CN118011630B - 应用于共孔径探测和发射方案的光学元件及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件及其设计方法。该方法通过几何相位和传输相位的联合调制模式，赋予光学元件额外的设计自由度，达成光学元件功能扩展；针对提升激光收发系统集成度这一技术瓶颈，选用几何相位和传输相位的联合调制模式，在保证共孔径设计方案的前提下实现了发射光路与接收光路的分离，达成了光纤激光相干合成传输链路中光学元件的高度集成，能够有效地降低后续光轴对准的难度。基于圆偏振光的超表面器件，通过调控纳米结构单元的结构参数和转向角打破了光束传输的可逆性，这一技术特征为共孔径设计方案提供了全新的技术路径，促进了光纤激光相干合成光学系统的工程化应用。
Description
技术领域
本发明涉及信息光学技术领域，尤其涉及一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件及其设计方法。
背景技术
光纤激光相干合成是突破单路光纤激光功率极限和实现更高输出功率的有效技术方案，是传统高功率激光系统走向激光相控阵高功率光纤激光系统的重要基础。在光纤激光相干合成过程中，光纤激光准直器需要通过成像探测得到的反馈信号进行锁相控制。为了保障光束发射系统的结构紧凑性，通常选用共孔径方案将成像探测和光束发射进行集成。目前的共孔径方案是基于同轴光路设计结合分光器件实现的，但这样会导致光纤激光相干合成中光学元件繁多，光轴对准难度较大，进而影响整个光纤激光相干合成光学系统的鲁棒性和结构紧凑度，制约了光纤激光相干合成光学系统的工程化应用。因此，如何在保证光学系统紧凑性的前提下实现共孔径成像探测和光束发射是光纤激光相干合成中亟需解决的问题。
有鉴于此，有必要设计一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件及其设计方法，以解决上述问题。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于针对目前光纤激光相干合成传输链路中光学元件繁多，光轴对准难度较大的问题，赋予光学元件额外的设计自由度，达成光学元件功能扩展。
为实现上述目的，本发明提供了一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法，包括以下步骤：
S1、确定基于圆偏振光的超表面阵列的结构组成
基于圆偏振光的超表面阵列包括按二维周期性排布的若干个尺寸一致的纳米结构单元，所述纳米结构单元包括基底工作台、设置在所述基底工作台的台面上的纳米砖；
S2、优化纳米结构单元的结构参数
在左旋圆偏振光垂直入射于所述基于圆偏振光的超表面阵列中的若干个纳米结构单元上时，以出射右旋圆偏振光的转化效率为优化对象，得到多组交叉偏振转化效率较高、同向偏振转化效率低的纳米结构单元的结构参数；
S3、设计激光发射光路内超表面阵列中实现透镜功能的相位分布
根据超表面的透镜阵列中透镜单元的指标参数计算所述透镜单元的相位分布；
S4、设计成像探测光路内超表面阵列中实现光栅功能的相位分布
根据超表面的光栅阵列中光栅单元的指标参数计算得到所述光栅单元的相位分布；
S5、确定圆偏振光的超表面阵列中的纳米结构单元的几何相位和传输相位
根据步骤S3中得到的所述透镜阵列中的透镜单元的相位分布和步骤S4中得到的所述光栅阵列中的光栅单元的相位分布，计算出所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米结构单元的几何相位和传输相位；
S6、确定基于圆偏振光的超表面阵列中纳米砖的转向角排布
根据步骤S5中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米结构单元的几何相位计算出所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米砖的转向角排布情况；
S7、确定基于圆偏振光的超表面阵列中纳米结构单元的排布情况
根据步骤S5中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米结构单元的传输相位，从步骤S2中对若干个纳米结构单元进行仿真优化后所确定出的目标纳米结构单元的结构参数，结合步骤S6中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米砖的转向角排布确定出最终的超表面阵列。
进一步地，以平行于所述基底工作台的台面的两条边的方向分别设为x轴和y轴，以垂直于x轴和y轴的方向设定为z轴，建立xyz坐标系；其中，所述周期是指相邻两个所述纳米结构单元的几何中心在x轴和y轴上的距离；所述纳米砖与所述基底工作台的中心在xoy平面的投影重合；所述纳米砖的参数包括与所述基底工作台的台面垂直的高H、与所述高H垂直的长轴L和短轴W；所述基底工作台的参数包括台面的边长C；所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴L与x轴正向的逆时针旋转的夹角。
进一步地，步骤S2中，所述出射右旋圆偏振光的相位延迟由两部分构成：一部分为右旋圆偏振光在纳米结构单元传输时光程所引入的相位延迟，即为纳米结构单元的传输相位调制原理；另一部分为纳米结构单元各向异性所引入的相位延迟，即为纳米结构单元的几何相位调制原理，其中几何相位延迟的符号由入射圆偏振光的旋向决定。
进一步地，步骤S3中，所述透镜阵列包括按二维周期性排布的若干个超表面纳米结构单元；所述透镜阵列的指标参数包括透镜的焦距f以及透镜阵列内部包含的所述超表面纳米结构单元的数目M×N；所述超表面纳米结构单元的相位分布的计算公式为：
；
式中，为纳米结构单元的工作波长；单个纳米结构单元内位置坐标x的取值范围为，坐标y的取值范围为。
进一步地，步骤S4中，所述光栅阵列包括按二维周期性排布的若干个超表面纳米结构单元；所述光栅阵列的相位分布与所述透镜阵列的相位分布一一对应；所述光栅阵列的指标参数包括光栅出射角度θ x ×θ y 、x轴和y轴方向上所述光栅阵列中纳米结构单元的相位重复周期G x ×G y ；
其中， ；。
进一步地，步骤S5中，基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米结构单元的几何相位分布和传输相位计算公式为：
；
。
进一步地，步骤S6中，所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米砖的转向角排布情况为该位置处纳米结构单元的几何相位的一半，计算公式为：
。
本发明还提供了一种根据上述方法得到的应用于共孔径探测和发射方案的光学元件。
进一步地，所述应用于共孔径探测和发射方案的光学元件选定的工作波长λ为可见光波段。
进一步地，焦面上的点光源发出的左旋圆偏振光正向入射至超表面阵列，经超表面阵列调制后垂直出射到平面反射镜上；由平面反射镜反射后，反向垂直入射至超表面阵列，经超表面阵列后，平行光的传播方向发生偏转；超表面器件的设计方法在保证共孔径探测和发射的前提下，实现了光束发射光路与成像探测光路的分离。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法，针对目前光纤激光相干合成传输链路中光学元件繁多，光轴对准难度较大的问题，提出了一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法，通过几何相位和传输相位的联合调制模式，赋予光学元件额外的设计自由度，达成光学元件功能扩展。针对提升激光收发系统集成度这一技术瓶颈，选用几何相位和传输相位的联合调制模式，在保证共孔径设计方案的前提下实现了发射光路与接收光路的分离，达成了光纤激光相干合成传输链路中光学元件的高度集成，能够有效地降低后续光轴对准的难度。基于圆偏振光的超表面器件设计方案通过调控纳米结构单元的结构参数和转向角打破了光束传输的可逆性，这一技术特征为共孔径设计方案提供了全新的技术路径，促进了光纤激光相干合成光学系统的工程化应用。
2、本发明提供的一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件，在保证共孔径探测和发射的前提下，实现了光束发射光路与成像探测光路的分离。
附图说明
图1为本发明中基于圆偏振光的超表面阵列中的纳米结构单元的结构示意图。
图2为本发明实施例1中基于圆偏振光的超表面透镜阵列的相位分布示意图。
图3为本发明实施例1中基于圆偏振光的超表面光栅阵列的相位分布示意图。
图4为本发明实施例1中基于圆偏振光的超表面几何相位分布（左）和传输相位分布（右）。
图5为本发明实施例1中基于圆偏振光的超表面纳米结构单元排布示意图。
图6为本发明实施例1中基于圆偏振光的超表面阵列共孔径探测与发射方案示意图。
附图标记
1-纳米砖；2-基底工作台；3-超表面阵列；4-平面反射镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
另外，还需要说明的是，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。
一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法，包括以下步骤：
如图1和图6所示，
S1、确定基于圆偏振光的超表面阵列3的结构组成
基于圆偏振光的超表面阵列3包括按二维周期性排布的若干个尺寸一致的纳米结构单元，所述纳米结构单元包括基底工作台2、设置在所述基底工作台2的台面上的纳米砖1；
以平行于所述基底工作台2的台面的两条边的方向分别设为x轴和y轴，以垂直于x轴和y轴的方向设定为z轴，建立xyz坐标系；其中，所述周期是指相邻两个所述纳米结构单元的几何中心在x轴和y轴上的距离；所述纳米砖1与所述基底工作台2的中心在xoy平面的投影重合；所述纳米砖1的参数包括与所述基底工作台2的台面垂直的高H、与所述高H垂直的长轴L和短轴W（长轴L与短轴W不相等）；所述基底工作台2的参数包括台面的边长C；所述纳米砖1的转向角为所述纳米砖1的长轴L与x轴正向的逆时针旋转的夹角。
S2、优化纳米结构单元的结构参数
利用电磁仿真工具，在左旋圆偏振光垂直入射于所述基于圆偏振光的超表面阵列3中的若干个纳米结构单元上时，以出射右旋圆偏振光的转化效率为优化对象，得到多组交叉偏振转化效率较高、同向偏振转化效率低的纳米结构单元的结构参数；
所述交叉偏振指左旋圆偏振光转化为右旋圆偏振光或右旋圆偏振光转化为左旋圆偏振光；同向偏振指入射的左旋圆偏振光或右旋圆偏振光的旋向不发生变化；所述出射右旋圆偏振光的相位延迟由两部分构成：一部分为右旋圆偏振光在纳米结构单元传输时光程所引入的相位延迟，即为纳米结构单元的传输相位调制原理；另一部分为纳米结构单元各向异性所引入的相位延迟，即为纳米结构单元的几何相位调制原理，其中几何相位延迟的符号由入射圆偏振光的旋向决定。
S3、设计激光发射光路内超表面阵列中实现透镜功能的相位分布
所述透镜阵列包括按二维周期性排布的若干个超表面纳米结构单元；所述透镜阵列的指标参数包括透镜的焦距f以及透镜阵列内部包含的所述超表面纳米结构单元的数目M×N；所述超表面纳米结构单元的相位分布的计算公式为：
；
式中，为纳米结构单元的工作波长；单个纳米结构单元内位置坐标x的取值范围为 坐标y的取值范围为。
S4、设计成像探测光路内超表面阵列中实现光栅功能的相位分布
根据超表面的光栅阵列中光栅单元的指标参数计算得到所述光栅单元的相位分布；所述光栅阵列包括按二维周期性排布的若干个超表面纳米结构单元；所述光栅阵列的相位分布与所述透镜阵列的相位分布一一对应；所述光栅阵列的指标参数包括光栅出射角度θ x ×θ y 、x轴和y轴方向上所述光栅阵列中纳米结构单元的相位重复周期G x ×G y ；
其中，；。
S5、确定圆偏振光的超表面阵列3中的纳米结构单元的几何相位和传输相位
根据步骤S3中得到的所述透镜阵列中的透镜单元的相位分布和步骤S4中得到的所述光栅阵列中的光栅单元的相位分布，计算出所述基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米结构单元的几何相位和传输相位；
基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米结构单元的几何相位分布和传输相位计算公式为：
；
。
S6、确定基于圆偏振光的超表面阵列3中纳米砖1的转向角排布
根据步骤S5中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米结构单元的几何相位计算出所述基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米砖1的转向角排布情况；
所述基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米砖1的转向角排布情况为该位置处纳米结构单元的几何相位的一半，计算公式为：
。
S7、确定基于圆偏振光的超表面阵列3中纳米结构单元的排布情况
根据步骤S5中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米结构单元的传输相位，从步骤S2中对若干个纳米结构单元进行仿真优化后所确定出的目标纳米结构单元的结构参数，结合步骤S6中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米砖1的转向角排布确定出最终的超表面阵列3。
如此设置，赋予光学元件额外的设计自由度，达成光学元件功能扩展；针对提升激光收发系统集成度这一技术瓶颈，选用几何相位和传输相位的联合调制模式，在保证共孔径设计方案的前提下实现了发射光路与接收光路的分离，达成了光纤激光相干合成传输链路中光学元件的高度集成，能够有效地降低后续光轴对准的难度；基于圆偏振光的超表面器件设计方案通过调控纳米结构单元的结构参数和转向角打破了光束传输的可逆性，这一技术特征为共孔径设计方案提供了全新的技术路径，促进了光纤激光相干合成光学系统的工程化应用。
具体地，在本发明的一些实施例中，所述基于圆偏振光的超表面阵列3中所述基底工作面采用二氧化硅材料制成，所述纳米砖1采用二氧化钛材料制成。
本发明还提供了一种采用上述设计方法得到的应用于共孔径探测和发射方案的光学元件。
具体地，在本发明的一些实施例中，所述应用于共孔径探测和发射方案的光学元件选定的工作波长λ为可见光波段。
具体地，在本发明的一些实施例中，焦面上的点光源发出的左旋圆偏振光正向入射至超表面阵列3，经超表面阵列3调制后垂直出射到平面反射镜4上；由平面反射镜4反射后，反向垂直入射至超表面阵列3，经超表面阵列3后，平行光的传播方向发生偏转；超表面器件的设计方法在保证共孔径探测和发射的前提下，实现了光束发射光路与成像探测光路的分离。
如此设置，在保证共孔径探测和发射的前提下，实现了光束发射光路与成像探测光路的分离。
下面对本发明提供的一种应用于共孔径探测和发射方案的超表面器件及其设计方法的工作方式进行说明：
实施例1
本实施例提供了一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件及其设计方法，包括以下步骤：
如图1和图4所示，
S1、确定基于圆偏振光的超表面阵列3的结构组成
基于圆偏振光的超表面阵列3包括按二维周期性排布的若干个尺寸一致的纳米结构单元，所述纳米结构单元包括基底工作台2、设置在所述基底工作台2的台面上的纳米砖1；
在本实施例中，选定基于圆偏振光的超表面的纳米结构单元工作波段为可见光波段，选取λ=480nm为主波长；并根据工作波长λ和纳米结构单元的性能要求来优化纳米砖1结构单元的结构参数。如图1所示，以平行于所述基底工作台2的台面的两条边的方向分别设为x轴和y轴，以垂直于x轴和y轴的方向设定为z轴，建立xyz坐标系；其中，所述周期是指相邻两个所述纳米结构单元的几何中心在x轴和y轴上的距离；所述纳米砖1与所述基底工作台2的中心在xoy平面的投影重合；所述纳米砖1的参数包括与所述基底工作台2的台面垂直的高H=600nm、与所述高H垂直的长轴L和短轴W（长轴L与短轴W不相等）；所述基底工作台2的参数包括台面的边长C=400nm；所述纳米砖1的转向角为所述纳米砖1的长轴L与x轴正向的逆时针旋转的夹角；此外，纳米砖1的材料选用二氧化钛，基底工作台2的材料选用二氧化硅。
S2、优化纳米结构单元的结构参数
利用电磁仿真工具，在左旋圆偏振光垂直入射于所述基于圆偏振光的超表面阵列3中的若干个纳米结构单元上时，以出射右旋圆偏振光的转化效率为优化对象，得到交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低的纳米结构单元的结构参数；
具体地，当一束线偏振光垂直入射到纳米结构单元时，纳米砖1的长轴和短轴方向的透射光的相位延迟为，且振幅保持一致，也就是说，纳米结构单元可等效为一个微型的半波片。又因为半波片具有相位调控功能，所以当入射光由线偏振光转变为圆偏振光时，纳米结构单元能够通过改变纳米砖1的转向角来实现透射光相位的调控。具体而言，当一束圆偏振光通过一个转向角为且其功能等效为半波片的纳米结构单元时，将会受到纳米结构单元的调制变成旋向相反的圆偏振光，并且附加了一个的相位延迟，这就是本发明中基于圆偏振光的超表面相位调控原理，其中相位延迟的符号由入射圆偏振光的旋向决定。本实施例中选择超表面中纳米砖1的长度L和宽度W作为电磁仿真中结构参数扫描的自变量，结构参数扫描的优化结果如表1所示。
表1 纳米结构单元的偏振转换透射率结构参数扫描优化结果
（λ=480nm、H=600nm、C=400nm）
S3、设计激光发射光路内超表面阵列中实现透镜功能的相位分布
根据超表面的透镜阵列中透镜单元的指标参数计算所述透镜单元的相位分布，结果如图2所示；
所述透镜阵列包括按二维周期性排布的若干个超表面纳米结构单元；所述透镜阵列的指标参数包括透镜的焦距f=8mm以及透镜阵列内部包含的所述超表面纳米结构单元的数目M×N=2000×2000；所述超表面纳米结构单元的相位分布的计算公式为：
式中，为纳米结构单元的工作波长；单个纳米结构单元内位置坐标x的取值范围为 坐标y的取值范围为
S4、设计成像探测光路内超表面阵列中实现光栅功能的相位分布
根据超表面的光栅阵列中光栅单元的指标参数计算得到所述光栅单元的相位分布；
所述光栅阵列包括按二维周期性排布的若干个超表面纳米结构单元；所述光栅阵列的相位分布与所述透镜阵列的相位分布一一对应；所述光栅阵列的指标参数包括光栅出射角度θ x ×θ y =36.7°×36.7°、x轴和y轴方向上所述光栅阵列中纳米结构单元的相位重复周期G x =G y =800nm；
其中，；；
光栅单元的相位分布的计算结果如图3所示。
S5、确定圆偏振光的超表面阵列3中的纳米结构单元的几何相位和传输相位
根据步骤S3中得到的所述透镜阵列中的透镜单元的相位分布和步骤S4中得到的所述光栅阵列中的光栅单元的相位分布，计算出所述基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米结构单元的几何相位和传输相位；结果如图4所示；
其中，基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米结构单元的几何相位分布和传输相位计算公式为：
；
。
S6、确定基于圆偏振光的超表面阵列3中纳米砖1的转向角排布
根据步骤S5中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米结构单元的几何相位计算出所述基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米砖1的转向角排布情况；
所述基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米砖1的转向角排布情况为该位置处纳米结构单元的几何相位的一半，计算公式为：
。
S7、确定基于圆偏振光的超表面阵列3中纳米结构单元的排布情况
根据步骤S5中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米结构单元的传输相位，从步骤S2中对若干个纳米结构单元进行仿真优化后所确定出的目标纳米结构单元的结构参数，结合步骤S6中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列3中各纳米砖1的转向角排布确定出最终的超表面阵列3；不同结构参数、不同转向角的纳米砖1排布示意图如图5所示。
如图6所示，焦面上的点光源发出的左旋圆偏振光正向入射至超表面阵列3，经超表面阵列3调制后垂直出射到平面反射镜4上；由平面反射镜4反射后，反向垂直入射至超表面阵列3，经超表面阵列3后，平行光的传播方向发生偏转。超表面器件的设计方法在保证共孔径探测和发射的前提下，实现了光束发射光路与成像探测光路的分离。
综上所述，本发明提供了一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件及其设计方法，针对目前光纤激光相干合成传输链路中光学元件繁多，光轴对准难度较大的问题，提出了一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件及其设计方法，通过几何相位和传输相位的联合调制模式，赋予光学元件额外的设计自由度，达成光学元件功能扩展。针对提升激光收发系统集成度这一技术瓶颈，选用几何相位和传输相位的联合调制模式，在保证共孔径设计方案的前提下实现了发射光路与接收光路的分离，达成了光纤激光相干合成传输链路中光学元件的高度集成，能够有效地降低后续光轴对准的难度。基于圆偏振光的超表面器件设计方案通过调控纳米结构单元的结构参数和转向角打破了光束传输的可逆性，这一技术特征为共孔径设计方案提供了全新的技术路径，促进了光纤激光相干合成光学系统的工程化应用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定基于圆偏振光的超表面阵列的结构组成
基于圆偏振光的超表面阵列包括按二维周期性排布的若干个尺寸一致的纳米结构单元，所述纳米结构单元包括基底工作台、设置在所述基底工作台的台面上的纳米砖；
S2、优化纳米结构单元的结构参数
在左旋圆偏振光垂直入射于所述基于圆偏振光的超表面阵列中的若干个纳米结构单元上时，以出射右旋圆偏振光的转化效率为优化对象，得到多组交叉偏振转化效率较高、同向偏振转化效率低的纳米结构单元的结构参数；
S3、设计激光发射光路内超表面阵列中实现透镜功能的相位分布
根据超表面的透镜阵列中透镜单元的指标参数计算所述透镜单元的相位分布
S4、设计成像探测光路内超表面阵列中实现光栅功能的相位分布
根据超表面的光栅阵列中光栅单元的指标参数计算得到所述光栅单元的相位分布
S5、确定圆偏振光的超表面阵列中的纳米结构单元的几何相位和传输相位
根据步骤S3中得到的所述透镜阵列中的透镜单元的相位分布和步骤S4中得到的所述光栅阵列中的光栅单元的相位分布计算出所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米结构单元的几何相位φ(x,y)和传输相位Ψ(x,y)；
S6、确定基于圆偏振光的超表面阵列中纳米砖的转向角排布
根据步骤S5中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米结构单元的几何相位φ(x,y)计算出所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米砖的转向角排布情况α(x,y)；
S7、确定基于圆偏振光的超表面阵列中纳米结构单元的排布情况
根据步骤S5中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米结构单元的传输相位Ψ(x,y)，从步骤S2中对若干个纳米结构单元进行仿真优化后所确定出的目标纳米结构单元的结构参数，结合步骤S6中得到的所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米砖的转向角排布α(x,y)确定出最终的超表面阵列。
2.根据权利要求1所述的应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法，其特征在于：以平行于所述基底工作台的台面的两条边的方向分别设为x轴和y轴，以垂直于x轴和y轴的方向设定为z轴，建立xyz坐标系；其中，所述周期是指相邻两个所述纳米结构单元的几何中心在x轴和y轴上的距离；所述纳米砖与所述基底工作台的中心在xoy平面的投影重合；所述纳米砖的参数包括与所述基底工作台的台面垂直的高H、与所述高H垂直的长轴L和短轴W；所述基底工作台的参数包括台面的边长C；所述纳米砖的转向角α(x,y)为所述纳米砖的长轴L与x轴正向的逆时针旋转的夹角。
3.根据权利要求1所述的应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法，其特征在于：步骤S2中，所述出射右旋圆偏振光的相位延迟β±2α由两部分构成：一部分为右旋圆偏振光在纳米结构单元传输时光程所引入的相位延迟β，即为纳米结构单元的传输相位调制原理；另一部分为纳米结构单元各向异性所引入的相位延迟±2α，即为纳米结构单元的几何相位调制原理，其中几何相位延迟的符号由入射圆偏振光的旋向决定。
4.根据权利要求1所述的应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法，其特征在于：步骤S4中，所述光栅阵列包括按二维周期性排布的若干个超表面纳米结构单元；所述光栅阵列的相位分布与所述透镜阵列的相位分布一一对应；所述光栅阵列的指标参数包括光栅出射角度θx×θy、x轴和y轴方向上所述光栅阵列中纳米结构单元的相位重复周期Gx×Gy；
其中，
5.根据权利要求1所述的应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法，其特征在于：步骤S5中，基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米结构单元的几何相位分布φ(x,y)和传输相位Ψ(x,y)计算公式为：
6.根据权利要求1所述的应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法，其特征在于：步骤S6中，所述基于圆偏振光的超表面阵列中各纳米砖的转向角排布情况α(x,y)为该位置处纳米结构单元的几何相位φ(x,y)的一半，计算公式为：
7.一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件，其特征在于：所述应用于共孔径探测和发射方案的光学元件根据权利要求1-6中任意一权利要求所述的应用于共孔径探测和发射方案的光学元件的设计方法得到。
8.根据权利要求7所述的一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件，其特征在于：所述应用于共孔径探测和发射方案的光学元件选定的工作波长λ为可见光波段。
9.根据权利要求7所述的一种应用于共孔径探测和发射方案的光学元件，其特征在于：焦面上的点光源发出的左旋圆偏振光正向入射至超表面阵列，经超表面阵列调制后垂直出射到平面反射镜上；由平面反射镜反射后，反向垂直入射至超表面阵列，经超表面阵列后，平行光的传播方向发生偏转；超表面器件的设计方法在保证共孔径探测和发射的前提下，实现了光束发射光路与成像探测光路的分离。
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| CN110426758B (zh) * | 2019-06-27 | 2020-07-24 | 武汉大学 | 基于超表面的光学薄膜材料、构建方法及其应用 |
| CN114236817B (zh) * | 2021-12-23 | 2022-12-06 | 中国科学院物理研究所 | 一种基于涡旋光束轨道角动量的多焦点超表面的设计方法 |
| CN116670563A (zh) * | 2021-12-27 | 2023-08-29 | 京东方科技集团股份有限公司 | 近眼显示装置和超表面透镜的构建方法 |
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN107884865A (zh) * | 2017-11-23 | 2018-04-06 | 武汉大学 | 基于硅纳米砖超材料的圆偏振起偏器及制备方法 |
| CN113258428A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-08-13 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种利用超透镜对面发射激光器进行多维度光场调控的方法 |
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