[发明专利]一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面

权利要求书

1.一种基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、首先引入第1阶分束相位因子，n个单元结构作为一个周期沿着x轴方向分布，n≥2，且n为整数；柱状微结构按顺序依次逆时针旋转0°、180°/n、2*180°/n、3*180°/n,…(n-1)*180°/n，可获得两束共轭的左右旋波束，并且获得调制相位为0°、2*180°/n、2*2*180°/n、2*3*180°,…2*(n-1)*180°/n和0°、-2*180°/n、-2*2*180°/n、-2*3*180°,…-2*(n-1)*180°/n，相位覆盖0～2π，出射角为±0～90°；

步骤2、在步骤1的基础上引入涡旋相位因子，实现±l₁阶共轭对称的涡旋光束；按照象限角超表面均匀分成N₁份，N₁为象限划分份数，且N₁为正整数；相位按照环形以2π/N₁梯度递增排布，相位覆盖0～2π，故而在前述的基础上柱状微结构根据相应的象限角所需的相位分布再一次逆时针旋转，旋转角度总是为象限角相位分布的一半，最后实现出射角度为±0～90°的共轭对称的±l₁阶涡旋光束；

步骤3、另外，为了实现共轭非对称±l₂阶涡旋光束，需要引入第3阶背景梯度相位因子，而第3阶背景梯度相位因子通过n个与前述形状相同大小不同的柱状微结构来实现；由于第3阶背景梯度相位因子引入，n个单元结构获得初始相位分别为0°、180°/n、2*180°/n、3*180°/n…,(n-1)*180°/n；

步骤4、在步骤3的基础上，引入第1阶分束相位因子，n个形状相同大小不同的单元结构作为一个周期沿着x轴方向分布，柱状微结构按顺序依次逆时针旋转0°、180°/n/2、2*180°/n/2、3*180°/n/2…,(n-1)*180°/n/2，可获得两束共轭的左右旋波束，而第1阶分束相位因子获得调制相位为0°、180°/n、2*180°/n、3*180°/n…,(n-1)*180°/n和0°、-180°/n、-2*180°/n、-3*180°/n…,-(n-1)*180°/n；

步骤5、在步骤3、4基础上，由第3阶背景梯度相位因子和第1阶分束相位因子获得的调制相位叠加，最后获得叠加后的调制相位为0°、2*180°/n、2*2*180°/n、2*3*180°,…2*(n-1)*180°/n和0°、0°、0°、0°，故而实现出射角为0～90°和0°左右旋波束；

步骤6、最后在步骤5基础上，引入第2阶涡旋相位因子，实现±l₂阶共轭对称的涡旋光束；按照象限角超表面均匀分成N₂份，N₂为象限划分份数，相位按照环形以4π/N₂梯度递增排布，相位覆盖0～4π，故而在上述的基础上柱状微结构矩形块根据相应的象限角所需的相位分布再一次逆时针旋转，实现出射角度为0°、0～90°的共轭非对称±l₂阶涡旋光束；

所述单元结构包括上下两层硅介质，总厚度为400～600um；下层硅介质的平面图形为边长100～200um的正方形，作为衬底；上层硅介质为厚度160～360um的柱状微结构；各柱状微结构以其水平中心旋转满足该位置相位需求，柱状微结构相位变化慢的方向作为慢轴，相位变化快的方向作为快轴，两轴相互正交，柱状微结构在两个正交方向的相位相差180°；

各单元结构通过在水平方向以柱状微结构的物理中心旋转柱状微结构满足相位分布需要，相位覆盖0～2π，太赫兹入射平面波沿x方向极化，并且垂直于该超表面入射；

所述单元结构的柱状微结构满足相位分布需要的规则为：根据3阶相位因子叠加，按照象限角分成N份，分别实现N＝N₁时出射角度为±0～90°的共轭对称的±l₁阶涡旋光束和N＝N₂时出射角度为0°、0～90°的共轭非对称±l₂阶涡旋光束,l₁、l₂分别为拓扑电荷值；所述3阶相位因子为分束相位因子、涡旋相位因子和背景梯度相位因子。

2.如权利要求1所述基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面的设计方法，其特征在于：所述柱状微结构的平面图形为椭圆形、矩形、U型或/和L型。

3.如权利要求1所述基于多阶相位因子的全介质硅太赫兹涡旋超表面的设计方法，其特征在于：所述柱状微结构的物理中心投影与下层硅介质的物理中心重合。