[发明专利]偏振阶数可调且可连续变焦的柱矢量光束透镜及构造方法

权利要求书

1.一种偏振阶数可调且可连续变焦的柱矢量光束透镜，其特征在于，包括两片级联的超表面阵列，每片超表面阵列包括多个纳米砖结构单元，所述纳米砖结构单元包括工作面以及设置在工作面上的纳米砖，同一片超表面阵列上的纳米砖结构单元的尺寸参数不尽相同；

采用线偏振光入射级联的两片超表面阵列时产生柱矢量光束；

在以线偏振光入射时，固定第一片超表面阵列，绕光轴旋转第二片超表面阵列，实现出射柱矢量光束的偏振阶数连续调节和连续变焦。

2.根据权利要求1所述偏振阶数可调且可连续变焦的柱矢量光束透镜，其特征在于，在初始状态下，两片超表面阵列上相同位置处对应的纳米砖结构单元的纳米砖转向角相同但纳米砖结构单元的传输相位不同。

3.根据权利要求1所述偏振阶数可调且可连续变焦的柱矢量光束透镜，其特征在于，每个纳米砖结构单元的功能均等效为微纳半波片，且同一片超表面阵列上的所有纳米砖结构单元的纳米砖高度相同，不同纳米砖的边L_x和边L_y有所不同，不同尺寸参数的纳米砖结构单元的传输相位不同。

4.一种根据权利要求1-3任意一项所述的偏振阶数可调且可连续变焦的柱矢量光束透镜的构造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在工作波长下优化得到功能等效为微纳半波片且具有多台阶传输相位的纳米砖结构单元的多组尺寸参数，每组尺寸参数对应一相位传输值；

2)以超表面阵列的两条相互垂直的直径分别设为x轴和y轴，以超表面阵列的中心为坐标原点建立xoy坐标系，纳米砖结构单元的纳米砖转向角α为其纳米砖的边L_x与x轴的夹角，纳米砖中心点的位置坐标记为(r,θ)，其中，r为纳米砖中心点的极径，θ为该纳米砖中心点的极角，每片超表面阵列上的各纳米砖结构单元的纳米砖转向角α由其中心点的位置坐标(r,θ)确定；纳米砖转向角α与其中心点位置坐标(r,θ)满足的函数关系为：α＝f(r,θ)＝aθ²_π，其中a为参数且取非负常数，M_N表示M对N的取模运算；根据偏振阶数调节要求、纳米砖中心点的位置坐标(r,θ)以及上述的纳米砖转向角α函数关系确定每片超表面阵列上各位置处的纳米砖结构单元的纳米砖转向角α的排布；

每片超表面阵列上的各纳米砖结构单元的传输相位由其中心点的位置坐标(r,θ)确定，第一片超表面阵列对应的相位分布为：p₁(r,θ)＝br²θ，第二片超表面阵列对应的相位分布为：p₂(r,θ)＝-br²θ，其中b为参数且取非负常数，根据焦距调节要求、纳米砖中心点的位置坐标(r,θ)以及上述两片超表面阵列对应的相位分布公式计算得到每片超表面阵列中各位置处的纳米砖结构单元的相位值，并根据计算得到的各位置处的纳米砖结构单元的相位值从步骤1)中优化得到的多组尺寸参数中找出各纳米砖结构单元对应的一组尺寸参数，再将该尺寸参数的纳米砖结构单元按照上述确定的对应位置的纳米砖转向角α进行排布从而得到每片目标超表面阵列；

3)根据上述设计的每片超表面阵列上的纳米砖结构单元的纳米砖转向角和尺寸参数的排布方式，通过微纳加工方法制备上述两片目标超表面阵列，将加工得到的两片超表面阵列进行级联即得到所需的柱矢量光束透镜。

5.根据权利要求4所述偏振阶数可调且可连续变焦的柱矢量光束透镜的构造方法，其特征在于，在初始状态下，两片超表面阵列上相同位置处对应的纳米砖结构单元的纳米砖转向角相同，即：α₁(r,θ)＝α₂(r,θ)＝aθ²_π，式中，α₁表示第一片超表面阵列上的纳米砖单元结构的纳米砖转向角分布，α₂表示第二片超表面阵列上的纳米砖单元结构的纳米砖转向角分布，θ为纳米砖中心位置的极角，a为参数且为非负常数，M_N表示M对N的取模运算；

当第二片超表面阵列绕光轴旋转Δθ后，一束振动方向与x轴的夹角为γ的线偏振光依次经过两片级联的超表面阵列，从超表面阵列出射的光波为柱矢量光束，其偏振阶数为：n＝-4aΔθ，其偏振初始方位角为：