基于片上超表面多维调控的广义涡旋光束阵列生成方法

本发明涉及一种广义涡旋光束片上生成方法，尤其涉及一种利用片上超表面实现广义涡旋光束阵列的多维度生成与调控的方法，属于微纳光学、结构光场调控和光学信息处理。

背景技术：

1、随着高维和集成光子系统需求的日益增长，利用紧凑型集成光学器件实现对光场多个自由度的按需调控成为关键发展趋势。传统基于光波导的光子集成电路，虽能将复杂光学功能集成至微纳芯片，但其光场调控能力主要局限于强度和相位的面内调控，在二维空间扩展性和调控自由度方面存在固有局限，难以在亚波长尺度实现任意定制化的复杂光场生成。

2、超表面作为一种人工设计的二维亚波长结构阵列，能够在亚波长尺度灵活操控多维度光场，开辟了光场深度操控的全新范式。近年来，超表面与光波导的单片集成方案相继被提出，在实现片上导波与自由空间光场间高效耦合转换的同时，可精确控制出射光场的幅度、相位和偏振等多维度参数，进而催生全息成像、片上超透镜、结构光生成等多种新型功能。然而，现有方案的整体复用容量仍有限，尤其是在片上二维光束阵列的生成方面尚未被充分探索，进而制约了其高容量信息处理能力和更广泛应用潜力。

3、作为重要的应用前景之一，超表面可用于产生具有多自由度的结构光场，这极大拓展了光与物质相互作用的调控维度。涡旋光束代表了结构光场的一类重要载体，其携带的轨道角动量赋予光束螺旋相位波前和甜甜圈形状的强度轮廓。最近提出的广义涡旋光束在保留涡旋光束螺旋相位基本特征的基础上，通过自定义非线性角向相位梯度引入新的自由度，将涡旋光束拓展为任意可定制的光场形态，实现了数学微分运算的光学表示。进一步的，达曼涡旋超表面用于实现涡旋光束阵列，使其作为信息载体在光通信容量扩展、光信息加密等领域展现出重要应用价值。但目前广义涡旋光束阵列的生成主要依赖自由空间方案，缺乏面向多维度、多通道光场调控的集成化解决方案。

4、因此，亟需一种能够在单一集成芯片上实现多维、多通道光束阵列生成的方案，以显著提升片上光场操控的自由度与信息容量。

技术实现思路

1、针对现有集成光学器件存在的下述技术问题：二维空间的扩展能力有限，调控自由度不足，难以在单一芯片上生成复杂光场。本发明的目的是提供一种基于片上超表面多维调控的广义涡旋光束阵列生成方法，能够利用单个片上超表面生成多路广义涡旋光束阵列，同时实现包括相位、角动量、入射波矢和空间位置在内的多维度调制。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的基于片上超表面多维调控的广义涡旋光束阵列生成方法，包括如下步骤：

4、步骤1：构建片上超表面结构，所述结构包括二氧化硅衬底层、位于所述衬底层上方的氮化硅波导层，以及位于所述波导层上的非晶硅纳米结构层。

5、进一步的，所述波导层上的非晶硅纳米结构层为周期性或准周期性排布。

6、步骤2：以平行于所述氮化硅波导层工作面的两条边的方向为x轴和y轴，以氮化硅波导层法线方向为z轴，将入射光场作为信息载体，沿x、y、z方向定义为三个相互独立的波矢通道，利用迂回相位原理和pancharatnam-berry相位原理，通过精确设计所述非晶硅纳米结构的面内位移与空间取向，实现对所述三个波矢通道入射光的完全独立、解耦的相位调控。

7、步骤3：基于步骤2确立的三个波矢编码通道，利用光束的角向调制自由度，结合达曼光栅优化算法，将相位微分函数对应的非均匀相位分布映射至不同衍射级次，为每个波矢通道设计二维广义涡旋光束阵列的波前相位分布。

8、步骤3.1将涡旋光场拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位梯度分布，使相位梯度分布沿方位角方向呈现函数式非均匀变化。基于光束空间频域中的径向分量与该相位梯度成正比的原理，通过定制所述相位梯度函数，生成具有任意预设强度轮廓的广义涡旋光束。

9、步骤3.2采用达曼光栅优化算法，对超表面一个周期内的相位分布进行迭代优化，得到最优化的离散相位排布，实现将入射光能量均匀或按预设比例分配至多个目标衍射级次。基于上述相位排布，通过叠加多个独立的相位梯度函数至各目标衍射级次，构建二维广义涡旋光束阵列的波前相位分布。

10、步骤4：将步骤3获得的波前相位分布，依据步骤2所建立的设计原理，分别编码至不同波矢通道所对应的非晶硅纳米结构的面内位移与空间取向上。当对应波矢的入射光激励该超表面时，即可在自由空间观测面上生成三组由二维衍射级次调控的广义涡旋光束阵列。

11、进一步的，步骤1所述非晶硅纳米结构层单元周期的确定方法为：所述氮化硅波导中传输的导波经所述非晶硅纳米结构层调制并辐射至自由空间，根据波矢匹配条件，出射角度满足公式：

12、

13、其中，为自由空间中波矢，为导波传播常数，为第q级衍射级次对应的倒格矢；

14、目标垂直耦出且衍射级次q=-1时，非晶硅纳米结构层在x方向的周期根据x方向上传输导波的波长以及对应的有效折射率计算得到，即；在y方向的周期根据正交方向传播导波参数独立确定。

15、进一步的，步骤2所述精确设计所述非晶硅纳米结构的面内位移与空间取向的方法为：

16、所述纳米结构在x和y方向的面内位移由迂回相位计算得到。纳米结构提取导波的迂回相位表示为：

17、

18、其中，, ，和是纳米结构在对应周期内沿着x和y方向的位移，为导波传播方向的单位矢量，为面内入射角度。当沿x方向入射时，；当沿y方向入射时，。

19、所述纳米结构的空间取向由pancharatnam-berry相位计算得到。当圆偏振光入射到具有双折射特性的各向异性纳米结构时，其相反旋向出射分量会获得附加相位调制，表示为：

20、

21、其中为纳米结构的面内旋转角，分别对应左旋圆偏振或者右旋圆偏振入射光。

22、进一步的，步骤3.1所述生成具有任意预设强度轮廓的广义涡旋光束的方法为：传统涡旋光束相位围绕奇点呈线性螺旋变化，由拓扑荷数表征，表示为：

23、

24、式中是为沿方位角相位梯度，在传统涡旋光束中通常为常数。将拓扑电荷数定义中的相位微分设置为沿角向非均匀变化的函数，此时相位微分不恒等于拓扑电荷数，使得光束在空间频率域的径向分量随方位角改变：

25、

26、进而得到生成具有任意预设强度轮廓的广义涡旋光束的相位：

27、

28、通过沿方位角方向任意定制的函数形式，即可实现对广义涡旋光束强度轮廓的按需设计。

29、进一步的，步骤3.2的所述二维广义涡旋光束阵列的波前整体相位分布的方法为：

30、确定目标衍射级次和每个周期的像素数。通过gerchberg-saxton算法，对单个达曼周期内个像素的离散相位值进行优化，使得目标衍射级次的能量趋近预设值，而非目标级次的能量被抑制至能够忽略水平。将控制各衍射级次图案特征的相位参量编码至不同衍射级次，实现衍射级次的选取和特定的强度分布。二维编码的达曼涡旋超表面的透射函数可表示为

31、

32、其中，为第衍射级次的倒格矢，和分别代表x和y方向的达曼周期，m和n是单位周期内沿相应方向的像素数目；为空间位置矢量，为衍射级次的相位梯度，决定了对应衍射级次生成光束的强度轮廓，满足，、、为生成广义涡旋光束的特征相位函数；为傅里叶系数，决定各衍射级次的幅值权重。

33、进一步的，步骤4的具体编码方法为：

34、所述波矢通道的特征相位函数组包括{，，}，针对个通道的复合波前相位分布，该相位分布同时编码了衍射级次选择、阵列能量分布和广义涡旋强度轮廓的所有信息，依据编码映射关系映射到三个通道，整体透射函数可表达为：

35、

36、

37、式中下标分别对应三个入射波矢通道，为入射波矢，为第j个波矢通道的特征波矢，分别对应沿x方向传播的面内导波、沿y方向传播的面内导波，以及沿z方向垂直入射的自由空间光波，、、为各通道生成广义涡旋光束的特征相位函数，三者共同决定了各衍射级次的光场形态。依据步骤2所建立的设计原理，将上述相位分布编码至对应的非晶硅纳米结构的面内位移量与空间取向角。当具有相应波矢的入射光分别激励该超表面时，各通道的编码相位被依次解码，并在自由空间远场观测面上同步形成三组具有预设强度轮廓与阵列排布的广义涡旋光束阵列。

38、有益效果：

39、1、本发明公开的基于片上超表面多维调控的广义涡旋光束阵列生成方法，通过将精心设计的纳米结构层集成到波导上，实现紧凑的片上集成，能够在较小的空间体积内生成高容量、可定制的波束阵列，成功演示多达27个通道的广义涡旋光束，各通道具有高光束质量和低信道串扰。

40、2、本发明公开的基于片上超表面多维调控的广义涡旋光束阵列生成方法，通过构建波导集成的超表面结构，将入射波矢、二维衍射级次、角动量、相位等多个自由度进行协同编码与联合调控，大幅提升了片上光场调控的信息容量和维度数。

41、3、本发明公开的基于片上超表面多维调控的广义涡旋光束阵列生成方法，将复杂光场调控功能集成于单一超表面芯片，无需复杂的自由空间光学元件即能够实现多维度波前调制，具有结构紧凑、体积小、重量轻的优点，有利于系统级集成和规模化应用。

42、4、本发明公开的基于片上超表面多维调控的广义涡旋光束阵列生成方法，可同时调控片上导波和自由空间光场多个自由度，具备良好的功能可扩展性和维度可扩展性，通过进一步引入波长复用、偏振复用等复用机制或调控策略，可拓展至更高维度和更多通道的光场调控场景。