[发明专利]一种基于电介质超表面结构的几何相位调控方法及系统

权利要求书

1.一种基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，其特征在于，所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法包括以下步骤：

步骤一，确定电介质超表面结构模块的参数与几何贝里相位定量关系；

步骤二，控制光束的轨道角动量这一自由度。

2.如权利要求1所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，其特征在于，步骤一中，所述利确定电介质超表面结构模块的参数与几何贝里相位定量关系的方法为：

几何贝里相位与光的局部偏振态的改变相关，通过设计对于局部具有不同偏振态的均匀和非均匀的电介质超表面获得几何相位，从而建立电介质超表面结构模块的几何参数与偏振改变间的定量关系。

3.如权利要求1所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，其特征在于，步骤一具体包括：各向异性介质在光的传播方向上具有均匀的相位延迟，在横向平面内，不同光轴方向的单轴晶体按一定规则排列，局部的光轴方向表示其中局部光轴方向与局部径向的夹角α₀；局部径向与x轴的夹角q为整数或半整数，用来描述超表面结构的空间旋转率；

光轴方向空间变化中，相移Φ空间均匀，表示为Φ＝2π(n_e-n_o)d/λ；其中n_e、n_o、d和λ分别表示慢、快轴的折射率、厚度和波长；

贝里相位光学元件用Jones矩阵描述，一个超表面由大量具有空间变化的光轴方向的单轴晶体构成；光传输性质矩阵为：

光轴方向与x方向成夹角α，W₀为相位延迟板的Jones矩阵，M(α)为坐标旋转矩阵，分别表示为

和

入射任意线偏振光E₀(x,y)为振幅，(cosθ，sinθ)^T为偏振方向，θ为电场矢量与径向的夹角；通过超表面后的输出电场E_out(x,y)＝T(x,y)E_in(x,y)为：

其中ψ＝2α(x,y)-2θ＝2[qarctan(y/x)+α₀-θ]就是光束所携带的贝里相，在空间上变化，并且左旋和右旋圆偏振分量的贝里相的符号正好相反；

几何贝里相不仅与超表面的结构参数有关，还与入射偏振态有关；通过超表面的结构和光束的偏振分布来调控q参数实现不同轨道角动量态的调控；

电介质超表面的的输出电场E_out(x,y)由分别由两个圆偏振光的相干叠加组成，每个圆偏振光部分由一个常量部分和一个携带贝里相的部分组成；光束通过超表面能够将圆偏振光转换为带有的轨道角动量且具有与入射偏振手性相反的圆偏振光，角动量守恒中，超表面为自旋和轨道角动量转换的中介；而且角动量转换过程效率取决于Φ，即sin²(Φ/2)比例的光子参与角动量转换，cos²(Φ/2)比列的光子保持自旋和轨道角动量不变。

4.如权利要求1所述基于电介质超表面结构的几何相位调控方法，其特征在于，步骤二中，所述控制光束的轨道角动量这一自由度的方法为：

利用超表面的自旋-轨道角动量转换过程来容易和快速的控制光的偏振自由度，从而达到控制光束的轨道角动量这一自由度；

利用超表面的自旋-轨道角动量转换过程控制光的偏振自由度中，通过自旋-超表面的自旋-轨道角动量转换装置进行光束的轨道角动量自由度的控制，所述自旋-超表面的自旋-轨道角动量转换装置包括单光子源、自旋-轨道角动量转换模块、自旋-轨道角动量分离模块和反馈补偿模块；

所述单光子源用于产生水平偏振单光子，所述自旋-轨道角动量转化模块用于实现光子自旋角动量到轨道角动量的转化，获得自旋-轨道角动量偏振态光子，所述自旋-轨道角动量偏振态分离模块用于对未发生转化的水平偏振单光子和自旋-轨道角动量混合纠缠态光子进行分离，所述反馈补偿模块用于将分离出的未发生转化的水平偏振单光子反馈传输至所述自旋-轨道角动量转化模块。