[发明专利]一种模式可控的矢量涡旋光束生成装置及生成方法

权利要求书

1.一种模式可控的矢量涡旋光束生成装置，其特征在于，包括电磁波发射装置、电磁波接收装置、控制器、可调式阿基米德螺旋金属颗粒、人工表面等离激元波导、介质基板，其中，

人工表面等离激元波导设置于介质基板上方，其输入端与电磁波发射装置输出端连接，其输出端与电磁波接收装置输入端连接；可调式阿基米德螺旋金属颗粒对称设置于人工表面等离激元波导的两侧；所述可调式阿基米德螺旋金属颗粒的厚度、阿基米德金属旋臂宽度固定，其半径、阿基米德金属旋臂数目、位置均可调；人工表面等离激元波导，采用H型金属周期槽结构；

所述控制器，用于根据用户输入的待调试的拓扑荷大小，确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径、标准阿基米德金属旋臂数目，以及与人工表面等离激元波导的距离，进而调整阿基米德螺旋金属颗粒的形状和位置，控制产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束；

上述控制器执行如下程序控制产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束：

根据待调试的拓扑荷大小、工作波长，通过下面公式确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径R和标准阿基米德金属旋臂数目m，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准半径R和标准阿基米德金属旋臂数目m

其中

式中，c为真空波速，f为电磁波频率，λ为工作波长，n_eff为金属颗粒材料的等效折射率，表示取整运算，θ为螺旋相位，当待调试的拓扑荷大小l＝0时，θ＝±2π，当待调试的拓扑荷大小l＝±1时，θ＝±2π，当待调试的拓扑荷大小l＝±2时，θ＝±4π；

根据待调试的拓扑荷大小、上述标准半径R和标准阿基米德金属旋臂数目m，进一步通过下面公式确定每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离h，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准距离h，稳定后产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束

式中，d为H型金属周期槽结构的单元槽深。

2.根据权利要求1所述的模式可控的矢量涡旋光束生成装置，其特征在于，所述电磁波发射装置发射的电磁波为微波频段；

所述可调式阿基米德螺旋金属颗粒、人工表面等离激元波导采用同种材料；

所述材料，包括铜、铝、银、金中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的模式可控的矢量涡旋光束生成装置，其特征在于，两个大小、结构相同的所述阿基米德螺旋金属颗粒布设为偶极子结构，设置于与人工表面等离激元距离相等的位置处；

所述介质基板的厚度为0.4～0.8mm；

所述H型金属周期槽结构的厚度为0.018～0.035mm，单元周期长度为4～6mm，单元槽宽为1～2mm，单元高度为9～12mm；

所述可调式阿基米德螺旋金属颗粒的固定尺寸：厚度为0.018～0.035mm，每一个阿基米德金属旋臂的宽度为0.3～0.4mm。

4.一种利用权利要求1-3之一所述矢量涡旋光束生成装置的矢量涡旋光束生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

布设矢量涡旋光束生成装置于预设位置处，使人工表面等离激元波导表面馈电；

根据待调试的拓扑荷大小、工作波长，通过下面公式确定每一阿基米德螺旋金属颗粒的标准半径R和标准阿基米德金属旋臂数目m，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准半径R和标准阿基米德金属旋臂数目m

其中

式中，c为真空波速，f为电磁波频率，λ为工作波长，n_eff为金属颗粒材料的等效折射率，表示取整运算，θ为螺旋相位，当待调试的拓扑荷大小l＝0时，θ＝±2π，当待调试的拓扑荷大小l＝±1时，θ＝±2π，当待调试的拓扑荷大小l＝±2时，θ＝±4π；

根据待调试的拓扑荷大小、上述标准半径R和标准阿基米德金属旋臂数目m，进一步通过下面公式确定每一阿基米德螺旋金属颗粒到人工表面等离激元波导之间的标准距离h，将两个阿基米德螺旋金属颗粒自动调至所述标准距离h，稳定后产生具有所述待调试的拓扑荷大小的矢量涡旋光束

式中，d为H型金属周期槽结构的单元槽深。