超表面、超表面设计方法和器件

1.本发明涉及微纳光学技术领域，尤其涉及一种超表面、超表面设计方法和器件。


背景技术：

2.超表面作为一种人工二维材料，能够在亚波长尺度上对光场的振幅、相位和偏振等参量进行灵活调控，具有尺寸小、重量轻、易加工等优势，现已被广泛应用于光学的各个领域，如微纳光学元件、特殊光场生成、全息显示与成像、信息存储、光通讯等。
3.随着相关研究的发展，采用超表面进行光场单个参量的调控研究日臻成熟，此类超表面器件逐渐暴露出功能单一，应用受限等缺点。因此，研究者们陆续开发出振幅-相位、偏振-相位、频率-振幅等双参量调控方案，有效地扩展了超表面的应用范围。但是能够实现振幅、相位及偏振同时独立调控的超表面器件却有待发展，由于在改变纳米结构的几何尺寸时这几个光场参量是相互关联的，因此实现对其同时且独立的调控总伴随着复杂的设计、繁琐的制造和庞大的光学再现装置。此外，大多数超表面器件仅能产出一束有效的调制光束，阻碍了超表面在复用技术中的应用。
4.针对目前相关技术中现有超表面设计方案中存在的大部分器件无法实现对光场振幅、相位以及偏振态同时且独立调控，以及多通道调控问题，目前尚未得到有效的解决。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种超表面、超表面设计方法和器件，以至少解决相关技术中现有超表面设计方案中存在的大部分器件无法实现对光场振幅、相位以及偏振态同时且独立调控，以及多通道调控的问题。
6.根据本发明实施例的一个方面，提供了一种超表面，包括：基底和单层电介质纳米结构，其中，单层电介质纳米结构置于基底之上；单层电介质纳米结构为各向异性结构，其中，单层电介质纳米结构的尺寸为亚波长尺度，单层电介质纳米结构的方位角为单层电介质纳米结构的长轴与x轴之间的夹角。
7.可选的，单层电介质纳米结构的琼斯矩阵为其中t
l
，ts，分别为单层电介质纳米结构沿长轴与短轴方向上的透射率和相位调制量。
8.进一步地，可选的，单层电介质纳米结构在长轴与短轴方向上具有相同的透射率系数，其中，t
l
＝ts＝t；单层电介质纳米结构在长轴与短轴方向上的相位延迟量为π，即单层电介质纳米结构在线偏振入射条件下对线偏振入射光的正交圆偏振分量的作用表示为：当琼斯矢量为[1 0]
t
的线偏振光通过方位角为θ的单层电介质纳米结构时，出射光的琼斯矢量为：
[0009]
[0010]
其中，为传输相位，式(1)式，用于指示单层电介质纳米结构会对右旋圆偏振分量[1
ꢀ‑
i]
t
和左旋圆偏振分量[1 i]
t
分别施加两种独立的相位调制作用，其中，表示为表示为表示为
[0011]
单层电介质纳米结构的方位角与长轴和短轴相位调制量满足：
[0012][0013]
可选的，单层电介质纳米结构以2
×
2的正方形晶格形式组成宏像素；宏像素中正对角线上两个纳米结构命名为c1和c2，反对角线上两个纳米结构命名为c3和c4；宏像素中的c1和c2作用于通道一，纳米结构c3和c4作用于通道二。
[0014]
可选的，单层电介质纳米结构横截面形状为几何图形，几何图形包括：长方形，椭圆形；单层电介质纳米结构采用低损耗高折射率电介质材料，用于对入射光产生调制作用，其中，低损耗高折射率电介质材料包括：硅、氮化硅、氮化镓或二氧化钛。
[0015]
可选的，单层电介质纳米结构采用周期性排布组成宏像素，每个单层电介质纳米结构周期基底的单元边长为p；宏像素采用周期性排布组成单层电介质超表面，每个宏像素周期基底的单元边长为2p。
[0016]
可选的，基底采用无损耗低折射率透明材料，对入射光不产生调制作用，其中，无损耗低折射率透明材料包括：玻璃、蓝宝石或氟化钙。
[0017]
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种超表面设计方法，应用于上述超表面，包括：s1：目标双通道振幅、相位及偏振态独立调控的光场通道一e
out1
|n1》，通道二e
out2
|n2》在正交圆偏振基矢下分解为：
[0018][0019][0020]
其中，|n1》、|n2》表示任意偏振态，|r》、|l》为右、左旋圆偏振态，a
r1
、a
l1
、和a
r2
、a
l2
、分别为通道一、二中右、左旋圆偏振态的振幅与相位；s2：对步骤s1中获取的右、左旋圆偏振分量的振幅与相位按照以下公式进行参数转换：
[0021]eout1
|n1》＝2cos(ξ
11
)exp(iφ
11
)|r》 2cos(ξ
12
)exp(iφ
12
)|l》
[0022]eout2
|n2》＝2cos(ξ
21
)exp(iφ
21
)|r〉 2cos(ξ
22
)exp(iφ
22
)|l》
ꢀꢀ
(4)，
[0023]
其中，ξ
ij
、φ
ij
(i、j＝1，2)为转换后的不同相位分布；s3：使用步骤s2中获取的相位分布ξ
ij
、φ
ij
对式(3)中的右、左旋圆偏振分量复振幅进行分解：
[0024][0025][0026][0027][0028]
得到八种不同的相位调制作用；s4：将步骤s3中获取的八种不同的相位调制作用按照式(1)编码给宏像素中的单层电介质纳米结构c1、c2、c3、c4：
[0029][0030][0031][0032][0033]
其中，为宏像素中纳米结构c1、c2、c3、c4、分别对右、左旋圆偏振光的预设相位调制作用；s5：根据式(2)将步骤s4中获取的八种预设相位调制作用转换为单层电介质纳米结构的设计参数，设计参数包括：方位角以及长、短轴方向上的相位调制量；s6：使用仿真软件对单层电介质纳米结构的尺寸进行扫描与优化，按照步骤s5中获取的长、短轴相位调制量进行尺寸选取；对宏像素进行排布形成单层电介质超表面。
[0034]
可选的，偏振态为[1 0]
t
的线偏振入射光通过超表面时，宏像素单元对入射光的正交圆偏振分量施加八种不同的相位调制在调制作用下透射光的正交圆偏振分量产生偏振相关干涉，单层电介质超表面的后表面处透射的圆偏振分量具有式(5)所示的复振幅，通过透射的正交圆偏振态线性叠加产生振幅、相位以及偏振态独立调控的两个光场，其模式表示为式(4)和(3)。
[0035]
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种超表面器件，其特征在于，包括：依据上述方法得到的超表面器件。
[0036]
本发明实施例中，基底和单层电介质纳米结构，其中，单层电介质纳米结构置于基底之上；单层电介质纳米结构为各向异性结构，其中，单层电介质纳米结构的尺寸为亚波长尺度，单层电介质纳米结构的方位角为单层电介质纳米结构的长轴与x轴之间的夹角。也就是说，本发明实施例能够达到满足在两个通道上对光场振幅、相位以及偏振态进行同时且独立的调控，有效扩展了光场可调控维度，提高了可编码信息容量的技术效果。
附图说明
[0037]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0038]
图1为本发明实施例提供的一种超表面的示意图；
[0039]
图2为本发明实施例提供的一种超表面中实验装置的示意图；
[0040]
图3为本发明实施例提供的一种超表面设计方法的流程示意图；
[0041]
图4(a)-(d)为本发明实施例提供的一种超表面设计方法中双通道完美矢量涡旋光束的实验实现的示意图；
[0042]
图5为本发明实施例提供的一种超表面设计方法中双通道偏振可切换全息显示的实验实现的示意图。
具体实施方式
[0043]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0044]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于限定特定顺序。
[0045]
本发明实施例提供一种通信系统，图1为本发明实施例提供的一种超表面的示意图。如图1所示，本技术实施例提供的超表面具体包括：
[0046]
基底和单层电介质纳米结构，其中，单层电介质纳米结构置于基底之上；单层电介质纳米结构为各向异性结构，其中，单层电介质纳米结构的尺寸为亚波长尺度，单层电介质纳米结构的方位角为单层电介质纳米结构的长轴与x轴之间的夹角。
[0047]
可选的，单层电介质纳米结构的琼斯矩阵为其中t
l
，ts，分别为单层电介质纳米结构沿长轴与短轴方向上的透射率和相位调制量。
[0048]
进一步地，可选的，单层电介质纳米结构在长轴与短轴方向上具有相同的透射率系数，其中，t
l
＝ts＝t；单层电介质纳米结构在长轴与短轴方向上的相位延迟量为π，即单层电介质纳米结构在线偏振入射条件下对线偏振入射光的正交圆偏振分量的作用表示为：当琼斯矢量为[1 0]
t
的线偏振光通过方位角为θ的单层电介质纳米结构时，出射光的琼斯矢量为：
[0049][0050]
其中，为传输相位，式(1)式，用于指示单层电介质纳米结构会对右旋圆偏振分量[1 i]
t
和左旋圆偏振分量[1 i]
t
分别施加两种独立的相位调制作用，其中，表示为表示为表示为
[0051]
单层电介质纳米结构的方位角与长轴和短轴相位调制量满足：
[0052][0053]
可选的，单层电介质纳米结构以2
×
2的正方形晶格形式组成宏像素；宏像素中正对角线上两个纳米结构命名为c1和c2，反对角线上两个纳米结构命名为c3和c4；宏像素中的c1和c2作用于通道一，纳米结构c3和c4作用于通道二。
[0054]
可选的，单层电介质纳米结构横截面形状为几何图形，几何图形包括：长方形，椭圆形；单层电介质纳米结构采用低损耗高折射率电介质材料，用于对入射光产生调制作用，其中，低损耗高折射率电介质材料包括：硅、氮化硅、氮化镓或二氧化钛。
[0055]
可选的，单层电介质纳米结构采用周期性排布组成宏像素，每个单层电介质纳米结构周期基底的单元边长为p；宏像素采用周期性排布组成单层电介质超表面，每个宏像素周期基底的单元边长为2p。
[0056]
可选的，基底采用无损耗低折射率透明材料，对入射光不产生调制作用，其中，无损耗低折射率透明材料包括：玻璃、蓝宝石或氟化钙。
[0057]
综上，本技术实施例提供的超表面为基于电介质超表面，包括基底和单层电介质
纳米结构，纳米结构为各向异性结构，其横截面为几何图形，例如长方形、椭圆形。基底采用采用无损耗低折射率透明材料，例如硅、氮化硅、氮化镓、二氧化钛等；纳米结构采用低损耗高折射率电介质材料，例如玻璃、蓝宝石、氟化钙等。
[0058]
以下实施例均以工作波长λ＝633nm，横截面为长方形的多晶硅纳米柱为例。如图1所示，超表面包含两个部分，1为多晶硅纳米柱，2为石英玻璃基底。超表面的纳米结构在基底上采用周期性排布，周期为p＝450nm；纳米结构以2
×
2的形式组成宏像素，宏像素采用周期性排布组成单层电介质超表面，周期为2p＝900nm，纳米结构的高度均为h＝550nm。通过目标光场计算得到纳米结构c1、c2、c3、c4的预设相位调制作用进一步获取结构的方位角与长、短轴相位调制量并选取合适的结构尺寸进行排布，最终实现双通道中振幅、相位以及偏振态的独立调控。
[0059]
以下实施例采用如图2所示的实验装置进行实验验证，激光器产生一束波长为633nm的光束，经偏振片转变为琼斯矢量为[1 0]
t
的水平线偏振光，随后入射至超表面，实验中采用离轴的方式将两个通道的光束分开，避免产生串扰。
[0060]
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种超表面设计方法，图3为本发明实施例提供的一种超表面设计方法的流程示意图。如图3所示，应用于上述超表面，包括：
[0061]
s1：目标双通道振幅、相位及偏振态独立调控的光场通道一eout1|n1〉，通道二eout2|n2〉在正交圆偏振基矢下分解为：
[0062][0063][0064]
其中，|n1〉、|n2》表示任意偏振态，|r〉、|l〉为右、左旋圆偏振态，a
r1
、a
l1
、和a
r2
、a
l2
、分别为通道一、二中右、左旋圆偏振态的振幅与相位；
[0065]
s2：对步骤s1中获取的右、左旋圆偏振分量的振幅与相位按照以下公式进行参数转换：
[0066]eout1
|n1＞＝2cos(ξ
11
)exp(iφ
11
)|r》 2cos(ξ
12
)exp(iφ
12
)|l》
[0067]eout2
|n2》＝2cos(ξ
21
)exp(iφ
21
)|r》 2cos(ξ
22
)exp(iφ
22
)|l》
ꢀꢀ
(4)，
[0068]
其中，ξ
ij
、φ
ij
(i、j＝1，2)为转换后的不同相位分布；
[0069]
s3：使用步骤s2中获取的相位分布ξ
ij
、φ
ij
对式(3)中的右、左旋圆偏振分量复振幅进行分解：
[0070][0071][0072][0073][0074]
得到八种不同的相位调制作用；
[0075]
s4：将步骤s3中获取的八种不同的相位调制作用按照式(1)编码给宏像素中的单层电介质纳米结构c1、c2、c3、c4：
[0076]
[0077][0078][0079][0080]
其中，φ
cj
、φ-cj
(j＝1，2，3，4)为宏像素中纳米结构c1、c2、c3、c4、分别对右、左旋圆偏振光的预设相位调制作用；
[0081]
s5：根据式(2)将步骤s4中获取的八种预设相位调制作用转换为单层电介质纳米结构的设计参数，设计参数包括：方位角以及长、短轴方向上的相位调制量；
[0082]
s6：使用仿真软件对单层电介质纳米结构的尺寸进行扫描与优化，按照步骤s5中获取的长、短轴相位调制量进行尺寸选取；对宏像素进行排布形成单层电介质超表面。
[0083]
可选的，偏振态为[1 0]
t
的线偏振入射光通过超表面时，宏像素单元对入射光的正交圆偏振分量施加八种不同的相位调制在调制作用下透射光的正交圆偏振分量产生偏振相关干涉，单层电介质超表面的后表面处透射的圆偏振分量具有式(5)所示的复振幅，通过透射的正交圆偏振态线性叠加产生振幅、相位以及偏振态独立调控的两个光场，其模式表示为式(4)和(3)。
[0084]
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种超表面器件，包括：依据上述方法得到的超表面器件。
[0085]
综上，本技术实施例提供一种双通道产生完美矢量涡旋光束的超表面器件。完美矢量涡旋光束兼具矢量光束和涡旋光束的特性，具有恒定的环形强度分布、空间变化的偏振态分布以及涡旋相位，因此，该种光束的成功产生可以认为是对光场振幅、相位以及偏振态的同时且独立的调控。完美矢量涡旋光束可以表示为在两个正交圆偏振涡旋光束的线性组合基础上乘以一个恒定的环形强度分布：
[0086][0087]
其中，m、n为拓扑荷，r0、δr为环形强度分布的半径与宽度，φ0为常数项，表示极坐标。上式表示的完美矢量涡旋光束具有的偏振阶数为l
p
＝(m-n)/2，拓扑荷为l
t
＝(m n)/2。
[0088]
本实施例中选取两种不同的完美矢量涡旋光束，参数设置为(1)通道一、二：φ0＝0、r0＝100μm、δr＝15μm；(2)通道一：l
p1
＝2，l
t1
＝3，l
r1
＝5，l
l1
＝1；(3)通道二：l
p2
＝3，l
t2
＝0，l
r2
＝3，l
l2
＝-3。l
r1
、l
l1
和l
r2
、l
l2
分别为通道一、二中右、左旋圆偏振分量的拓扑荷数。
[0089]
图4(a)-(d)为本发明实施例提供的一种超表面设计方法中双通道完美矢量涡旋光束的实验实现的示意图，基于图2实验装置产生的完美矢量涡旋光束通过ccd采集。图4(a)是在双通道中实验产生的不同完美矢量涡旋光束的总强度分布以及各偏振分量强度分布，黑色箭头表示检偏方向。图4(b)是对应图4(a)的理论模拟结果。图4(c)是双通道中右、左旋圆偏振分量的同轴干涉图，图4(d)是对应的理论模拟结果。
[0090]
本技术实施例提供一种双通道偏振可切换全息显示的超表面器件。本技术实施例提出的超表面设计方法可以在实现空间非均匀偏振态分布的基础上进行振幅与相位的任
意调控。通过将不同的全息图像编码为不同偏振态上的强度信息，通过检偏器来获取、识别不同的图像信息，可进一步应用于偏振复用、多通道全息显示、全息数据加密、光信息存储等领域。
[0091]
图5为本发明实施例提供的一种超表面设计方法中双通道偏振可切换全息显示的实验实现的示意图，基于图2实验装置产生的全息图像经远场衍射投影至一白屏，并通过相机拍摄采集。通过改变起偏器的方向可以获取编码至不同偏振态上的全息图像。
[0092]
本发明实施例中，基底和单层电介质纳米结构，其中，单层电介质纳米结构置于基底之上；单层电介质纳米结构为各向异性结构，其中，单层电介质纳米结构的尺寸为亚波长尺度，单层电介质纳米结构的方位角为单层电介质纳米结构的长轴与x轴之间的夹角。也就是说，本发明实施例能够达到满足在两个通道上对光场振幅、相位以及偏振态进行同时且独立的调控，有效扩展了光场可调控维度，提高了可编码信息容量的技术效果。