CN116774322A - 一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件，涉及超表面的太赫兹波操控研究技术领域，包括超表面器件、两个不同结构的超单元和双通道，两个不同结构的超单元集成到超表面器件，两个不同结构的超单元包括自旋解耦合结构和各向同性结构，双通道包括同极化通道和交叉极化通道。本发明利用超单元对光场双通道的调控作用，使两个通道在不同的偏振态入射时同时产生两束携带相反角量子数的圆偏振涡旋不同焦点的聚焦光束，在不同入射偏振状态间引入一个附加相位差，在不同焦平面上得到不同初始偏振角度的矢量光束，实现超表面器件在不同偏振通道中标量‑矢量光束、矢量标量光束、矢量‑矢量光束的空间切换。
Description
技术领域
本发明涉及超表面的太赫兹波操控研究技术领域，尤其是涉及一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件。
背景技术
超表面是一种新型的平面化光学器件，它是由特殊结构的微纳米元件构成，与传统光学器件相比，超表面能够实现对光场进行定制化调控，包括对光的波长、振幅、相位和极化的精确控制。近年来，人们利用其在光场调控方面的能力，开发出了各种功能的光子学器件，如透镜、波片、全息发生器、多路复用器、偏振转换器等。然而，以上这些成果多数都是集中于实现光波的横向操纵，即垂直于传播方向的平面进行调制，如焦平面等。想要实现更高时空维度的光场调控，拓展其在光学全息、消色差透镜、多维度微粒操控等更多领域的应用，还需研究超表面在光场纵向维度的调控，即对沿光传播方向电磁特性的调控。
传统的光场纵向调控方案通常包含偏振器、波片、空间光调制器等光学器件，需要将这些器件进行级联以搭建复杂的光路。最初，2012年Chremmos等人通过对输入波前进行相位调制，使得从输入平面发出的光线束在远场形成沿着预先指定的轨迹传输的类贝塞尔光束；2015年Ignacio Moreno等人通过在两个正交极化分量之间增加额外的相位延迟，从首次实现光束在纵向具有定制的偏振分布；2016年Shiyao Fu、ShikunZhang等人利用双空间调制器实现矢量贝塞尔光束的叠加以生成纵向演化的矢量光场。这些前期工作为光束纵向特性设计提供了丰富的理论支撑及实现方案参考，然而这些方案在光学调制效率、系统集成度及调制精度等方面是极其有限的。
2022年Jie Li等提出了一种可以沿传播方向操纵超表面结构矢量光场的新方法，实现同时控制轴向和径向电场分量，并在太赫兹波段进行实验证明，为超表面光学产生矢量光束提供了新的思路；同年Fei Zhang等人设计的超表面实现了对横向和纵向光场的同时调控，将偏振光学从二维空间扩展到三维空间。然而，目前这些研究都是聚焦于通过单通道对光场进行调控，关于超表面纵向双通道或多通道调控的研究还未报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件，利用两个不同结构的超单元对光场双通道的调控作用，使两个通道在不同的偏振态入射时同时产生两束携带相反角量子数的圆偏振涡旋不同焦点的聚焦光束，在不同入射偏振状态间引入一个附加相位差，在不同焦平面上得到不同初始偏振角度的矢量光束，实现超表面器件在不同偏振通道中标量-矢量光束、矢量标量光束、矢量-矢量光束的空间切换。
为实现上述目的，本发明提供了一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件，包括超表面器件、两个不同结构的超单元和双通道，所述两个不同结构的超单元集成在所述超表面器件上，所述两个不同结构的超单元包括自旋解耦合结构和各向同性结构，所述双通道包括同极化通道和交叉极化通道。
优选的，所述超表面器件在不同偏振通道中实现标量-矢量光束、矢量标量光束、矢量-矢量光束的空间切换，包括以下步骤：
步骤一：两个通道在不同的偏振态入射时，同时产生两束携带相反角量子数的不同焦点的圆偏振涡旋聚焦光束；
步骤二：在不同入射偏振状态之间引入一个附加相位差在不同焦平面上得到不同初始偏振角度的矢量光束；
步骤三：交叉极化分量通过各向异性结构控制，改变结构大小和旋转结构的方向，交叉极化分量中引入传播相位和几何相位；
步骤四：同极化分量仅通过改变各向同性结构的大小引入的传播相位控制；
步骤五：在两个通道中引入对应的空间相位分布函数。
优选的，通过琼斯矩阵探究其物理机制，用通用理论模型分析提出的自旋解耦合结构和各向同性结构；
一个超单元的线性传输琼斯矩阵表示
其中txx表示电场沿x轴方向传播的透射系数，tyy表示电场沿y轴方向传播的透射系数，Txx和Tyy分别表示电场沿x和y轴方向传播的振幅，/>和/>分别表示电场沿x和y轴方向传播的相位；
超单元的透射振幅Txx＝Tyy＝1时，超单元结构旋转角为θ，超表面的线性琼斯矩阵表示为公式(1)：
J(θ)＝M(θ)T×T×M(θ) (1)
其中是旋转矩阵，传输电场的线性极化琼斯矩阵表示为公式(2)：
其中，表示左旋偏振光LCP琼斯矩阵,/>表示右旋偏振光RCP琼斯矩阵，入射波为/>
优选的，引入了几何相位因子e±i2θ，自旋解耦合结构通过改变各向异性超单元结构的尺寸，使得自旋解耦合结构传播相位差消除自旋解耦合结构透射场中的同极化分量，Ein入射时自旋解耦合结构透射场Ecross表示为公式(3)：
其中Jcross(θ)表示自旋解耦合结构传输琼斯矩阵，TLR表示LCP透射场的振幅，TRL表示RCP透射场的振幅，表示LCP透射场的相位，/>表示RCP透射场的相，TLR、TRL、/>和/>的下标中第一位均表示入射场极化状态，TLR、TRL、/>和/>的下标中第二位均表示透射场极化状态。
优选的，结合传播相位和几何相位得到超表面各向异性超单元的设计原则，如公式(4)所示，
优选的，设计各向同性结构，对x方向的相位延迟和对y方向的相位延迟相等，透射场只包含同极化分量，得到各向同性结构的设计原则为:/>其中φLL和φRR表示透射场的相位。
因此，本发明采用上述一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件，具备以下有益效果：
(1)本发明利用两个不同结构的超单元对光场双通道的调控作用，使两个通道在不同的偏振态入射时同时产生两束携带相反角量子数的圆偏振涡旋不同焦点的聚焦光束，在不同入射偏振状态间引入一个附加相位差，在不同焦平面上得到不同初始偏振角度的矢量光束，实现超表面器件在不同偏振通道中标量-矢量光束、矢量标量光束、矢量-矢量光束的空间切换。
(2)本发明交叉极化分量通过各向异性结构来控制，改变结构大小和旋转结构的方向。
(3)本发明在两个通道中引入对应的空间相位分布函数，达到期望的操纵目的。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明自旋解耦合结构和各向同性结构在RCP和LCP入射下输出情况示意图；
图2是本发明超表面两种偏振结构的构建图；
图3是本发明同极化通道和交叉极化通道的相位分布和透射场电场强度分布图；
图4是实施例四的示意图；
图5是实施例五中沿x轴LP光束入射，透射电场强度分布的仿真和实验结果图；
图6是实施例五中LCP/RCP入射时Ez电场强度与相位分布图。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其它要素的可能。术语“内”、“外”、“上”、“下”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“附着”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供了一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件，包括超表面器件、两个不同结构的超单元和双通道，两个不同结构的超单元集成在超表面器件上，两个不同结构的超单元包括自旋解耦合结构和各向同性结构，双通道包括同极化通道和交叉极化通道。
超表面器件在不同偏振通道中实现标量-矢量光束、矢量标量光束、矢量-矢量光束的空间切换，包括以下步骤：
步骤一：两个通道在不同的偏振态入射时，同时产生两束携带相反角量子数的不同焦点的圆偏振涡旋聚焦光束；
步骤二：在不同入射偏振状态之间引入一个附加相位差在不同焦平面上得到不同初始偏振角度的矢量光束；
步骤三：交叉极化分量通过各向异性结构控制，改变结构大小和旋转结构的方向，交叉极化分量中引入传播相位和几何相位；
步骤四：同极化分量仅通过改变各向同性结构的大小引入的传播相位控制；
步骤五：在两个通道中引入对应的空间相位分布函数
通过琼斯矩阵探究其物理机制，用通用理论模型分析提出的自旋解耦合结构和各向同性结构；
一个超单元的线性传输琼斯矩阵表示
其中txx表示电场沿x轴方向传播的透射系数，tyy表示电场沿y轴方向传播的透射系数，Txx和Tyy分别表示电场沿x和y轴方向传播的振幅，/>和/>分别表示电场沿x和y轴方向传播的相位；
超单元的透射振幅Txx＝Tyy＝1时，超单元结构旋转角为θ，超表面的线性琼斯矩阵表示为公式(1)：
J(θ)＝M(θ)T×T×M(θ) (1)
其中是旋转矩阵，传输电场的线性极化琼斯矩阵表示为公式(2)：
其中，表示左旋偏振光LCP琼斯矩阵,/>表示右旋偏振光RCP琼斯矩阵，入射波为/>
引入了几何相位因子e±i2θ，自旋解耦合结构通过改变各向异性超单元结构的尺寸，使得自旋解耦合结构传播相位差消除自旋解耦合结构透射场中的同极化分量，Ein入射时自旋解耦合结构透射场Ecross表示为公式(3)：
其中Jcross(θ)表示自旋解耦合结构传输琼斯矩阵，TLR表示LCP透射场的振幅，TRL表示RCP透射场的振幅，表示LCP透射场的相位，/>表示RCP透射场的相，TLR、TRL、/>和/>的下标中第一位均表示入射场极化状态，TLR、TRL、/>和/>的下标中第二位均表示透射场极化状态。
结合传播相位和几何相位得到超表面各向异性超单元的设计原则，如公式(4)所示，
设计各向同性结构，对x方向的相位延迟和对y方向的相位延迟相等，透射场只包含同极化分量，得到各向同性结构的设计原则为/>其中φLL和φRR表示透射场的相位
实施例一
在同一个全硅超表面上设计了两种交织分布的结构图，如图2中(a)所示，图2中(b)为自旋解耦合结构，由两个垂直的长方体和基底组成，宽度相同为D＝40μm，不同的结构的边长不同，用dx和dy表示，周期P＝140μm；图2中(c)为各向同性结构，由不同半径dr的圆柱体和基底组成，两种结构的柱高T＝200μm，基底厚度H＝40μm。使用CST微波工作室的时域求解器的扫描功能，对自旋解耦合结构的dx和dy从40到136μm，同极化结构的dr从20-136μm进行扫描，在模拟结构中设定硅的介电常数为11.9，没有光学损耗，得到两种结构不同的振幅和沿x轴和y轴方向的传播相位，为实现对入射光场相位进行全面调控，选择扫描结果中符合要求的结构分别组成了两种结构的单元库，以实现0-2π全相位覆盖。
图2中(d)和(e)为自旋解耦合单元库所选15个结构的振幅与相位，图2中(f)表示各向同性结构单元库中8个结构的振幅与相位。
实施例二
对于自旋解耦合结构，选择了15个具有22.5°相位梯度的自旋解耦合结构组成单元库，各个结构的幅度和相位如图2中(d)和(e)所示用符号‘×’表示，在自旋解耦合结构控制的交叉极化中，设计了一个单焦点涡旋聚焦超透镜，在正交CP入射下，左旋圆偏振光入射时超表面会将入射光转换为角量子数为-1的轨道角动量OAM状态并聚焦到F1＝8mm，右旋圆偏振光入射时会转换为角量子数为-1的OAM模式并聚焦到F2＝5mm，根据螺旋相位板和光学凸透镜的累积光程分布，所设计的自旋解耦合结构的相位分布为公式(5):
其中λ为入射波波长、(X,Y)表示超单元结构在超表面的上的坐标位置；图3中(a)和(b)显示了由公式(5)计算得到的和/>在/>上增加一个附加相位ΔΦ＝π/2，使光束在两个焦平面合成两束起始偏振方向不同的矢量光束。再根据公式(4)，在超表面的不同超单元坐标位置选择满足条件的自旋解耦合结构就能组成自旋解耦合结构超表面结构。
实施例三
同极化结构，挑选8个具有45相位梯度的同极化结构，如图2中(f)所示，同极化通道要求同极化结构在正交CP入射下，将CP光转换为角量子数为+1的OAM模式并聚到F1＝8mm、F2＝5mm两个焦平面，所设计的相位分布为公式(6)，图3中(c)、(d)、(e)分别显示了公式(6)计算得到的
当两种结构交织分布于同一焦平面时，同极化通道在LCP或者RCP照射时会同时产生两束涡旋光束，根据涡旋光束相干合成法，其中一束涡旋光束会与同焦平面的交叉极化分量相干合成为矢量光束，而另一束涡旋光束会保留并聚焦到与矢量光束不同的焦平面。
对上述过程进行仿真模拟，当LCP光束照射超表面，经过同轴合束会在f2＝5mm焦平面产生偏振阶次为+1，初始偏振方向θ0＝0的矢量光束，图3中(f)和(g)分别为矢量光束x轴方向(Ex)和y轴方向电场强度(Ey)，图3中(n)为焦点位置电场的偏振方向，从图3中看出在仿真结果与理论结果符合。与此同时，还在f1＝7.55mm焦平面产生角量子数lL_co＝+1涡旋聚焦光束。图3中(h)和(i)分别展示了检测输出光束的左旋分量(EL)和右旋分量(ER)，当输入为LCP时，输出的只有EL没有ER，且电场强度是连续的，说明在该焦平面得到的是一个标量光场。
当RCP光束照射超表面，经过同轴合束会在焦平面f2经过同轴合束后产生偏振阶次为1，初始偏振方向θ0＝ΔΦ/2＝π/4的矢量光束，图3中(l)和(m)分别为此矢量光束的Ex和Ey；图3中(o)表示了焦点位置电场的偏振方向。与此同时，还会在焦平面f1会产生角量子数lR_co＝+1涡旋聚焦光束，图3中(j),(k)分别展示了检测输出光束的EL和ER，同样的，当输入为RCP时，输出的只有ER没有EL，说明在该焦平面得到的是一个标量光场。
实施例四
如图4所示，为了同时操控同极化通道和交错极化通道，采用标准的紫外光刻蚀技术和电感耦合等离子体刻蚀(ICP)技术，在一个全硅超表面上交织刻蚀两种结构，图4中(b)-(e)展示了样品的扫描电子显微镜(SEM)图。
通过引入图4中(f)所示的配备探针的近场扫描系统，当THz emitter发射1THz沿x轴的线性偏振光时，在焦平面f1和f2处的同极化通道和交叉极化通道的涡旋光束会相干合成两束不同的矢量光束，如图4中(a)所示，利用THz probe就可以获得焦点处的电场分布,LP表示长波通滤光片。
实施例五
如图5所示，使用沿x轴方向的LP光照射超表面时，会分别在f1、f2两个焦平面产生两束不同的矢量光束，如图5中(i)所示，对上述过程进行模拟仿真与实验验证，获得了不同焦点处Ex，Ey的电场强度分布。从仿真结果和实验结果的比较看出，除了制作误差照成的强度不均匀外，实验结果过和仿真结果基本一致。很明显在焦点f1处图5中(a)-(d)与f2处图5中(e)-(h)，Ex的强度发生了旋转，这是由于我们在交叉通道相位设计时，在相位中添加了一个与z坐标相关的相位差。
最后我们分析了所提出的超表面结构，在操纵透射电场沿z轴方向的电场分布(Ez)进行仿真验证在紧聚焦系统中，圆偏振光束会将入射的自旋角动量(SAM)部分转移到轨道角动量(OAM)上，并产生一个轴向的电场分布，而圆偏振汇聚光束会在Ez分量中表现出自旋-轨道耦合效应：
lz＝lT+σ
其中lZ表示纵向拓扑电荷，lT表示横向电场拓扑电荷，σ＝±1是自旋角动量。
通过前面的分析，在LCP入射的情况下，焦点f1处，同极化分量(lT＝+1,σ＝+1)和交叉极化分量(lT＝-1,σ＝-1)相干合矢量光束，在焦平面f1处观察到的Ez为lZ＝+2的同极化分量与lZ＝-2的交叉极化分量相互叠加。
图6中(a)和(b)展示该焦点处的Ez分量的电场强度分布和相位分布，同极化分量还会在f2焦点产生拓扑荷lT＝+1的左旋(σ＝+1)涡旋光束，在该焦平面处也会观测到Ez分量的拓扑荷lZ＝+2，其Ez分量的电场强度分布和相位分布如图6中(c)和(d)所示。
RCP入射的情况下，同极化分量还会在f1焦点产生拓扑荷lT＝+1的右旋(σ＝-1)涡旋光束，在该焦平面处Ez分量的拓扑荷lZ＝0，其Ez分量的电场强度分布和相位分布如图6中(e)和(f)所示。在焦点f2处，同极化分量(lT＝+1,σ＝-1)和交叉极化分量(lT＝-1,σ＝+1)在焦点相干合成矢量光束，在f2观察到EZ为lZ＝0同极化分量与交叉极化分量相互叠加，图中6(g)和(h)展示该焦点处的Ez分量的电场强度分布和相位分布。
因此，本发明采用上述一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件，利用两个不同结构的超单元对光场双通道的调控作用，使两个通道在不同的偏振态入射时同时产生两束携带相反角量子数的圆偏振涡旋不同焦点的聚焦光束，在不同入射偏振状态间引入一个附加相位差，在不同焦平面上得到不同初始偏振角度的矢量光束，实现超表面器件在不同偏振通道中标量-矢量光束、矢量标量光束、矢量-矢量光束的空间切换。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件，其特征在于：包括超表面器件、两个不同结构的超单元和双通道，所述两个不同结构的超单元集成在所述超表面器件上，所述两个不同结构的超单元包括自旋解耦合结构和各向同性结构，所述双通道包括同极化通道和交叉极化通道。
2.根据权利要求1所述的一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件，其特征在于：所述超表面器件在不同偏振通道中实现标量-矢量光束、矢量标量光束、矢量-矢量光束的空间切换，包括以下步骤：
步骤一：两个通道在不同的偏振态入射时，同时产生两束携带相反角量子数的不同焦点的圆偏振涡旋聚焦光束；
步骤二：在不同入射偏振状态之间引入一个附加相位差在不同焦平面上得到不同初始偏振角度的矢量光束；
步骤三：交叉极化分量通过各向异性结构控制，改变结构大小和旋转结构的方向，在交叉极化分量中引入传播相位和几何相位；
步骤四：同极化分量仅通过改变各向同性结构的大小引入的传播相位控制；
步骤五：在两个通道中引入对应的空间相位分布函数。
3.根据权利要求2所述的一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件，其特征在于：通过琼斯矩阵探究其物理机制，用通用理论模型分析提出的自旋解耦合结构和各向同性结构；
一个超单元的线性传输琼斯矩阵表示
其中txx表示电场沿x轴方向传播的透射系数，tyy表示电场沿y轴方向传播的透射系数，Txx和Tyy分别表示电场沿x和y轴方向传播的振幅，/>和/>分别表示电场沿x和y轴方向传播的相位；
超单元的透射振幅Txx＝Tyy＝1时，超单元结构旋转角为θ，超表面的线性琼斯矩阵表示为公式(1)：
J(θ)＝M(θ)T×T×M(θ)(1)
其中是旋转矩阵，传输电场的线性极化琼斯矩阵表示为公式(2)：
其中，表示左旋偏振光LCP琼斯矩阵,/>表示右旋偏振光RCP琼斯矩阵，入射波为/>
4.根据权利要求3所述的一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件，其特征在于：引入了几何相位因子e±i2θ，自旋解耦合结构通过改变各向异性超单元结构的尺寸，使得自旋解耦合结构传播相位差消除自旋解耦合结构透射场中的同极化分量，Ein入射时自旋解耦合结构透射场Ecross表示为公式(3)：
其中Jcross(θ)表示自旋解耦合结构传输琼斯矩阵，TLR表示LCP透射场的振幅，TRL表示RCP透射场的振幅，表示LCP透射场的相位，/>表示RCP透射场的相，TLR、TRL、/>和/>的下标中第一位均表示入射场极化状态，TLR、TRL、/>和/>的下标中第二位均表示透射场极化状态。
5.根据权利要求4所述的一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件，其特征在于：结合传播相位和几何相位得到超表面各向异性超单元的设计原则，如公式(4)所示，
6.根据权利要求5所述的一种赫兹矢量和标量光束双通道纵向切换超表面器件，其特征在于：设计各向同性结构，对x方向的相位延迟和对y方向的相位延迟相等，透射场只包含同极化分量，得到各向同性结构的设计原则为:/>其中φLL和φRR表示透射场的相位。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109459870A (zh) * | 2018-07-04 | 2019-03-12 | 北京理工大学 | 基于双折射介质超颖表面的多通道矢量全息偏振复用方法 |
| CN110794661A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-02-14 | 武汉大学 | 基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法 |
| WO2021196078A1 (zh) * | 2020-04-01 | 2021-10-07 | 深圳大学 | 光束偏振态的调控装置和方法 |
| CN113809546A (zh) * | 2021-10-12 | 2021-12-17 | 西安电子科技大学 | 基于各向异性全息超表面的柱面共形圆极化涡旋波天线 |
| CN114397717A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-26 | 东南大学 | 一种多维度双矢量光束聚焦的光学超表面 |
| CN114690435A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-07-01 | 南方科技大学 | 一种基于自旋解耦超表面波带片的矢量波束产生方法 |
-
2023
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109459870A (zh) * | 2018-07-04 | 2019-03-12 | 北京理工大学 | 基于双折射介质超颖表面的多通道矢量全息偏振复用方法 |
| CN110794661A (zh) * | 2019-11-22 | 2020-02-14 | 武汉大学 | 基于叠层超表面实现双通道纳米印刷和双通道全息的方法 |
| WO2021196078A1 (zh) * | 2020-04-01 | 2021-10-07 | 深圳大学 | 光束偏振态的调控装置和方法 |
| CN113809546A (zh) * | 2021-10-12 | 2021-12-17 | 西安电子科技大学 | 基于各向异性全息超表面的柱面共形圆极化涡旋波天线 |
| CN114397717A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-26 | 东南大学 | 一种多维度双矢量光束聚焦的光学超表面 |
| CN114690435A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-07-01 | 南方科技大学 | 一种基于自旋解耦超表面波带片的矢量波束产生方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 孙路通;王灵杰;王蔚松;刘铭鑫;: "基于单图像生成单元的双焦面头盔显示光学系统设计", 光学学报, no. 13, pages 168 - 173 * |
| 李渝;李鹏;吴东京;赵建林;: "离轴矢量光束的紧聚焦特性", 光子学报, no. 04, pages 109 - 119 * |
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