[发明专利]基于介质共形超颖表面实现波前调制的方法

权利要求书

1.基于介质共形超颖表面实现波前调制的方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：设计超颖表面单元结构；

步骤二：根据用户定制功能计算曲面及超颖表面相位分布；

步骤三：根据步骤一设计的超颖表面单元结构和步骤二计算的曲面及超颖表面相位，实现超颖表面单元阵列和相位分布的映射，即实现对超颖表面相位进行编码；

步骤一具体实现方法为,

超颖表面由具有不同几何尺寸的各向同性介质圆纳米柱阵列构成；通过改变纳米柱单元几何尺寸，使超颖表面对出射光束的相位和振幅进行任意地调控；所述的几何尺寸包括纳米柱的半径r、高度h以及超颖表面单元的周期P；首先根据曲面曲率选择周期P，通过对电场E随半径r和高度h的二维扫描，使得振幅均一、相位覆盖0～2π，确定圆纳米柱的高度；

步骤二具体实现方法为，

首先只考虑单个曲面时，根据光线追迹的方法或者时域有限差分法计算出入射光通过曲面的相位分布然后根据衍射理论或全息原理分析方法计算出用户定制功能的相位分布从而用介质共形超颖表面补偿两者的相位差

步骤二所述的用户定制功能包括透镜聚焦、可调异常折射、光学隐身和幻象功能；

步骤2.1：当实现透镜聚焦功能时，计算曲面及超颖表面相位的实现方法为，首先只考虑单个曲面时，根据光线追迹的方法或者时域有限差分法计算出入射光通过曲面的相位分布然后根据公式(1)所示的衍射理论分析方法计算出用户定制功能的相位分布

其中：k₀＝2π/λ是自由空间波矢量，f是圆柱透镜的焦距，x表示坐标；

根据入射光通过曲面的相位分布和实现聚焦功能的相位分布用介质共形超颖表面补偿两者的相位差

步骤2.2：当实现可调异常折射功能时，计算曲面及超颖表面相位实现方法为，首先只考虑单个曲面时，根据光线追迹的方法或者时域有限差分法计算出入射光通过曲面的相位分布根据衍射理论中如公式(2)所示的异常折射的广义斯涅耳定律计算出用户定制功能的相位分布

其中λ是工作波长，dφ/dx是沿界面的相位梯度，θ_i和θ_t分别是入射角和折射角，n_i和n_t是入射和透射介质的折射率；

根据入射光通过曲面的相位分布和实现可调异常折射的相位分布用介质共形超颖表面补偿两者的相位差

步骤2.3：当实现曲面隐身的功能时，计算曲面及超颖表面相位的实现方法为，首先只考虑单个曲面时，根据光线追迹的方法或者时域有限差分法计算出入射光通过曲面的相位分布由于实现曲面隐身的功能，所以出射光的波前和入射光一致，相位分布为常数；根据入射光通过曲面的相位分布和相位分布用介质共形超颖表面补偿两者的相位差

步骤2.4：当实现光学幻象的功能时，计算曲面及超颖表面相位的实现方法为，首先只考虑单个曲面时，根据光线追迹的方法或者时域有限差分法计算出入射光通过曲面的相位分布然后根据全息原理，使用Gerchberg-Saxton算法(GS)并使用Rayleigh-Sommerfeld公式(3)进行光传播；因此，从曲面得到全息图像的复振幅如下：

其中U_o和U_I分别代表超颖表面全息面和再现面上的复振幅；(x_o,y_o,z_o)和(x_I,y_I,z_I)分别表示超颖表面全息面和再现面上的坐标；在公式(3)中：

其中，是共形超表面的相位分布，是曲面的相位分布；等式表示再现面和全息面之间的距离，Γ表示方向性；联立并求解公式(3)、(4)、(5)获得曲面全息图的相位分布

根据入射光通过曲面的相位分布和实现光学幻象的相位分布用介质共形超颖表面补偿两者的相位差。

2.如权利要求1所述的基于介质共形超颖表面实现波前调制的方法，其特征在于：还包括步骤四：根据可穿戴电子产品、医疗设备或光电器件领域所需的用户定制功能，基于介质共形超颖表面实现相应的波前调制，解决可穿戴电子产品、医疗设备或光电器件领域相应技术问题。