一种简单结构实现完美涡旋光束的超表面设计方法与流程

1.本发明涉及完美涡旋光束的超表面的设计方法，具体为一种简单结构实现完美涡旋光束的超表面设计方法。


背景技术：

2.涡旋光束是一种具有螺旋形波前且中心光强为零的空心光束。涡旋光束可以用来操纵粒子或者对光通信系统的信息进行编码，因此它在光通信、粒子捕获和成像等领域内具有重要的应用前景。然而，利用传统方法获得的涡旋光束，其亮环半径会随着拓扑电荷值的增大而增大，这使得具有不同拓扑电荷的涡旋光束在同一器件进行耦合和传输等应用时变得非常困难。
3.为了解决这个问题，人们提出了亮环半径不受拓扑电荷影响的完美涡旋光束，这种光束的亮环尺寸不随拓扑电荷的变化而变化，在光通信、量子光学和激光制造等领域具有特殊的应用。
4.超表面是由亚波长二维微纳结构按照特定的排列方式构成的平面结构，能够灵活地调控电磁波的振幅、相位和偏振态等。利用传输相位型超表面或几何相位型超表面能够产生完美涡旋光束。几何相位型超表面由具有相同形状、不同平面内旋转角度的各向异性结构组成(比如矩形、椭圆形等)，因此，几何相位型超表面对制备带来的误差具有较好的宽容性。然而，由于几何相位超表面存在内禀对称性，即左旋圆偏振光和右旋圆偏振光入射时呈现相反的相位分布，使得多功能超表面器件在设计方面面临诸多困难。为克服以上问题，可以采用几何相位与传输相位相融合的办法，但是，这类方法需要进行大量的参数扫描以获得所需的各种单元结构，设计和加工制备方面都更加繁琐复杂。


技术实现要素：

5.为了解决这一问题，本发明提出了一种简单结构实现完美涡旋光束的超表面设计方法。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种简单结构实现完美涡旋光束的超表面设计方法，采用一层电介质材料和一层石英玻璃构成超表面，其中，电介质材料是由若干个形状相同但旋转角度不同的椭圆柱单元结构构成的，椭圆柱单元结构按照正方形周期排列而成；所述椭圆柱单元结构的透射波相位满足：
[0007][0008]
其中，
[0009][0010][0011][0012]
在上述公式中，x和y表示超表面平面内单元结构的中心点坐标；
[0013]
公式(2)为螺旋相位板的相位公式，m表示拓扑电荷；
[0014]
公式(3)为轴棱镜的相位公式，d为轴棱镜周期，它控制完美涡旋光束的亮环半径大小；
[0015]
公式(4)为傅里叶透镜的相位公式，f为透镜的理论焦距，λ为工作波长。
[0016]
作为优选，以若干个形状相同的椭圆柱单元结构作为构建超表面的基本元素，按照正方形周期排列而成。
[0017]
作为优选，所述椭圆柱单元结构由非晶硅材料组成。
[0018]
作为优选，所述椭圆柱单元结构采用石英玻璃作为基底。
[0019]
作为优选，所述椭圆柱单元结构所在的正方形晶格周期为400nm，所述椭圆柱单元结构位于其所在正方形晶格的中心处。
[0020]
作为优选，所述椭圆柱单元结构的高度为715nm。
[0021]
本发明的简单结构实现完美涡旋光束的超表面设计方法可达到如下有益效果：
[0022]
1)本发明设计的超表面结构仅由一层形状相同、旋转角度不同的椭圆柱单元结构组成，结构简单，便于加工；
[0023]
2)本发明设计的超表面结构虽然基于几何相位调控方式，但是完全不受圆偏振光或椭圆偏振光入射的限制，线偏振光入射即可得到环行尺寸不随拓扑电荷变化而变化的完美涡旋光束。
附图说明
[0024]
图1是本发明的完美涡旋光束发生器的超表面三维结构示意图；
[0025]
图2是本发明的超表面完美涡旋光束发生器的电磁波传播方向的截面示意图；
[0026]
图3是本发明的超表面完美涡旋光束发生器的仿真结构俯视图。
[0027]
附图说明：1、电介质微结构层；2、基底层。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0029]
近年来，超表面作为一种厚度只有波长量级的人工材料，具有自然材料所不具备的性质，受到了广泛的关注。利用超表面产生完美涡旋光束不同于传统方法：超表面是通过在基底表面设置微纳结构以实现对电磁波相位和振幅的调控，从而产生完美涡旋光束。与传统器件相比，基于超表面的涡旋光束发生器结合了小型化、易于设计和制造的优点，体现了产生完美涡旋光束巨大的潜力。
[0030]
本发明在具体实施时，所设计的超表面由一层电介质材料和一层石英玻璃构成。其中，电介质材料是由若干个形状相同但旋转角度不同的椭圆柱构成的，这些椭圆柱按照一定的正方形周期排列而成。所述椭圆柱单元结构的长半轴和短半轴的几何尺寸满足如下要求：对于x偏振和y偏振入射电磁波，其在沿长半轴和短半轴的方向的透射波会有相位差，且相位差为180
°
，即椭圆柱相当于一个半波片。
[0031]
进一步的实施例中，所述椭圆柱单元结构的透射波相位满足以下完美涡旋光束的相位方程：
[0032][0033]
其中，
[0034][0035][0036][0037]
在上述公式中，x和y表示超表面平面内单元结构的中心点坐标；公式(2)为螺旋相位板的相位公式，其中m表示拓扑电荷；公式(3)为轴棱镜的相位公式，其中d为轴棱镜周期，它控制完美涡旋光束的亮环半径大小；公式(4)为傅里叶透镜的相位公式，其中f为透镜的理论焦距，λ为工作波长。
[0038]
本发明采用几何相位调控的方式设计超表面结构。根据几何相位调控原理，当圆偏振光经过一个旋转角度为θ的超表面单元阵列时，透射场中除了包含与入射光手性相同的圆偏振光外，还包含与入射光手性相反的圆偏振光，且该圆偏振光具有一个相位突变
±
2θ，其中，
“±”
取决于入射圆偏振光的手性。当超表面单元阵列为半波片时，此时偏振态的转化效率最高，即透射场中与入射光手性相反的圆偏振光比例最大。线偏振光可以看作左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量的叠加，因此，当线偏振光入射时，透射场仍然可以看作对应的右旋圆偏振分量和左旋圆偏振分量的叠加。
[0039]
在半波片超表面阵列中添加一个完美涡旋相位该相位能够使入射的左旋圆偏振分量经过超表面后产生完美涡旋光束，同时使入射的右旋圆偏振分量经过超表面后发散。相反，若在半波片超表面阵列中添加一个完美涡旋相位那么该相位能够使入射的右旋圆偏振分量经过超表面后产生完美涡旋光束，同时使入射的左旋圆偏振分量经过超表面后发散。因此，为了得到一个线偏振态的完美涡旋光束，就要在超表面中同时添加相位和相位此时，能够产生完美涡旋光束的超表面的相位分布表示为：
[0040][0041]
若在x偏振和y偏振同时入射时产生两束完美涡旋光束，则超表面的相位分布可以用以下公式表示：
[0042][0043]
其中，分别是产生两个不同的完美涡旋光束对应的相位。本设计选择矩形纳米柱作为所述超表面结构的单元结构。不同位置处的单元结构的旋转角度θ(x,y)与超表面相位φ(x,y)存在如下关系：θ(x,y)＝φ(x,y)/2。
[0044]
具体设计步骤为：首先根据公式(1)-(6)，计算出每个坐标位置处相应的理论相位值，建立理论相位值与超表面结构中每个坐标点的关系，然后，通过fdtd solutions软件筛选出沿长半轴和短半轴的方向的相位差为180
°
的椭圆柱单元结构作为构建超表面结构的基本元素；最后，将筛选出的椭圆柱单元结构按照第一步中理论相位值与超表面结构中每个坐标点的关系进行排列，构成可产生双完美涡旋光束的超表面结构。
[0045]
进一步的实施例中，所筛选的椭圆柱单元结构的高度为715nm，长半轴118nm，短半轴70nm。所述椭圆柱单元结构所在的正方形晶格周期为400nm，所述椭圆柱单元结构位于其所在正方形晶格的中心处。
[0046]
进一步的实施例中，所筛选的椭圆柱由非晶硅材料组成，石英玻璃作为所述椭圆柱单元结构的基底。
[0047]
进一步的实施例中，如图3所示，双完美涡旋光束超表面结构由64
×
64个椭圆柱单元结构按照正方形晶格周期排列而成。本实施例的超表面结构的相位方程(即公式1-6)中的各参数如下：入射光为x线偏振光，波长λ＝915nm，傅里叶透镜焦距f＝100um、拓扑荷m＝2，对应完美涡旋光束相位的棱镜周期d＝4um，对应完美涡旋光束相位的棱镜周期d＝6um。
[0048]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。