CN117490849A - 基于角向间隔阵列的复杂涡旋自聚焦光束的偏振检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于偏振检测技术领域，具体公开了一种基于角向间隔阵列的复杂涡旋自聚焦光束的偏振检测方法。用于对入射光束的偏振检测。通过将不同调控方式或实现不同目的的超表面单元以角向间隔的排列方式均匀地排列成圆盘或环状的超表面，基于所述超表面生成多模涡旋自聚焦光束，进一步得到涡旋自聚焦光束阵列，利用涡旋自聚焦光束阵列实现不同入射光束偏振态的检测。本发明在圆形阵列超表面中实现了阵列单元的复用，产生了多模涡旋自聚焦光束、涡旋自聚焦光束阵列，并利用涡旋自聚焦光束阵列实现对入射光束偏振态的检测。
Description
技术领域
本发明属于偏振检测技术领域，尤其涉及一种基于角向间隔阵列的复杂涡旋自聚焦光束的偏振检测方法。
背景技术
超表面是一种由大量人工排列的亚波长尺寸单元排列而成的二维超材料。它能够实现对通过其的光场的振幅、相位和偏振进行调控，从而重塑光场的波面以及偏振方向。超表面由于具有轻薄的尺寸和优越的光场调控能力，近十年受到学者的广泛关注。学者们基于超表面实现了涡旋光束产生器、超透镜、超全息和偏振检测器等。
超表面中不同几何形状的亚波长单元可以看作微型的光学谐振腔，通过激发局部等离子共振，从而引起散射场的延迟，导致光场通过表面的光场相位不再连续。这种相位不连续性可以根据广义斯涅尔定理来控制折射与反射。目前来说，学者利用几何相位超表面，基于倾斜相位或聚焦相位实现了对左旋、右旋偏振光束的检测；进一步地，有学者将几何相位与传播相位结合，利用区间阵列的方式排列超表面，实现了左旋偏振、右旋偏振、x线偏振、y线偏振、45°线偏振、135°线偏振光束的检测，也有学者使用多层超表面叠加的方式，实现对光束偏振的六个斯托克斯矢量分量进行了检测。
单元的排列方式将会影响超表面的性能。超表面中的阵列排布方式可以分为：矩形排布、六边形排布、螺旋阵列排布、圆形排布和随机排布。其中，随机排布方式是在矩形排布的基础上对超表面进行复用的一种方法，它与宏像素编码类似，将多个子阵列排布在一个超表面上，从而使用单个超表面产生了多功能调控，包括生成多模光束、多焦点聚焦超透镜、偏振检测等。二者的区别在于，宏像素编码是规律地将子阵列间隔地排布，而随机排布方式阵列打破了这种规律性。在实际应用中，具体的阵列排布方式会根据超表面的具体功能和工作频段等因素进行选择和优化。
Airy光束是一种具有无衍射、自弯曲、自愈合等特性的自加速光束，基于圆对称Airy光束可以生成自聚焦光束，该光束具有极强的聚焦特性，同时保留了自加速光束的特性。对于更为复杂的复合超表面光场调控，尤其对这样的圆对称光场调控来说，目前几乎没有见到一种较为灵活、高效的方案对超表面阵列进行排布，从而实现对如自聚焦光束这种圆对称光束的产生与调控，进一步地，可以利用超表面产生的复杂自聚焦光束实现对入射光场的偏振态进行检测，目前未见到这种方法的报道与相关文献。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于角向间隔阵列的复杂涡旋自聚焦光束的偏振检测方法，有效填补当前复杂光场在超表面中的产生和偏振检测的空白。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术解决方案是：一种基于角向间隔阵列的复杂涡旋自聚焦光束的偏振检测方法，将不同调控方式或实现不同目的的超表面单元以角向间隔的排列方式均匀地排列成圆盘或环状的超表面，基于所述超表面生成多模涡旋自聚焦光束，进一步得到涡旋自聚焦光束阵列，利用涡旋自聚焦光束阵列实现不同入射光束偏振态的检测。
进一步地，包括以下步骤：S1、引入坐标函数来描述各子阵列超表面单元的坐标，
在角向坐标系中，第n个子阵列的超表面单元在超表面中位置的表达式为：（1）；其
中，为角向坐标系下的坐标；代表所处环的编号，以中心最小环的标号为1；代表
超表面单元的晶格周期；M代表中心最小环的超表面单元数；m代表所述超表面单元在其环
上的标号；为排列在所述超表面上的子阵列数。
通过式（1）确定各所述超表面单元排列在所述超表面上的位置，所有的子阵列被间隔排列在所述超表面上而互不影响。
S2、基于所述超表面生成若干自聚焦涡旋光束，将所述自聚焦涡旋光束相干叠加生成多模涡旋自聚焦光束。
S3、将所述自聚焦涡旋光束以不同倾斜相位（所述多模涡旋自聚焦光束被分开）重新相干叠加生成涡旋自聚焦光束阵列。
S4、利用角向间隔排列的方法将复合相位和双相位单元排列形成阵列，使用步骤S3中生成的不同的涡旋自聚焦光束阵列，实现对入射光束的偏振态的检测。
进一步地，在步骤S3中，所述倾斜相位的表达式为：（2）；其中，为角坐标系下的坐标，为任意整数，为波矢。
进一步地，在步骤S4中，利用角向间隔排列的方法将复合相位和双相位单元排列，实现不同偏振的光束对超表面有不同的响应，从而生成不同的涡旋自聚焦光束阵列，实现对入射光束的偏振态的检测。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：（1）本发明提出的角向间隔排列超表面方式可以用于产生复杂偏振光场，实现对光束的偏振态进行检测。
（2）本发明提出的角向间隔排列超表面方式可实现将多个子阵列均匀排列在一个超表面上，每一个子阵列需要实现的功能，可以通过各自使用的单元，基于传播相位、Pancharatnam-Berry相位、双相位或复合相位的原理进行独立的调控，不受相互之间的影响。
（3）本发明提出的角向间隔排列超表面方式对圆对称光场的匹配度非常高，能够高效地产生圆对称光场，如涡旋光束和聚焦光场。
（4）本发明提出的角向间隔排列超表面方式可以自由、灵活地生成复合光场，由于子阵列的独立调控，能够在单一超表面上生成多束子光束，如：多模涡旋光束、涡旋光束阵列和多焦点聚焦光束。
（5）本发明提出的函数调控子阵列位置理论实现简单，同时超表面的加工简单，光场调控对于实验设备要求不高，与以基于多光束干涉产生复杂光场的传统实验产生方法相比，减少了光学干涉系统的搭建，大幅减少了实验的复杂程度，易于实现。
附图说明
图1是本发明将超表面单元以角向间隔的排列方式均匀地排列成圆盘或环状的超表面的俯视结构示意图。
图2是本发明将超表面单元以角向间隔的排列方式均匀地排列成圆盘或环状的超表面的三维示意图。
图3是本发明两个间隔排列的子阵列之一的相位掩模版。
图4是本发明两个间隔排列的子阵列中除图3之外的另一个子阵列的相位掩模版。
图5是图3和图4所示的两个间隔排列的子阵列叠加后加载到超表面上的相位掩模版。
图6是本发明基于超表面产生的多模涡旋自聚焦光束的轴向相对强度分布图。
图7是本发明基于超表面产生的多模涡旋自聚焦光束的横向相对强度分布图。
图8是本发明基于角向间隔排列超表面生成的双涡旋自聚焦光束阵列的轴向相对强度分布图。
图9是本发明基于角向间隔排列超表面生成的双涡旋自聚焦光束阵列在焦点上的横向相对强度分布图。
图10是本发明基于角向间隔排列超表面生成的三涡旋自聚焦光束阵列在焦点上的横向相对强度分布图。
图11是本发明基于角向间隔排列超表面生成的四涡旋自聚焦光束阵列在焦点上的横向相对强度分布图。
图12是本发明基于角向间隔排列超表面生成的五涡旋自聚焦光束阵列在焦点上的横向相对强度分布图。
图13是本发明阵列排布的伪颜色超表面示意图。
图14是Y线偏振光（YL）入射到本发明超表面后的偏振检测结果图。
图15是X线偏振光（XL）入射到本发明超表面后的偏振检测结果图。
图16是左旋圆偏振光（LC）入射到本发明超表面后的偏振检测结果图。
图17是右旋圆偏振光（RC））入射到本发明超表面后的偏振检测结果图。
具体实施方式
本发明将角向间隔排列超表面单元的方法引入到圆环形超表面阵列中，通过改变相邻单元的特性与其预设的相位，从而在圆形阵列超表面中实现了阵列单元的复用，产生了多模涡旋自聚焦光束、涡旋自聚焦光束阵列，并利用涡旋自聚焦光束阵列实现对入射光束偏振态的检测。设计合理，填补了复杂光场在超表面中的产生和应用的部分空白，具有良好的效果。
一种基于角向间隔阵列的复杂涡旋自聚焦光束的偏振检测方法，将不同调控方式或实现不同目的的超表面单元以角向间隔的排列方式均匀地排列成圆盘或环状的超表面，基于所述超表面生成多模涡旋自聚焦光束，进一步得到涡旋自聚焦光束阵列，利用涡旋自聚焦光束阵列实现不同入射光束偏振态的检测。
包括以下步骤：S1、引入坐标函数来描述各子阵列的超表面单元的坐标，在角向坐
标系中，第n个子阵列的超表面单元在超表面中位置的表达式为：（1）；其
中，为角向坐标系下的坐标；代表所处环的编号（以中心最小环的标号为1）；代表
超表面单元的晶格周期；M代表中心最小环的超表面单元数；m代表超表面单元在其环上的
标号；为排列在所述超表面上的子阵列数。
通过式（1），可以确定各所述超表面单元排列在所述超表面上的位置，所有的子阵
列被间隔排列在所述超表面上而互不影响。其中，晶格周期由超表面单元本身决定，由设
计者的优化结果而改变，此外，M的值也随晶格周期进行调制，使得处在同一环上的超表面
单元之间的间隔与接近，从而使得生成的圆形阵列更加均匀。
进一步的，调整的值，可以改变排列在所述超表面上的子阵列数，确定需要
独立调控的子阵列自由度。
如图1和图2所示，取，此时两个子阵列被排列到阵列环上，
为了直观展示这种间隔关系，在图1和图2中分别用黑白色和灰白色标记超表面单元1,2，从
而进行区分。在此参数条件下，最大能够排列六个子阵列。因此可知，通过角向间隔排列超
表面单元的方法，可以将多个子阵列排列到一个超表面上，它们之间相互间隔，且分布均
匀，这确保了子阵列产生的子光束的能量分布是均匀的。
S2、基于所述超表面生成若干自聚焦涡旋光束，将所述自聚焦涡旋光束相干叠加生成多模涡旋自聚焦光束。再将所述自聚焦涡旋光束以不同倾斜相位（所述多模涡旋自聚焦光束被分开）重新相干叠加生成涡旋自聚焦光束阵列。
图3和图4分别展示了两个子阵列所加载的相位、，可以看到它们相互间隔排
布，叠加后并不会相互影响，因此，最后加载至超表面中的相位如图5所示。图6和图7分别展
示了基于超表面产生的多模涡旋自聚焦光束的轴向和横向相对强度分布图，可以看到两束
携带不同拓扑荷数的子光束发生位置的重合，并出现了相干叠加现象，两束携带不同拓扑
荷数（）的自聚焦涡旋光束相干，在横向上产生了具有6个光瓣的“花瓣”光场结构。
所述涡旋自聚焦光束阵列是在多模涡旋自聚焦光束的生成方法的基础之上而得
到的。图8-图12展示了基于角向间隔排列超表面产生的涡旋自聚焦光束阵列。在原多模涡
旋自聚焦光束的相位基础上叠加倾斜相位：
（2）；其中，为角坐标系下的坐标，为任意整数，为波矢。通过角向间隔排列超表
面，给每一个子自聚焦涡旋光束加载不同方向的倾斜角度，即可得到焦点分离的光束，图8
展示的是时，两束具有不同倾斜角度的子自聚焦涡旋光束在自由空间中相干叠
加的结果，即双涡旋自聚焦光束阵列的轴向相对强度分布图。如图8所示，整体光场在传播
至附近，出现了两个聚焦环，它们分别向外倾斜。
为了体现角向间隔排列超表面的高自由度性，图9、图10、图11和图12分别展示了时，超表面产生的涡旋自聚焦光束阵列在聚焦位置附近（）截面的光场分布图。随着子阵列数量的增加，产生的聚焦环也随之增多。同
时，可以看出每个子聚焦环之间的分布是比较一致的，这说明了角向间隔排列超表面方法
对子阵列调控的均匀性。
综上，可以得出结论，由于相邻单元之间间隔远小于整个超表面的尺寸，整个超表面可以看作所有子阵列的位置重合叠加。同时，生成的子光束保留了相干叠加的性质，通过改变需加载自聚焦涡旋光束的拓扑荷数，可以产生多模涡旋自聚焦光束。在此基础上，通过角向间隔排列超表面单元的方法改变自聚焦涡旋光束的倾斜角度，可以进一步地生成涡旋自聚焦光束阵列，且阵列中每个自聚焦涡旋光束焦点的位置、拓扑荷数均可以被独立调控。
S4、利用角向间隔排列的方法将复合相位和双相位单元排列形成阵列，使用步骤S3中生成的不同的涡旋自聚焦光束阵列，实现对入射光束的偏振态的检测。
在步骤S4中，将复合相位调控单元和双相位调控单元利用角向间隔排列的方法均
匀的排列到超表面阵列上，如图13所示。根据复合相位调控单元以及双相位调控单元的原
理，它们能够分别对圆偏振光束和线偏振光束进行不同的响应。基于超透镜成像的相位，利
用复合相位的原理和双相位的原理，使左旋与右旋圆偏振光束通过超表面后的相位突变量
分别为： 。其中，表示产生自聚焦涡旋光束所需的
相位，为四个不同出射倾角的倾斜相位，表示左旋圆偏振光束通过超表面
后的相位突变量，表示右旋圆偏振光束通过超表面后的相位突变量，表示X线偏振
光束通过超表面后的相位突变量，表示 Y线偏振光束通过超表面后的相位突变量。
图14、图15、图16和图17分别展示了Y线偏振光（YL）、X线偏振光（XL）、左旋圆偏振光（LC）、右旋圆偏振光（RC）通过超表面后的汇聚结果。给定的四个子自聚焦涡旋光束的拓扑荷数均被设定为1。在四种不同偏振光束入射后均在焦点位置产生了一个较亮的自聚焦环与两个强度较弱的自聚焦环，但四种入射情况下三个自聚焦环的位置并不相同，通过观察自聚焦环缺失的位置，便可以区分不同入射光束的偏振态。以图14为例，根据波矢叠加，线偏振光束可以被分成振幅相等的两个相反旋向的圆偏振光束，因此在图14中两个圆偏振的检测点也出现了两个较弱的自聚焦环，且它们强度基本一致。其余三种入射情况的分析方法一致，此处不再展开。
本发明提出的角向间隔排列超表面单元的方法，还可以实现但不限于：单种单元同时加载多个相位掩模板从而同时生成多光束；不同功能的单元（如几何相位、复合相位单元）加载不同相位掩模版从而检测光束偏振态、产生庞加莱光束等功能。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于角向间隔阵列的复杂涡旋自聚焦光束的偏振检测方法，其特征在于，将不同调控方式或实现不同目的的超表面单元以角向间隔的排列方式均匀地排列成圆盘或环状的超表面，基于所述超表面生成多模涡旋自聚焦光束，进一步得到涡旋自聚焦光束阵列，利用涡旋自聚焦光束阵列实现不同入射光束偏振态的检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于角向间隔阵列的复杂涡旋自聚焦光束的偏振检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、引入坐标函数来描述各子阵列的超表面单元的坐标，在角向坐标系中，第n个子阵列的超表面单元在超表面中位置的表达式为：（1）；
其中，为角向坐标系下的坐标；/>代表所处环的编号，以中心最小环的标号为1；代表超表面单元的晶格周期；M代表中心最小环的超表面单元数；m代表所述超表面单元在其环上的标号；/>为排列在所述超表面上的子阵列数；
通过式（1）确定各所述超表面单元排列在所述超表面上的位置，所有的子阵列被间隔排列在所述超表面上而互不影响；
S2、基于所述超表面生成若干自聚焦涡旋光束，将所述自聚焦涡旋光束相干叠加生成多模涡旋自聚焦光束；
S3、将所述自聚焦涡旋光束以不同倾斜相位重新相干叠加生成涡旋自聚焦光束阵列；
S4、利用角向间隔排列的方法将复合相位和双相位单元排列形成阵列，使用步骤S3中生成的不同的涡旋自聚焦光束阵列，实现对入射光束的偏振态的检测。
3.根据权利要求2所述的一种基于角向间隔阵列的复杂涡旋自聚焦光束的偏振检测方法，其特征在于，在步骤S3中，所述倾斜相位的表达式为：（2）；其中，/>为角坐标系下的坐标，为任意整数，/>为波矢。
4.根据权利要求3所述的一种基于角向间隔阵列的复杂涡旋自聚焦光束的偏振检测方法，其特征在于，在步骤S4中，利用角向间隔排列的方法将复合相位和双相位单元排列，实现不同偏振的光束对超表面有不同的响应，从而生成不同的涡旋自聚焦光束阵列，实现对入射光束的偏振态的检测。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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