[发明专利]一种基于超表面的艾里光束发生器

说明书

本发明公开了一种基于超表面的艾里光束发生器，涉及光学技术领域，包括一束入射光和用于将入射光转换为艾里光束的超表面器件；其中对于基于几何相位设计的艾里光束发生器，所述入射光为圆偏振光；对于基于传播相位设计的艾里光束发生器，所述入射光可为任意偏振光；在所述的超表面器件上加载立方相位和菲涅尔透镜相位可产生单个艾里光束，通过额外加载达曼光栅相位可以产生艾里光束阵列。和以往紧贴着超表面产生艾里光束的器件比起来，本发明可设计出在超表面后方任意距离处产生艾里光束的器件；和传统的基于空间光调制器方法产生的艾里光束相比，本发明所设计的器件具有更高的相位精度从而能够产生具有更长无衍射距离的艾里光束。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于超表面的艾里光束发生器。

背景技术

超表面由周期性排布的微结构组成，其中每个微结构的厚度和周期都小于工作波长。因此，超表面一般被称为二维超材料。它的制造工艺与现有的纳米加工技术相兼 容，这使得超表面具有低成本批量制造的潜力。相对于传统的光学系统，超表面可以 在亚波长尺寸内控制电磁波波前，这对于未来的集成光学领域具有很大的应用前景。

通过空间光调制器和物镜来产生艾里光束需要庞大的傅里叶变换系统，使用超表面来直接产生艾里光束大大的简化了光路。除此之外，我们设计的艾里光束发生器可 以获得更大的无衍射距离。目前基于超表面产生的艾里光束可以获得较小的光斑尺寸， 然而这些光束都大部分都从超表面处开始产生。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于超表面的艾里光束发生器，使得设计的艾里光束不仅具有紧凑的聚焦光斑尺寸和距离可控的焦长，还具有更长无衍射距 离。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种基于电介质超表面的艾里光束发生器。该器件大大简化了传统产生艾里光束所需要的庞大的傅里叶变换系统，并且所 产生的艾里光束在具有紧凑的聚焦光斑尺寸和距离可控的焦长，同时还具有更长的无 衍射距离。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于电介质超表面的艾里光束发生器，包括一束入射光和用于将入射光转换为艾里光束的超表面器件；其中对于基于几何相位设 计的艾里光束发生器，所述入射光为圆偏振光，且可以宽波段工作；对于基于传播相 位设计的艾里光束发生器，所述入射光为任意偏振光。

进一步地，所述超表面器件包括二氧化硅基底和电介质纳米微结构阵列。

进一步地，所述电介质纳米微结构包括长方体状或圆柱状，相邻的所述电介质纳米微结构单元的距离为亚波长，所述加载相位的电介质纳米微结构需要满足奈奎斯特 采样定理。

进一步地，所述长方体状电介质纳米微结构通过改变长方体的旋转角度来调控相位。

进一步地，所述圆柱体状电介质纳米微结构通过改变圆柱体的直径来调控相位。

进一步地，对于产生单个艾里光束，各所述电介质纳米微结构的中心处对应的相位需要满足公式(1)：

其中，项为立方相位，项为菲涅尔透镜相位，(x,y)为 各所述电介质纳米微结构中心所对应的空间位置，f为菲涅尔透镜的焦距，x₀为艾里光束主瓣宽度的一半，λ为波长。

进一步地，对于产生艾里光束阵列，各所述电介质纳米微结构的中心处对应的相位需要满足公式(2)：

其中为达曼光栅相位。

进一步地，所述公式中的参数b₁和f需要满足公式(3)：