CN116540406A - 一种光帆构建方法及光帆 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种光帆构建方法及光帆，涉及光帆技术领域，光帆表面具有超构表面结构，所述方法包括：基于以超构表面结构的几何中心点作为坐标原点的坐标系，确定表征超构表面结构各位置针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布，得到目标相位分布；获取多个几何参数不同的备选超构表面单元针对入射的x方向偏振光和对入射的y方向偏振光进行调控后的相位值；根据各备选超构表面单元相位分布，从所述备选超构表面单元选取符合目标相位分布的目标超构表面单元；将所述目标超构表面单元组合构建成为光帆。本申请能够使光帆在不对超构表面进行分区的情况下实现自稳定推进，并有效提高能量利用率。

Description

一种光帆构建方法及光帆
技术领域
本申请涉及光帆技术领域，具体而言，涉及一种光帆构建方法及光帆。
背景技术
光具有波粒二象性，以极快的速度运动的光子拥有能量，当飞速前进的光子撞在物体表面时，光子的部分能量便会传递给物体，转化为其前进的动量，与采用风作为动力源的风帆类似，基于上述原理，光也可以作为帆的动力源，采用光作为动力源，产生推动力的帆形结构即为光帆。
太空中由于没有空气带来的阻力，即使是光帆产生的这种极其微小的推动力，也能够几乎没有损耗地积累，且无需外加动力源或者借助燃料的化学能，可不断积少成多，为小型航天器提供十分可观的推动速度，因此光帆被认为是未来具有巨大应用潜力的推进技术。但是现有技术中的光帆存在自稳定性差，能量利用率不足等问题。
发明内容
为了克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供一种光帆构建方法及光帆。
第一方面，本申请实施例提供一种光帆构建方法，所述光帆构建方法用于构建光帆，所述光帆表面具有超构表面结构，所述超构表面结构由超构表面单元组成，所述方法包括：
基于以超构表面结构的几何中心点作为坐标原点的坐标系，确定表征所述超构表面结构各位置针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>，/>和/>共同构成目标相位分布；其中，/>和/>均可覆盖/>相位，且/>；
获取多个几何参数不同的备选超构表面单元针对入射的x方向偏振光和针对入射的y方向偏振光进行调控后的相位值；
根据各备选超构表面单元相位值，从所述备选超构表面单元选取符合所述目标相位分布的目标超构表面单元；
将所述目标超构表面单元组合构建成为光帆。
在一种可能的实现方式中，所述超构表面结构表现为透射式贝塞尔光束生成器，针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>还满足以下约束：
其中，为入射光的中心波长，/>为所述超构表面结构形成的贝塞尔光束的圆锥角。
在一种可能的实现方式中，所述所述确定表征所述超构表面结构各位置针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和针对入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>的步骤，包括：
针对不同的超构表面单元的几何参数，通过仿真软件计算与之对应相位分布仿真数据，得到各备选超构表面单元针对入射的x方向偏振光和对入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布。
在一种可能的实现方式中，所述超构表面单元由多个介质纳米柱构成的阵列结构组成；所述超构表面的几何参数包括介质纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H、以及超构表面单元结构的周期P中的一种或多种。
在一种可能的实现方式中，所述介质纳米柱种类为n种，其中n为超构表面单元结构的阶数，n种介质纳米柱结构之间相位差为，/>满足/>。
第二方面，本申请实施例还提供一种光帆，所述光帆表面具有超构表面结构，所述超构表面结构由超构表面单元组成；
基于以超构表面结构的几何中心点作为坐标原点的坐标系，所述超构表面结构各位置针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>满足以下约束：
其中，和/>均可覆盖/>相位。
在一种可能的实现方式中，所述超构表面结构表现为透射式贝塞尔光束生成器，所述超构表面结构针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>还满足以下约束：
其中，为入射光的中心波长，/>为所述超构表面结构形成的贝塞尔光束的圆锥角。
在一种可能的实现方式中，所述超构表面单元由多个介质纳米柱构成的阵列结构组成，所述介质纳米柱包括至少两种不同的长轴长度L、短轴长度W、高度H或超构表面单元结构的周期P。
在一种可能的实现方式中，所述介质纳米柱种类为n种，其中n为超构表面单元结构的阶数，n种介质纳米柱结构之间相位差为，/>满足/>。
在一种可能的实现方式中，所述介质纳米柱的材料包括硅、二氧化钛、氮化硅中的一种或多种。
相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：
本申请提供的一种光帆构建方法及光帆，将超构表面结构应用在光帆表面上，并通过设置超构表面单元的几何参数，调整其针对入射的x方向偏振光和入射的y方向偏振光相位分布，使光帆可以在不对超构表面进行分区的情况下实现自稳定推进，并可以有效提高光帆的能量利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的光帆构建方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的光帆旋转自稳定的示意图；
图3为本申请实施例提供的x偏振光入射时xz平面的电场分布；
图4为本申请实施例提供的y偏振光入射时xz平面的电场分布；
图5为本申请实施例提供的光帆偏心自稳定的示意图之一；
图6为本申请实施例提供的光帆偏心自稳定的示意图之二；
图7为本申请实施例提供的光帆翻转自稳定的示意图；
图8为本申请实施例提供的超构表面单元的示意图。
图标：110-介质纳米柱。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的不同特征之间可以相互结合。
经发明人研究发现，超构表面是一种厚度小于波长的人工层状材料，且具有强大的光场调控能力以及超薄平面特性。超构表面由二维平面化的亚波长结构组成，展现出对光波前振幅、相位、偏振等参量多样灵活的调控能力，因此，超构表面可以被应用于光帆中。但是现有超构表面方案在应用于光帆时，通常需要进行空间复用实现多自由度自稳定设计，使得能量利用率受限。
有鉴于此，本申请提供了一种光帆构建方法及光帆，可以在不对超构表面进行分区的情况下实现自稳定推进，并可以有效提高光帆的能量利用率。下面对本实施例提供的方案进行详细阐述。
请参照图1，图1示例本实施例提供的光帆构建方法的流程示意图，在本实施例中，所述方法可以包括下述的步骤S100至步骤S400所述的相关内容。
步骤S100，基于以超构表面结构的几何中心点作为坐标原点的坐标系，确定表征所述超构表面结构各位置针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>，/>和/>共同构成目标相位分布。
其中，和/>均可覆盖/>相位，且/>。
具体地，在本实施例中，所述超构表面结构各位置针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布与入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>之间的相位差为/>超构表面结构可以视为一个四分之一波片，光帆对于x方向偏振光可实现旋转自稳定、以及实现光帆在z轴上的旋转自稳定。且x方向偏振光与y方向偏振光为振动方向相互垂直、不等振幅和相干的线偏振光。
当入射偏振光的方向与超构表面的坐标方向一致，即超构表面相对入射偏振光方向的旋转角为0°时，若入射光为线偏振光，则出射光也为线偏振光。
当入射光为x方向偏振光时，琼斯矩阵计算如下：
x方向偏振光表示为：
X=
超构表面的x方向与x方向偏振光方向一致时，
P=
出射光为：
此时，出射光仍为x方向偏振光，光帆处于稳定状态。
当超构表面的x方向与x方向偏振光方向发生逆时针旋转45°时，
P=
出射光为：
此时，出射光为右旋圆偏振光(Right-handed Circularly Polarized Light，RCP)。右旋圆偏振光的方向为逆时针，根据动量守恒定理，出射光会对超构表面产生一个顺时针的力矩，超构表面受力将发生顺时针旋转，回到0°位置，从而实现光帆在z轴上的旋转自稳定。
值得说明的是，若将入射光束改变为y方向偏振光，也可以实现光帆在z轴上的旋转自稳定。
请参照图2，图2示例本申请的光帆旋转自稳定的示意图。当入射光为x方向偏振光时，若入射偏振光与超构表面的慢轴平行，则光帆处于稳定态。当光帆发生顺时针旋转时，x方向偏振光从衬底入射，此时，出射光中右旋圆偏振光的数量大于左旋圆偏振光的数量，光场会呈现正自旋角动量，根据动量守恒定理，出射光对光帆产生逆时针的力矩，使光帆旋转回到平衡位置。
步骤S200，获取多个几何参数不同的备选超构表面单元针对入射的x方向偏振光和对入射的y方向偏振光进行调控后的相位值。
在本实施中，可以通过改变超构表面单元的几何参数，得到备选超构表面单元针对入射的x方向偏振光和对入射的y方向偏振光进行调控后的相位值，并将得到的多个相位值建立仿真数据库，保存数据信息，便于后续的查找。
步骤S300，根据各备选超构表面单元相位值，从所述备选超构表面单元选取符合所述目标相位分布的目标超构表面单元；
在本实施例中，可以根据多个备选超构表面单元针对入射的x方向偏振光和对入射的y方向偏振光进行调控后的相位值，从所述备选超构表面单元中选取最符合所述目标相位的目标超构表面单元，所述目标相位分布与所述目标超构结构表面单元的相位分布尽可能相似。
步骤S400，将所述目标超构表面单元组合构建成为光帆。
基于上述设计，本申请实施例提供的光帆构建方法，调整超构表面结构中各位置对入射的x方向偏振光和对入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布，确定超构表面单元的几何参数，构建光帆，该构建方法能够使光帆在不对超构表面进行分区时实现自稳定推进，同时能够提高光帆的能量利用率。
在一种可能的实施方式中，所述超构表面结构表现为透射式贝塞尔光束生成器，请参照图3，当x偏振光入射时，可得到如图3所示的电场分布。请参照图4，当y偏振光入射时，可得到图4所示的电场分布。因此，设计的光帆对于x方向偏振光和y方向偏振光均可实现贝塞尔聚焦，且均可实现偏心自稳定及翻转自稳定。
具体地，所述超构表面结构针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布可为：
其中，λ为入射光的中心波长，β为贝塞尔光束的圆锥角，为超构表面结构当前位置到超构表面中心点的位置，x，y表示坐标位置。
由于，y方向偏振光入射时进行调控后的相位分布/>可为：
请参照图5，图5示例本申请的光帆偏心自稳定的示意图之一。当入射光为x方向偏振光时，光帆的超构表面可实现透射贝塞尔光束聚焦，此时，出射光的光束向中间位置聚焦，所述超构表面受到与光束聚焦方向相反的力F1L以及F1R。当x方向偏振光照射在光帆中间位置时，所述光帆受到的力F1L以及F1R在水平方向上的分力FP1L以及FP1R大小相等，方向相反，可保证所述光帆在水平方向上的稳定。
请参照图6，图6示例本申请的光帆偏心自稳定的示意图之二。若入射的x方向偏振光向左发生偏移，或光帆向右移动一定距离，未照射在光帆的中间位置时，所述光帆靠近该x方向偏振光的一侧的光强大于所述光帆远离该x方向偏振光的一侧，且所述光帆靠近该x方向偏振光的一侧受到的力F2L大于所述光帆远离该x方向偏振光的一侧受到的力F2R，此时，所述光帆受到的力在水平方向上的分力FP2L与FP2R大小不同，且分力FP2L大于分力FP2R，导致光帆整体向左移动，使入射的x方向偏振光能够照射在光帆的中间位置，从而实现光帆在x轴上的偏心自稳定。
请参照图7，图7示例本申请的光帆翻转自稳定的示意图。当入射光为x方向偏振光时，光帆可实现透射贝塞尔光束聚焦，此时，出射光的光束向光帆的中间位置聚焦，当光帆逆时针翻转角度，光束仍按照原来方向照射，左侧光帆光束的出射角/>大于右侧光帆光束的出射角/>。将产生的光力沿着光帆的法线方向分解，此时右侧的Fn3R大于左侧的Fn3L，所以此时光帆将顺时针转动，回到平衡位置，从而实现光帆在y轴上的翻转自稳定。
其中，和/>的数学关系如下：
其中，为正入射时，贝塞尔光束出射光线与法线的夹角。
在一种可能的实现方式中，在确定表征所述超构表面结构各位置针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和针对入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>时，针对不同的超构表面单元的几何参数，可以通过仿真软件计算与之对应相位分布仿真数据，得到各备选超构表面单元针对入射的x方向偏振光和对入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布。即，在本实施例中，可以预先通过仿真软件构建一数据库，该数据库包括在步骤S110所述的坐标系下，通过调整超构表面单元的几何参数所获得的备选超构表面针对入射的x方向偏振光和对入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布。示例性地，本申请实施例可以采用时域仿真法。
进一步地，请参照图8，所述超构表面单元由多个介质纳米柱110构成的阵列结构组成；所述超构表面的几何参数包括介质纳米柱110的长轴长度L、短轴长度W、高度H、以及超构表面单元结构的周期P中的一种或多种。
在本实施例中，通过改变不同位置上介质纳米柱的几何参数，可以改变超构表面在该位置上对入射的x方向偏振光和对入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布。
具体地，所述介质纳米柱110为各向异性亚波长结构，且多个所述介质纳米柱110的几何尺寸不同，方位角也不同。所述介质纳米柱110设置在基底上，该基底可以为圆形、四边形、六边形、八边形及十六边形，在此不作具体限定。
进一步地，所述介质纳米柱110的种类为n种，其中n为超构表面单元结构的阶数，n种介质纳米柱结构之间相位差为，且/>满足/>。
本申请实施例还提供了一种光帆，所述光帆表面具有超构表面结构，所述超构表面结构可以由超构表面单元组成。
基于以超构表面结构的几何中心点作为坐标原点的坐标系，所述超构表面结构各位置针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>满足以下约束：
其中，和/>均可覆盖/>相位。
在本实施例中，在制作光帆时，可以先在硅片衬底上制作介质层，然后在该介质层上旋涂电子束光刻胶，刻写设计好的图案并显影，最后可以采用反应离子束刻蚀工艺在该介质层中刻写超构表面图案，从而得到所需的超构表面结构。
在上述结构中，由于x、y两种方向的偏振光的相位相差，所以整体超构表面就构成了一个四分之一波片，从而可实现光帆的旋转自稳定。
进一步地，所述超构表面结构表现为透射式贝塞尔光束生成器，所述超构表面结构针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>还满足以下约束：
其中，为入射光的中心波长，/>为所述超构表面结构形成的贝塞尔光束的圆锥角。
在本实施例中，当x方向偏振光和y方向偏振光入射时，所述超构表面结构表现为透射式贝塞尔光束生成器，可以实现贝塞尔聚焦，从而使光帆实现偏心自稳定以及旋转自稳定。
进一步地，请参照图8，所述超构表面单元由多个介质纳米柱110构成的阵列结构组成，所述介质纳米柱110包括至少两种不同的长轴长度L、短轴长度W、高度H或超构表面单元结构的周期P。
在一种可能的实施方式中，所述介质纳米柱110设置在基底上，当该基底为四边形时，四边形基底的长度为Px，宽度为Py。示例性地，所述超构表面单元结构的周期P可以为Px=Py=420nm，所述介质纳米柱110的高度可以为H=600nm，此时，通过改变多个所述介质纳米柱110的旋转角度，就能形成超构表面结构，从而进一步应用于光帆。
进一步地，所述介质纳米柱110种类为n种，其中n为超构表面单元结构的阶数，n种介质纳米柱110结构之间的相位差为，/>满足/>。
进一步地，所述介质纳米柱110的材料可以包括硅、二氧化钛、氮化硅中的一种或多种。
具体地，所述介质纳米柱110的材料选择与入射光的波长有关，不同材料的介质纳米柱110的介电常数不同，折射率也因此不同。当入射光的波长不同时，不同材料的介质纳米柱110的电磁响应特性不同，在某个特定的波长下，介质纳米柱110的效率更高，然而，若波长发生改变，则效率会明显降低。因此，对介质纳米柱110材料的选择应在选定入射光的波长之后，并结合电磁仿真得到。
综上所述，本申请实施例提供的一种光帆构建方法及光帆，将超构表面结构应用在光帆表面上，根据超构表面结构针对入射的x方向偏振光以及y方向偏振光进行调控后的相位分布，得到目标相位分布，在与多个不同的超构表面单元的几何参数对应的备选超构表面单元的相位分布中查找目标相位分布，并通过目标相位分布确定对应的目标超构表面单元，从而构建光帆。通过上述构建方法，光帆可以在不对超构表面进行分区的情况下实现自稳定推进，并能够有效提高能量利用率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光帆构建方法，其特征在于，所述光帆构建方法用于构建光帆，所述光帆表面具有超构表面结构，所述超构表面结构由超构表面单元组成，所述方法包括：
基于以超构表面结构的几何中心点作为坐标原点的坐标系，确定表征所述超构表面结构各位置针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和针对入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>，/>和/>共同构成目标相位分布；其中，/>和/>均可覆盖/>相位，且/>；
获取多个几何参数不同的备选超构表面单元针对入射的x方向偏振光和入射的y方向偏振光进行调控后的相位值；
根据各备选超构表面单元相位值，从所述备选超构表面单元选取符合所述目标相位分布的目标超构表面单元；
将所述目标超构表面单元组合构建成为光帆。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超构表面结构表现为透射式贝塞尔光束生成器，针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>还满足以下约束：
其中，为入射光的中心波长，/>为所述超构表面结构形成的贝塞尔光束的圆锥角。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定表征所述超构表面结构各位置针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和针对入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>的步骤，包括：
针对不同的超构表面单元的几何参数，通过仿真软件计算与之对应相位分布仿真数据，得到各备选超构表面单元针对入射的x方向偏振光和对入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超构表面单元由多个介质纳米柱构成的阵列结构组成；所述超构表面的几何参数包括介质纳米柱的长轴长度L、短轴长度W、高度H、以及超构表面单元结构的周期P中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述介质纳米柱种类为n种，其中n为超构表面单元结构的阶数，n种介质纳米柱结构之间相位差为，/>满足/>。
6.一种光帆，其特征在于，所述光帆表面具有超构表面结构，所述超构表面结构由超构表面单元组成；
基于以超构表面结构的几何中心点作为坐标原点的坐标系，所述超构表面结构各位置针对入射的x方向偏振光进行调控后的相位分布和入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>满足以下约束：
其中，和/>均可覆盖/>相位。
7.根据权利要求6所述的光帆，其特征在于，所述超构表面结构表现为透射式贝塞尔光束生成器，所述超构表面结构针对入射的x方向偏振光的进行调控后的相位分布和入射的y方向偏振光进行调控后的相位分布/>还满足以下约束：
其中，为入射光的中心波长，/>为所述超构表面结构形成的贝塞尔光束的圆锥角。
8.根据权利要求6所述的光帆，其特征在于，所述超构表面单元由多个介质纳米柱构成的阵列结构组成，所述介质纳米柱包括至少两种不同的长轴长度L、短轴长度W、高度H或超构表面单元结构的周期P。
9.根据权利要求8所述的光帆，其特征在于，所述介质纳米柱种类为n种，其中n为超构表面单元结构的阶数，n种介质纳米柱结构之间相位差为，/>满足/>。
10.根据权利要求8所述的光帆，其特征在于，所述介质纳米柱的材料包括硅、二氧化钛、氮化硅中的一种或多种。
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