CN116720420A - 超表面的光束调控方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及波长调控技术领域，尤其涉及一种超表面的光束调控方法及装置，该方法包括：改变入射光的波长和/或改变超表面微结构的参数，不同波长的入射光通过不同超表面微结构形成不同的标准相位分布，入射光的波长与超表面微结构的参数形成对应关系，根据对应关系建立标准值数据库；通过优化算法对所需相位分布的加权误差进行优化，并确定不同波长入射光的实际相位分布；将实际相位分布与标准值数据库中的标准相位分布相匹配，确定所需的超表面微结构。本公开实现了宽波长光入射下的消色差光束聚焦、整形，并且利用该方法也可以实现不同波长入射下不同的光场调控效果，以及超表面透镜使用单层超表面微结构，降低结构的复杂性且可降低损耗。
Description
技术领域
本公开涉及波长调控技术领域，尤其涉及一种超表面的光束调控方法及装置。
背景技术
超表面是一种由二维周期性亚波长结构阵列组成的人工材料，具有高度灵活的光响应能力，通过设计合适的亚波长结构，能对实现对入射光的相位，振幅，偏振态进行任意控制，同时由于超表面器件具有体积小、系统简单、易于集成等特点，因此，超表面在平面透镜、全息、光束产生、光束整形、偏振器件等领域具有巨大的应用潜力。
当前，超表面已展示出了对多个光场参量进行同时调控的能力，如振幅+相位、偏振+相位、以及振幅+相位+偏振等多维度操控。
但是，由于超表面是利用衍射效应对光束进行调控，因此会产生较大的色差，以及导致了光场调控效果的降低，进而限制了超表面器件在宽波段光入射下的应用。
发明内容
为解决现有技术中存在的至少以上技术问题，本公开提供了一种超表面的光束调控方法及装置。
本公开一方面提供一种超表面的光束调控方法，光学系统包括光源、超表面透镜和图像传感器，所述光源用于发射光束，所述超表面装置包括基底和设于所述基底上的超表面微结构，所述图像传感器用于接收经过所述超表面装置的光；所述方法包括以下步骤：
S10：改变入射光的波长和/或改变超表面微结构的参数，不同波长的入射光通过不同超表面微结构形成不同的标准相位分布，入射光的波长与超表面微结构的参数形成对应关系，根据对应关系建立标准值数据库；
S20：通过优化算法对所需相位分布的加权误差进行优化，并确定不同波长入射光的实际相位分布；
S30：将所述实际相位分布与所述标准值数据库中的标准相位分布相匹配，确定所需的超表面微结构。
在一些实施例中，所述改变入射光的波长和/或改变超表面微结构的参数，不同波长的入射光通过不同超表面微结构形成不同的标准相位分布的方法包括：利用优化算法，得到通过不同超表面微结构形成不同的标准相位分布，所述优化算法包括拓扑优化和/或卷积神经网络。
在一些实施例中，所述超表面微结构的形状为纳米柱或纳米孔，所述改变超表面微结构的方法包括：改变所述超表面微结构的形状、尺寸和/或排布。
在一些实施例中，所述通过优化算法对所需相位分布的加权误差进行优化，并确定不同波长入射光的实际相位分布的方法包括：根据带宽内多个特定波长的相位分布，添加一个与入射波长相关的常数/>，其相位分布形式为：
其中，式中为超表面透镜的极坐标半径值，/>为超表面透镜的焦距，/>为第/>个入射波长；
利用优化算法对进行优化，其中目标函数写作：
其中，式中为波长/>入射下，半径/>处所需的相位，/>则为标准值数据库中实际可为该位置提供的相位分布。
在一些实施例中，所述通过优化算法对所需相位分布的加权误差进行优化，并确定不同波长入射光的实际相位分布的方法包括：根据需形成的光场，利用相位恢复算法得到超表面所需的相位分布，同时添加与入射波长相关的常数/>与加权系数/>；
利用优化算法对及/>进行优化，其中目标函数写作：
其中，式中为波长/>入射下，半径/>处所需的相位，/>则为标准值数据库中实际可为该位置提供的相位分布。
在一些实施例中，所述根据需形成的光场，利用相位恢复算法得到超表面所需的相位分布的方法包括：利用GS算法或杨顾算法得到超表面所需的相位分布。
在一些实施例中，利用优化算法对进行优化或利用优化算法对/>及/>进行优化的步骤中，所述优化算法包括：粒子群算法、遗传算法或模拟退火算法。
在一些实施例中，所述将所述实际相位分布与所述标准值数据库中的标准相位分布相匹配，确定所需的超表面微结构的方法包括：所述标准值数据库中的多个所述标准相位分布与所述实际相位分布进行对比，其中，确定与所述实际相位分布的相位差值绝对值最小的所述标准相位分布所对应的所述超表面微结构为所需的所述超表面微结构。
本公开另一方面提供一种超表面的光束调控装置，包括光源、超表面透镜和图像传感器，所述光源用于发射光束，所述超表面装置包括基底和设于所述基底上的超表面微结构，所述图像传感器用于接收经过所述超表面透镜的光；所述超表面微结构基于上述超表面的光束调控方法确定。
在一些实施例中，所述超表面透镜包括多个阵列布置的所述超表面微结构，所述超表面透镜的相位变化范围为0至2π。
本公开提供的一种超表面的光束调控方法及装置，构建出各个波长入射光对应的实际相位分布，并且采用优化方法对超表面微结构进行设计，使其能在特定波长入射下，满足所需的相位分布。本公开技术方案，通过对微结构在不同波长下相位分布的合理设计，结合对目标相位分布的优化，实现了宽波长光入射下的消色差光束聚焦、整形，并且利用该方法也可以实现不同波长入射下不同的光场调控效果，以及超表面透镜使用单层超表面微结构，降低结构的复杂性且可降低损耗。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，其中：
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
图1为本公开实施例提供的超表面的光束调控方法的流程框图；
图2为本公开实施例中多波长消色差超表面透镜的结构示意图；
图3为本公开实施例中超表面微结构的结构示意图；
图4为本公开实施例中相位延迟与结构参数变化的示意图；
图5为本公开实施例中不同波长入射下轴向光场强度分布示意图；
图6为本公开实施例中多波长光场调控超表面透镜的结构示意图；
图7为本公开实施例中不同波长光场所需的相位面示意图；
图8为本公开实施例中不同波长入射光经过超表面透镜后光强分布示意图。
图中：
1：光源；2：超表面透镜；21：基底；22：超表面微结构；3：图像传感器。
具体实施方式
为使本公开的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而非全部实施例。基于本公开中的实施例，本领域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，都属于本公开保护的范围。
本公开实施例中提供了一种超表面的光束调控装置，包括光源、超表面透镜和图像传感器，所述光源用于发射光束，超表面装置包括基底和设于基底上的超表面微结构，图像传感器用于接收经过超表面透镜的光；超表面微结构基于上述超表面的光束调控方法确定。其中，该超表面光束调控方法的具体内容参考后文描述。
本公开实施例中，超表面透镜位于光源下游，其中，超表面透镜包括基底和超表面微结构，超表面微结构的相位设计能够实现对不同波长入射光的调控功能。例如，基底包括多个阵列设置的超表面微结构阵列组成，可通过改变超表面微结构的种类、尺寸和排布来改变超表面透镜的相位分布，其相位变化范围在0-2π内。
也即，在构建标准值数据库时，在相位变化范围内，需要记载不同的超表面微结构与不同的入射光波长间的组合形式。
例如，光源可以为发光二极管、超连续激光器、卤素灯等，或者也可以为其他光源。本公开实施例中，光源满足使用需求，以及不同波长的入射光的输入需求即可，不对其具体的光源种类进行限定。
例如，本公开实施例中，超表面透镜的基底可以为二氧化硅、氟化钙或氧化铝等材料；超表面微结构的材料可以为非晶硅、多晶硅、氮化硅、二氧化钛、氮化镓或硫系化合物等材料。
或者，例如，本公开实施例中，超表面微结构形状可为纳米柱或纳米孔，包括但不限于纳米圆柱、纳米十字柱、纳米圆孔、纳米十字孔、或者利用优化方式得到具有特定形状的其他微纳结构，其中，微纳结构的排布方式可为四方排布或六方排布等。
本公开实施例中，通过改变超表面微结构的种类（形状）、尺寸和排布来改变超表面透镜的相位分布。以纳米圆柱为例，例如，改变种类（形状）包括将纳米圆柱改变为纳米十字柱，改变尺寸包括改变纳米圆柱的高度和/或直径，改变排布包括改变纳米圆柱的排出方式。
例如，本公开实施例中，图像传感器可以为电荷耦合器件图像传感器（CCD，ChargeCoupled Device）、CMOS图像传感器或者光屏等。
以下，结合附图对本公开实施例提供的超表面的光束调控方法进行说明。
如图1所示，本公开实施例提供一种超表面的光束调控方法，方法包括以下步骤：
S10：改变入射光的波长和/或改变超表面微结构的参数，不同波长的入射光通过不同超表面微结构形成不同的标准相位分布，入射光的波长与超表面微结构的参数形成对应关系，根据对应关系建立标准值数据库；
具体的，利用优化算法，得到通过不同超表面微结构形成不同的标准相位分布，优化算法包括拓扑优化和/或卷积神经网络；以及，改变超表面微结构包括改变超表面微结构的形状、尺寸和/或排布。
例如，建立标准值数据库包括每一种波长，对应一种超表面微结构的形状、尺寸和排布，该超表面微结构至少包括三个变量，可通过改变其中的一个、两个或三个变量，来改变该波长的相位分布；以及改变入射光的波长，其中，入射光的波长可在设定范围内，改变量也可为设定值或设定范围值，最终得到不同波长入射光的相位分布不同超表面微结构的对应关系。
S20：通过优化算法对所需相位分布的加权误差进行优化，并确定不同波长入射光的实际相位分布。
其中，利用优化算法对进行优化或利用优化算法对/>及/>进行优化，例如，优化算法包括：粒子群算法、遗传算法或模拟退火算法等算法。以及，根据设定的优化目标函数，确定不同波长入射光的实际相位分布。具体的方法，参考后文描述。
S30：将实际相位分布与标准值数据库中的标准相位分布相匹配，确定所需的超表面微结构。在入射光的波长确定的情况下，将实际相位分布与不同超表面微结构的相位分布进行对比，根据设定的确定规则，确定所需的超表面微结构。
例如，标准值数据库中的多个标准相位分布与实际相位分布进行对比，其中，确定与实际相位分布的相位差值绝对值最小的标准相位分布所对应的超表面微结构为所需的超表面微结构。
基于本公开实施例提供的超表面的光束调控方法，可完成消色差光束调控及多波长光束调控。以下结合附图，对上述两种调控方法进行说明。
本公开实施例提供了一种消色差光束调控器件的设计方法，其结构如图2所示，包括光源1、超表面透镜2和图像传感器3，光源1出射宽波段范围内各个波长的平行光经过超表面透镜2后，会被汇聚至空间同一位置，其中，调控器件的设计，主要在于调控超表面透镜2，即如何确定超表面透镜2的超表面微结构22，该方法如下：
如图3所示，为本公开实施例中超表面透镜的结构示意图，超表面透镜2包括基底21和超表面微结构22，通过改变超表面微结构22的尺寸、形状或排布，得到不同波长入射下相位分布与不同超表面微结构22所对应的标准值数据库，该过程可利用优化算法完成，例如，优化方法包括但不限于拓扑优化、卷积神经网络等。
如图4所示，展示了其中一部分超表面微结构在不同波长下的相位响应曲线，图中示出了不同的超表面微结构在改变入射波长（分别为、/>和/>）的情况下可产生不同的相位延迟组合。
根据带宽内多个特定波长的相位分布/>，添加一个与入射波长相关的常数/>，其中的一种相位分布形式为：
式中，为透镜的极坐标半径值，/>为透镜的焦距，/>为第/>个入射波长；利用优化算法对常数/>进行优化，优化算法包括但不限于粒子群算法，遗传算法，模拟退火算法等，其中，一种优化目标函数可写作：
式中为波长/>入射下，半径/>处所需的相位，/>则为超表面微结构实际可为该位置提供的相位分布；通过上述优化得到的常数/>，可以构建出各入射波长实际的相位分布。
根据上述得到的标准值数据库中的标准相位分布，将实际的相位分布与超表面微结构的标准相位分布相匹配对比，其中，确定与实际相位分布的相位差值绝对值最小的标准相位分布所对应的超表面微结构为所需的超表面微结构。
基于上述方法，将超表面透镜各处的超表面微结构的相位进行匹配，从而实现对多个波长的消色差聚焦。如图5所示，以入射波长为850nm、940nm、1064nm为例，改良后的超表面透镜具有一致的焦距，可达到消色差光束调控目的。
本公开实施例提供了一种多波长光束调控器件的设计方法，如图6所示，其结构包括光源、超表面透镜和图像传感器，光源出射的不同波长的入射光照射至超表面透镜，其透射光会形成不同的光场强度分布，其中，调控器件的设计，主要在于调控超表面透镜，即如何确定超表面透镜的超表面微结构，该方法如下：
超表面透镜2包括基底21和超表面微结构22，通过改变超表面微结构22的尺寸、形状或排布，得到不同波长入射下相位分布与超表面微结构所对应的标准值数据库，该过程可利用优化算法完成，例如，优化方法包括但不限于拓扑优化、卷积神经网络等。具体的，超表面透镜的结构与图3所示的结构相同。
根据需形成的光场，利用相位恢复算法，例如，算法包括但不限于GS算法、杨顾算法等得到超表面透镜所需的相位分布，同时添加与入射波长相关的常数/>与加权系数/>，图7所示，展示了不同的超表面微结构在改变入射波长的三种相位。
利用优化算法对常数及加权系数/>进行优化，优化算法包括但不限于粒子群算法，遗传算法，模拟退火算法等，其中一种优化目标函数可写作：
式中为波长/>入射下，半径/>处所需的相位，/>则为参数库中实际可为该位置提供的相位值；通过上述优化得到的常数/>和加权系数/>，可以构建出各入射波长实际的相位分布。
根据上述得到的标准值数据库中的标准相位分布，将实际的相位分布与超表面微结构标准相位分布的相位相匹配对比，其中，确定与实际相位分布的相位差值绝对值最小的标准相位分布所对应的超表面微结构为所需的超表面微结构。
基于上述方法，将超表面透镜各处的超表面微结构的相位进行匹配，从而实现多波长的光场强度调控。如图8所示，图8给出了不同波长入射光经过超表面透镜后光强分布示意图，在850nm、940nm、1064nm波长入射下，超表面透镜具有不同的出射光场的空间分布。
本公开提供的一种超表面的光束调控方法及装置，构建出各个波长出射光对应的实际相位分布，并且采用优化方法对超表面微结构进行设计，使其能在特定波长入射下，满足所需的相位分布。本公开技术方案，通过对微结构在不同波长下相位分布的合理设计，结合对目标相位分布的优化，实现了宽波长光入射下的消色差光束聚焦、整形，并且利用该方法也可以实现不同波长入射下不同的光场调控效果，以及超表面透镜使用单层超表面微结构，降低结构的复杂性且可降低损耗。尤其适用于多个波长的消色差聚焦或多波长的光场强度调控使用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种超表面的光束调控方法，其特征在于，光学系统包括光源、超表面透镜和图像传感器，所述光源用于发射光束，所述超表面装置包括基底和设于所述基底上的超表面微结构，所述图像传感器用于接收经过所述超表面装置的光；
所述方法包括以下步骤：
S10：改变入射光的波长和/或改变超表面微结构的参数，不同波长的入射光通过不同超表面微结构形成不同的标准相位分布，入射光的波长与超表面微结构的参数形成对应关系，根据对应关系建立标准值数据库；
S20：通过优化算法对所需相位分布的加权误差进行优化，并确定不同波长入射光的实际相位分布；
S30：将所述实际相位分布与所述标准值数据库中的标准相位分布相匹配，确定所需的超表面微结构。
2.根据权利要求1所述的超表面的光束调控方法，其特征在于，所述改变入射光的波长和/或改变超表面微结构的参数，不同波长的入射光通过不同超表面微结构形成不同的标准相位分布的方法包括：
利用优化算法，得到通过不同超表面微结构形成不同的标准相位分布，所述优化算法包括拓扑优化和/或卷积神经网络。
3.根据权利要求1所述的超表面的光束调控方法，其特征在于，所述超表面微结构的形状为纳米柱或纳米孔，所述改变超表面微结构的方法包括：
改变所述超表面微结构的形状、尺寸和/或排布。
4.根据权利要求1所述的超表面的光束调控方法，其特征在于，所述通过优化算法对所需相位分布的加权误差进行优化，并确定不同波长入射光的实际相位分布的方法包括：
根据带宽内多个特定波长的相位分布，添加一个与入射波长相关的常数，其相位分布形式为：
其中，式中为超表面透镜的极坐标半径值，/>为超表面透镜的焦距，/>为第/>个入射波长；
利用优化算法对进行优化，其中目标函数写作：/>
其中，式中为波长/>入射下，半径/>处所需的相位，/>则为标准值数据库中实际可为该位置提供的相位分布。
5.根据权利要求1所述的超表面的光束调控方法，其特征在于，所述通过优化算法对所需相位分布的加权误差进行优化，并确定不同波长入射光的实际相位分布的方法包括：
根据需形成的光场，利用相位恢复算法得到超表面所需的相位分布，同时添加与入射波长相关的常数/>与加权系数/>；
利用优化算法对及/>进行优化，其中目标函数写作：
其中，式中为波长/>入射下，半径/>处所需的相位，/>则为标准值数据库中实际可为该位置提供的相位分布。
6.根据权利要求5所述的超表面的光束调控方法，其特征在于，所述根据需形成的光场，利用相位恢复算法得到超表面所需的相位分布的方法包括：
利用GS算法或杨顾算法得到超表面所需的相位分布。
7.根据权利要求4或5所述的超表面的光束调控方法，其特征在于，利用优化算法对进行优化或利用优化算法对/>及/>进行优化的步骤中，所述优化算法包括：粒子群算法、遗传算法或模拟退火算法。
8.根据权利要求1所述的超表面的光束调控方法，其特征在于，所述将所述实际相位分布与所述标准值数据库中的标准相位分布相匹配，确定所需的超表面微结构的方法包括：
所述标准值数据库中的多个所述标准相位分布与所述实际相位分布进行对比，其中，确定与所述实际相位分布的相位差值绝对值最小的所述标准相位分布所对应的所述超表面微结构为所需的所述超表面微结构。
9.一种超表面的光束调控装置，其特征在于，包括光源、超表面透镜和图像传感器，所述光源用于发射光束，所述超表面装置包括基底和设于所述基底上的超表面微结构，所述图像传感器用于接收经过所述超表面透镜的光；
所述超表面微结构基于权利要求1所述的超表面的光束调控方法确定。
10.根据权利要求9所述的超表面的光束调控装置，其特征在于，所述超表面透镜包括多个阵列布置的所述超表面微结构，所述超表面透镜的相位变化范围为0至2π。
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