)：
Figure BDA0004109570210000133
而由于用于光束整形的超表面一般涉及的角度都不太大，因此本发明实施例可以令tanθ≈sinθ，故根据公式二和公式三可得公式四：
Figure BDA0004109570210000134
Figure BDA0004109570210000135
即一维相位分布满足的公式。
本发明实施例中，对于将高斯光束转换为平顶光束的情况，可以根据高斯光束的光强分布
Figure BDA0004109570210000136
计算得到下述公式五：
Figure BDA0004109570210000137
其中，ω1为高斯光束的光强分布半径(光强的1/e2处)，ω2为平顶光束宽度的一半。将公式五代入公式四可得公式六：
Figure BDA0004109570210000138
上述公式六中
Figure BDA0004109570210000139
仅针对一维曲线整形的情况，即一维相位分布，而所设计的超表面为二维平面器件，因此需要根据出射光束的光强分布类型，对上述公式六进行相应地转换即可获得应用于二维整形情况所对应的相位分布，即二维相位分布。
具体地，对于将圆对称的高斯光束整形为圆柱状的平顶光束的情况，该二维相位分布
Figure BDA00041095702100001310
满足：
Figure BDA00041095702100001311
对于将圆对称的高斯光束整形为长方体状(xy截面为正方形)的平顶光束的情况，该二维相位分布
Figure BDA00041095702100001312
满足：
Figure BDA00041095702100001313
需要说明的是，对于其他更多类型的光束整形情况，也可以通过上述分析方法，根据入射光束和出射光束的光强分布计算超表面调制的二维相位分布
Figure BDA00041095702100001314
可选地，参见图5所示，上述步骤104“根据入射类型与出射类型，对衍射相位分布进行迭代优化，得到优化后的衍射相位分布”，可以包括以下步骤1041-1042。
步骤1041：根据入射类型确定入射光束的光源函数，根据出射类型确定出射光束的光源函数。
其中，通过已知的入射类型与出射类型，可以确定入射光束的光源函数与出射光束的光源函数，该入射光束的光源函数与出射光束的光源函数用于仿真优化的重要参数。
步骤1042：将衍射相位分布的初始值代入相位恢复算法，并基于入射光束的光源函数与出射光束的光源函数进行优化，得到优化后的衍射相位分布。
基于上述步骤1041确定的入射光束的光源函数以及出射光束的光源函数，可以进行仿真优化的过程；本发明实施例中，仿真优化过程所针对的对象为衍射相位分布。具体地，将上述步骤103确定的衍射相位分布的初始值代入相位恢复算法，如G-S算法(Gerchberg-Saxton algorithm)或者迭代傅里叶变换算法等，结合入射光束的光源函数以及出射光束的光源函数，对衍射相位分布进行仿真优化，得到优化后的衍射相位分布。例如，在基于上述步骤1041确定高斯光束的光源函数以及平顶光束的光源函数之后，将上述步骤103确定的衍射相位分布的初始值代入G-S算法进行迭代优化，得到优化后的衍射相位分布。
由于常规的相位恢复算法对迭代的初始相位非常敏感，因此本发明实施例可以将根据光强能量分配计算得到的衍射相位分布的初始值代入相位恢复算法的初始相位中，通过对衍射相位分布进行优化，一方面可以避免迭代优化的过程陷入局部最优，从而导致整形后的出射光束的均匀性不佳，如平顶光束的平顶均匀性不佳，光强分布曲面比较粗糙的情况发生；另一方面，该方法还可以获得性能更好的调控相位(优化后的衍射相位分布)，使出射光束的光强分布边缘更陡，提高光束整形的效果。
可选地，上述步骤104“根据优化后的衍射相位分布生成目标相位分布”，可以包括以下步骤C1或C2。
步骤C1：将优化后的衍射相位分布作为目标相位分布。
其中，可以直接将优化后的衍射相位分布作为目标相位分布，即所要设计的超表面对应的相位分布，并根据该目标相位分布(优化后的衍射相位分布)生成可以实现光束整形且整形效果较好的超表面。
步骤C2：对优化后的衍射相位分布叠加附加相位分布，得到目标相位分布；附加相位分布表示对入射光束准直或对出射光束聚焦的相位分布。
在一些光束整形的应用场景中，如图6所示，从激光器(图6中以附图标记1表示该激光器)出射的高斯光束具有一定的发散角，高斯光束通常需要使用准直透镜(图6中以附图标记2表示该准直透镜)准直后再输入到用于光束整形的光学元件(如本发明实施例中的超表面，图6中以附图标记3表示该超表面)进行光束整形；或者，如图7所示，整形后的出射光束(平顶光束)需要通过聚焦透镜(图7中以附图标记4表示该聚焦透镜)以耦合到后端的光学器件；因此，基于透镜对光束的准直或聚焦也是对光束相位调制的过程，将透镜的调控相位分布叠加光束整形的调制相位分布，即可将准直(或聚焦)和整形两功能集成到一起，构成单一的光学元件。
基于此，本发明实施例可以根据实际情况，在该优化后的衍射相位分布的基础上叠加附加相位分布，得到生成超表面所需的目标相位分布。其中，该附加相位分布也是对光束进行调制的相位分布，该附加相位分布与优化后的衍射相位分布不同的是：该附加相位分布实现的调制功能可以是对入射光束进行准直或对出射光束进行聚焦；换句话说，当实际情况需要使超表面在对入射光束进行光束整形的同时，还对该入射光束进行准直或对出射光束进行聚焦时，本发明实施例需要在优化后的衍射相位分布的基础上叠加该附加相位分布，得到最终所需的目标相位分布。需要说明的是，用于实现准直功能的相位分布和用于实现聚焦功能的相位分布，二者本质相同。
可选地，附加相位分布满足：
Figure BDA0004109570210000151
其中，
Figure BDA0004109570210000152
表示所设计的超表面的(x,y)位置处对应的附加相位分布；λ表示入射光束的波长；f表示所设计的超表面的焦距；需要说明的是，在所要设计的超表面是具有准直与整形双功能的超表面的情况下，f表示激光器与超表面之间的距离；在所要设计的超表面是具有聚焦与整形双功能的超表面的情况下，f用于对出射光束进行缩束，本发明实施例可以根据缩束的比例设计f具体数值。本发明实施例可以根据上述附加相位分布所满足的公式，计算得到该附加相位分布。
本发明实施例还提供了一种光束整形器，参见图2所示，该光束整形器包括：由上述任意一种设计方法设计得到的超表面(图2中以附图标记M示出)。该光束整形器因采用超表面制作而成，不仅具有更加轻薄的体积，携带轻便，避免了传统使用透镜组的占用空间较大的问题；且由于超表面所使用的材料主要为硅等耐热材料，相位调控随温度变化极小，可承受较大功率的入射光束，并在该情况下依然保持较高性能；此外，基于该设计方法得到的超表面的目标相位分布可实现高传输效率的光束整形，例如，平顶光束的平顶均匀性较好且基本不存在旁瓣。
可选地，超表面的半径大于或等于入射光束投射在超表面的光斑半径。
本发明实施例中，为了获取足够的能量用于光强的重新分配，超表面的尺寸应尽可能覆盖入射光束的光强分布，即超表面的半径大于或等于入射光束投射在超表面的光斑半径，优选地，超表面的半径大于或等于光斑半径的3倍，在此情况下，可以有效避免生成的平顶光束边缘的陡度不够且平顶存在微小波动的情况发生。
实施例1：
对于波长为940nm，投射在光束整形器(超表面)上半径为291μm的高斯光束，如图8和图9所示，图8为投射在光束整形器表面的高斯光束的光强分布示意图，图9为该高斯光束在y＝0处的截面分布示意图；使用尺寸为2.16mm的光束整形器可将上述高斯光束整形为在距离该光束整形器4.8mm的衍射平面上，半径为175μm的平顶光束，如图10和图11所示，图10为投射在衍射平面的平顶光束的光强分布示意图，图11为该平顶光束在y＝0处的截面分布示意图；而上述光束整形器的相位分布如图12所示，图13示出了该相位分布在y＝0处的截面分布示意图。
为了满足上述相位分布以构建具有光束整形功能的超表面，需要工作波段为940nm，且满足相位调控要求的纳米结构。本实施例1可以在纳米结构数据库中，选取SiO2为衬底的Si纳米柱，该纳米柱高度h＝600nm，周期P＝550nm，SiO2和Si的折射率分别为1.45和3.42，其中，该纳米柱结构如图14所示，其仿真的直径D与调控相位的关系如图15所示；可以确定，所选取的纳米柱相位覆盖0～2π，具有高效的相位调控能力，可应用于制作超表面作为光束整形器。
实施例2：
对于波长为808nm，投射在光束整形器(超表面)上半径为60μm的高斯光束，如图16所示，图16为投射在光束整形器表面的高斯光束的光强分布示意图，使用尺寸为400μm的光束整形器可将上述高斯光束整形为在距离4.8mm的衍射平面上宽度为440μm的平顶光束，图17和图18所示，图17为投射在衍射平面的平顶光束的光强分布示意图，图18为该平顶光束在y＝0处的截面分布示意图，而上述光束整形器的相位分布如图19所示。
实施例3：
对于x和y两个方向不互易的高斯光束，具体地，该高斯光束的光强分布满足：
Figure BDA0004109570210000171
若将该高斯光束整形为平顶光束，且平顶光束的光场满足：E(x,y)＝1,且|x|<ω21,|y|<ω22；其中，ω11表示投射在光束整形器表面的高斯光束的光强分布在x方向上的半宽，且ω11＝0.7mm；ω12表示投射在光束整形器表面的高斯光束的光强分布在y方向上的半宽，且ω12＝1.4mm；ω21表示投射在衍射平面的平顶光束的光强分布在x方向上的半宽，且ω21＝1mm；ω22表示投射在衍射平面的平顶光束的光强分布在y方向上的半宽，且ω22＝2mm；其中，高斯光束的波长为647nm。此时，该光束整形器(超表面)的相位分布为：
Figure BDA0004109570210000181
Figure BDA0004109570210000182
上述高斯光束的光强分布可以参见图20所示；平顶光束的光强分布以及其在y＝0处的截面分布示意图，可以参见图21和图22所示；该光束整形器的相位分布可以参见图23所示。
上文详细描述了本发明实施例提供的超表面的设计方法，该方法也可以通过相应的装置实现，下面详细描述本发明实施例提供的超表面的设计装置。
图24示出了本发明实施例所提供的一种超表面的设计装置的结构示意图。如图24所示，该超表面的设计装置包括：第一确定模块31、第二确定模块32、生成模块33和优化模块34。
第一确定模块31用于确定入射类型和入射参数；所述入射类型表示入射光束的类型，所述入射参数表示所述入射光束的参数，且所述入射参数包括：所述入射光束的波长和所述入射光束的光强分布。
第二确定模块32用于确定出射类型和出射参数；所述出射类型表示出射光束的类型，所述出射参数表示所述出射光束的参数，且所述出射参数包括：所述出射光束的光强分布。
生成模块33用于基于所述入射参数与所述出射参数，确定衍射相位分布的初始值；所述衍射相位分布表示将所述入射光束调整为所述出射光束的相位分布。
优化模块34用于根据所述入射类型与所述出射类型，对所述衍射相位分布进行迭代优化，得到优化后的衍射相位分布，根据所述优化后的衍射相位分布生成目标相位分布，并按所述目标相位分布生成超表面。
可选地，生成模块33包括：二维计算子模块和确定初始值子模块。
二维计算子模块用于确定二维相位分布；所述二维相位分布表示对射向所述第一方向以及第二方向构成的平面的入射光束进行调制的相位分布；所述第一方向表示所要设计的超表面中的方向；且所述第一方向与所述第二方向为相互垂直的两个方向。
确定初始值子模块用于将所述二维相位分布作为所述衍射相位分布的初始值。
可选地，二维计算子模块包括：一维计算单元和二维相位分布确定单元。
一维计算单元用于将所述入射光束的光强分布重新分布为所述出射光束的光强分布，得到一维相位分布；所述一维相位分布表示对射向第一方向的入射光束进行调制的相位分布；所述第一方向表示所要设计的超表面中的方向。
二维相位分布确定单元用于根据所述出射光束的光强分布类型和所述一维相位分布，确定所述二维相位分布。
可选地，入射光束为高斯光束；所述出射光束为平顶光束。
可选地，二维相位分布确定单元，包括：第一计算子单元和第二计算子单元。
第一计算子单元用于在所述出射光束的光强分布类型为圆柱状的情况下，对所述一维相位分布进行旋转对称分布，得到所述二维相位分布。
第二计算子单元用于在所述出射光束的光强分布类型为长方体的情况下，确定对射向所述第二方向的入射光束进行调制的相位分布，将所述对射向所述第二方向的入射光束进行调制的相位分布与所述一维相位分布进行叠加，得到所述二维相位分布。
可选地，一维相位分布满足：
Figure BDA0004109570210000191
在所述出射光束的光强分布类型为圆柱状的情况下，所述二维相位分布满足：
Figure BDA0004109570210000192
其中，
Figure BDA0004109570210000193
表示所述一维相位分布；x表示所述第一方向上的位置；λ表示所述入射光束的波长；z表示所述出射光束至衍射平面的传播距离；u(t)表示所述出射光束的光强分布的位置u与所述入射光束在第一方向上的位置t的转换关系,t表示积分变量；
Figure BDA0004109570210000194
表示所述二维相位分布；y表示所述第二方向上的位置。
可选地，在所述出射光束的光强分布类型为长方体的情况下，所述二维相位分布满足：
Figure BDA0004109570210000195
且
Figure BDA0004109570210000196
Figure BDA0004109570210000201
其中，
Figure BDA0004109570210000202
表示所述二维相位分布；λ表示所述入射光束的波长；z表示所述出射光束至衍射平面的传播距离；t表示积分变量；
Figure BDA0004109570210000203
表示在第一方向上的一维相位分布；x表示所述第一方向上的位置；ux(t)表示所述出射光束的光强分布在所述第一方向x上的位置ux与所述入射光束在第一方向x上的位置t的转换关系；
Figure BDA0004109570210000204
表示在第二方向上的一维相位分布；y表示所述第二方向上的位置；uy(t)表示所述出射光束的光强分布在所述第二方向y上的位置uy与所述入射光束在第二方向y上的位置t的转换关系。
可选地，优化模块34，包括：光源函数子模块和迭代优化子模块。
光源函数子模块用于根据所述入射类型确定所述入射光束的光源函数，根据所述出射类型确定所述出射光束的光源函数。
迭代优化子模块用于将所述衍射相位分布的初始值代入相位恢复算法，并基于所述入射光束的光源函数与所述出射光束的光源函数进行优化，得到优化后的衍射相位分布。
可选地，优化模块34，包括：直接确定子模块，或者，间接确定子模块。
直接确定子模块用于将所述优化后的衍射相位分布作为所述目标相位分布。
或者，间接确定子模块用于对所述优化后的衍射相位分布叠加附加相位分布，得到所述目标相位分布；所述附加相位分布表示对所述入射光束准直或所述出射光束聚焦的相位分布。
可选地，附加相位分布满足：
Figure BDA0004109570210000205
其中，
Figure BDA0004109570210000206
表示所设计的超表面的(x,y)位置处对应的附加相位分布；λ表示所述入射光束的波长；f表示所设计的超表面的焦距。
本发明实施例所提供的装置，通过计算得到衍射相位分布的初始值，并对该衍射相位分布(由该初始值起)进行优化，得到优化后的衍射相位分布，根据优化后的衍射相位分布最终得到所要设计的超表面对应的目标相位分布。该装置没有直接将基于光强重新分布原理所求得的衍射相位分布直接作为目标相位分布生成超表面，而是将该衍射相位分布作为仿真优化的初始值，不仅克服了单独使用光强重新分布原理求算衍射相位分布所导致的出射光束的光强分布边缘太平滑的问题，还克服了利用随机生成的初始值进行仿真所导致的容易陷入局部最优，使整形后的出射光束的均匀性不佳，光强分布曲面比较粗糙等问题，使得可以设计得到体积小、制作难度低且整形效果好的用于光束整形器的超表面。
需要说明的是，上述实施例提供的超表面的设计装置在实现相应的功能时，仅以上述各功能模块的划分举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由一个功能模块(例如处理器)或者由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的超表面的设计装置与超表面的设计方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
根据本申请的一个方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装。在该计算机程序被处理器执行时，执行本申请实施例提供的超表面的设计方法。
此外，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该收发器、该存储器和处理器分别通过总线相连，计算机程序被处理器执行时实现上述超表面的设计方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
具体的，参见图25所示，本发明实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括总线1110、处理器1120、收发器1130、总线接口1140、存储器1150和用户接口1160。
在本发明实施例中，该电子设备还包括：存储在存储器1150上并可在处理器1120上运行的计算机程序，计算机程序被处理器1120执行时实现上述超表面的设计方法实施例的各个过程。
收发器1130，用于在处理器1120的控制下接收和发送数据。
本发明实施例中，总线架构(用总线1110来代表)，总线1110可以包括任意数量互联的总线和桥，总线1110将包括由处理器1120代表的一个或多个处理器与存储器1150代表的存储器的各种电路连接在一起。
总线1110表示若干类型的总线结构中的任何一种总线结构中的一个或多个，包括存储器总线以及存储器控制器、外围总线、加速图形端口(Accelerate Graphical Port，AGP)、处理器或使用各种总线体系结构中的任意总线结构的局域总线。作为示例而非限制，这样的体系结构包括：工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，ISA)总线、微通道体系结构(Micro Channel Architecture，MCA)总线、扩展ISA(Enhanced ISA，EISA)总线、视频电子标准协会(Video Electronics Standards Association，VESA)、外围部件互连(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线。
处理器1120可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中硬件的集成逻辑电路或软件形式的指令完成。上述的处理器包括：通用处理器、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)、复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable LogicDevice，CPLD)、可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)、微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)或其他可编程逻辑器件、分立门、晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或执行本发明实施例中公开的各方法、步骤及逻辑框图。例如，处理器可以是单核处理器或多核处理器，处理器可以集成于单颗芯片或位于多颗不同的芯片。
处理器1120可以是微处理器或任何常规的处理器。结合本发明实施例所公开的方法步骤可以直接由硬件译码处理器执行完成，或者由译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、闪存(FlashMemory)、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、寄存器等本领域公知的可读存储介质中。所述可读存储介质位于存储器中，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
总线1110还可以将，例如外围设备、稳压器或功率管理电路等各种其他电路连接在一起，总线接口1140在总线1110和收发器1130之间提供接口，这些都是本领域所公知的。因此，本发明实施例不再对其进行进一步描述。
收发器1130可以是一个元件，也可以是多个元件，例如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。例如：收发器1130从其他设备接收外部数据，收发器1130用于将处理器1120处理后的数据发送给其他设备。取决于计算机系统的性质，还可以提供用户接口1160，例如：触摸屏、物理键盘、显示器、鼠标、扬声器、麦克风、轨迹球、操纵杆、触控笔。
应理解，在本发明实施例中，存储器1150可进一步包括相对于处理器1120远程设置的存储器，这些远程设置的存储器可以通过网络连接至服务器。上述网络的一个或多个部分可以是自组织网络(ad hoc network)、内联网(intranet)、外联网(extranet)、虚拟专用网(VPN)、局域网(LAN)、无线局域网(WLAN)、广域网(WAN)、无线广域网(WWAN)、城域网(MAN)、互联网(Internet)、公共交换电话网(PSTN)、普通老式电话业务网(POTS)、蜂窝电话网、无线网络、无线保真(Wi-Fi)网络以及两个或更多个上述网络的组合。例如，蜂窝电话网和无线网络可以是全球移动通信(GSM)系统、码分多址(CDMA)系统、全球微波互联接入(WiMAX)系统、通用分组无线业务(GPRS)系统、宽带码分多址(WCDMA)系统、长期演进(LTE)系统、LTE频分双工(FDD)系统、LTE时分双工(TDD)系统、先进长期演进(LTE-A)系统、通用移动通信(UMTS)系统、增强移动宽带(Enhance Mobile Broadband，eMBB)系统、海量机器类通信(massive Machine Type of Communication，mMTC)系统、超可靠低时延通信(UltraReliable Low Latency Communications，uRLLC)系统等。
应理解，本发明实施例中的存储器1150可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性存储器和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器包括：只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存(Flash Memory)。
易失性存储器包括：随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如：静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data RateSDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambus RAM，DRRAM)。本发明实施例描述的电子设备的存储器1150包括但不限于上述和任意其他适合类型的存储器。
在本发明实施例中，存储器1150存储了操作系统1151和应用程序1152的如下元素：可执行模块、数据结构，或者其子集，或者其扩展集。
具体而言，操作系统1151包含各种系统程序，例如：框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序1152包含各种应用程序，例如：媒体播放器(Media Player)、浏览器(Browser)，用于实现各种应用业务。实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序1152中。应用程序1152包括：小程序、对象、组件、逻辑、数据结构以及其他执行特定任务或实现特定抽象数据类型的计算机系统可执行指令。
此外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述超表面的设计方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
计算机可读存储介质包括：永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，是可以保留和存储供指令执行设备所使用指令的有形设备。计算机可读存储介质包括：电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备以及上述任意合适的组合。计算机可读存储介质包括：相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性随机存取存储器(NVRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带存储、磁带磁盘存储或其他磁性存储设备、记忆棒、机械编码装置(例如在其上记录有指令的凹槽中的穿孔卡或凸起结构)或任何其他非传输介质、可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本发明实施例中的界定，计算机可读存储介质不包括暂时信号本身，例如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如穿过光纤电缆的光脉冲)或通过导线传输的电信号。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所披露的装置、电子设备和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的、机械的或其他的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或也可以不是物理单元，既可以位于一个位置，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来解决本发明实施例方案要解决的问题。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术作出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(包括：个人计算机、服务器、数据中心或其他网络设备)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而上述存储介质包括如前述所列举的各种可以存储程序代码的介质。
在本发明实施例的描述中，所属技术领域的技术人员应当知道，本发明实施例可以实现为方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。因此，本发明实施例可以具体实现为以下形式：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)、硬件和软件结合的形式。此外，在一些实施例中，本发明实施例还可以实现为在一个或多个计算机可读存储介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读存储介质中包含计算机程序代码。
上述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读存储介质的任意组合。计算机可读存储介质包括：电、磁、光、电磁、红外或半导体的系统、装置或器件，或者以上任意的组合。计算机可读存储介质更具体的例子包括：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存(Flash Memory)、光纤、光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件或以上任意组合。在本发明实施例中，计算机可读存储介质可以是任意包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置、器件使用或与其结合使用。
上述计算机可读存储介质包含的计算机程序代码可以用任意适当的介质传输，包括：无线、电线、光缆、射频(Radio Frequency，RF)或者以上任意合适的组合。
可以以汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、集成电路配置数据或以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明实施例操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，例如：Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言，例如：C语言或类似的程序设计语言。计算机程序代码可以完全的在用户计算机上执行、部分的在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行以及完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括：局域网(LAN)或广域网(WAN)，可以连接到用户计算机，也可以连接到外部计算机。
本发明实施例通过流程图和/或方框图描述所提供的方法、装置、电子设备。
应当理解，流程图和/或方框图的每个方框以及流程图和/或方框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，这些计算机可读程序指令通过计算机或其他可编程数据处理装置执行，产生了实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的装置。
也可以将这些计算机可读程序指令存储在能使得计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式工作的计算机可读存储介质中。这样，存储在计算机可读存储介质中的指令就产生出一个包括实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的指令装置产品。
也可以将计算机可读程序指令加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，使得在计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机或其他可编程数据处理装置上执行的指令能够提供实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的过程。
以上所述，仅为本发明实施例的具体实施方式，但本发明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发明实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。因此，本发明实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种超表面的设计方法，其特征在于，包括：
确定入射类型和入射参数；所述入射类型表示入射光束的类型，所述入射参数表示所述入射光束的参数，且所述入射参数包括：所述入射光束的波长和所述入射光束的光强分布；
确定出射类型和出射参数；所述出射类型表示出射光束的类型，所述出射参数表示所述出射光束的参数，且所述出射参数包括：所述出射光束的光强分布；
基于所述入射参数与所述出射参数，确定衍射相位分布的初始值；所述衍射相位分布表示将所述入射光束调整为所述出射光束的相位分布；
根据所述入射类型与所述出射类型，对所述衍射相位分布进行迭代优化，得到优化后的衍射相位分布，根据所述优化后的衍射相位分布生成目标相位分布，并按所述目标相位分布生成超表面。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述基于所述入射参数与所述出射参数，确定衍射相位分布的初始值，包括：
确定二维相位分布；所述二维相位分布表示对射向第一方向以及第二方向构成的平面的入射光束进行调制的相位分布；所述第一方向表示所要设计的超表面中的方向；且所述第一方向与所述第二方向为相互垂直的两个方向；
将所述二维相位分布作为所述衍射相位分布的初始值。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述确定二维相位分布，包括：
将所述入射光束的光强分布重新分布为所述出射光束的光强分布，得到一维相位分布；所述一维相位分布表示对射向所述第一方向的入射光束进行调制的相位分布；
根据所述出射光束的光强分布类型和所述一维相位分布，确定所述二维相位分布。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述入射光束为高斯光束；所述出射光束为平顶光束。
5.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述根据所述出射光束的光强分布类型和所述一维相位分布，确定所述二维相位分布，包括：
在所述出射光束的光强分布类型为圆柱状的情况下，对所述一维相位分布进行旋转对称分布，得到所述二维相位分布；
在所述出射光束的光强分布类型为长方体的情况下，确定对射向所述第二方向的入射光束进行调制的相位分布，将所述对射向所述第二方向的入射光束进行调制的相位分布与所述一维相位分布进行叠加，得到所述二维相位分布。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述一维相位分布满足：
Figure FDA0004109570180000021
在所述出射光束的光强分布类型为圆柱状的情况下，所述二维相位分布满足：
Figure FDA0004109570180000022
其中，
Figure FDA0004109570180000023
表示所述一维相位分布；x表示所述第一方向上的位置；λ表示所述入射光束的波长；z表示所述出射光束至衍射平面的传播距离；u(t)表示所述出射光束的光强分布的位置u与所述入射光束在第一方向上的位置t的转换关系,t表示积分变量；
Figure FDA0004109570180000024
表示所述二维相位分布；y表示所述第二方向上的位置。
7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，在所述出射光束的光强分布类型为长方体的情况下，所述二维相位分布满足：
Figure FDA0004109570180000025
且
Figure FDA0004109570180000026
其中，
Figure FDA0004109570180000027
表示所述二维相位分布；λ表示所述入射光束的波长；z表示所述出射光束至衍射平面的传播距离；t表示积分变量；
Figure FDA0004109570180000028
表示在第一方向上的一维相位分布；x表示所述第一方向上的位置；ux(t)表示所述出射光束的光强分布在所述第一方向x上的位置ux与所述入射光束在第一方向x上的位置t的转换关系；
Figure FDA0004109570180000029
表示在第二方向上的一维相位分布；y表示所述第二方向上的位置；uy(t)表示所述出射光束的光强分布在所述第二方向y上的位置uy与所述入射光束在第二方向y上的位置t的转换关系。
8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述根据所述入射类型与所述出射类型，对所述衍射相位分布进行迭代优化，得到优化后的衍射相位分布，包括：
根据所述入射类型确定所述入射光束的光源函数，根据所述出射类型确定所述出射光束的光源函数；
将所述衍射相位分布的初始值代入相位恢复算法，并基于所述入射光束的光源函数与所述出射光束的光源函数进行优化，得到优化后的衍射相位分布。
9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述根据所述优化后的衍射相位分布生成目标相位分布，包括：
将所述优化后的衍射相位分布作为所述目标相位分布；
或者，对所述优化后的衍射相位分布叠加附加相位分布，得到所述目标相位分布；所述附加相位分布表示对所述入射光束准直或对所述出射光束聚焦的相位分布。
10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，所述附加相位分布满足：
Figure FDA0004109570180000031
其中，
Figure FDA0004109570180000032
表示所设计的超表面的(x,y)位置处对应的附加相位分布；λ表示所述入射光束的波长；f表示所设计的超表面的焦距。
11.一种光束整形器，其特征在于，包括：由上述权利要求1-10所述的任一设计方法设计得到的超表面。
12.一种超表面的设计装置，其特征在于，包括：第一确定模块、第二确定模块、生成模块和优化模块；
所述第一确定模块用于确定入射类型和入射参数；所述入射类型表示入射光束的类型，所述入射参数表示所述入射光束的参数，且所述入射参数包括：所述入射光束的波长和所述入射光束的光强分布；
所述第二确定模块用于确定出射类型和出射参数；所述出射类型表示出射光束的类型，所述出射参数表示所述出射光束的参数，且所述出射参数包括：所述出射光束的光强分布；
所述生成模块用于基于所述入射参数与所述出射参数，确定衍射相位分布的初始值；所述衍射相位分布表示将所述入射光束调整为所述出射光束的相位分布；
所述优化模块用于根据所述入射类型与所述出射类型，对所述衍射相位分布进行迭代优化，得到优化后的衍射相位分布，根据所述优化后的衍射相位分布生成目标相位分布，并按所述目标相位分布生成超表面。
13.一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述存储器中存储的计算机程序，以实现如权利要求1至10中任一项所述的超表面的设计方法。
14.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至10中任一项所述的超表面的设计方法。
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