[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

说明书

本发明属于光学几何相位调控技术领域，公开了一种基于电介质超表面结构的几何相位调控方法及系统，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就可以获得几何相位，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；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。本发明利用电介质超表面的结构来调控几何相位，从而实现主动操控光束的轨道角动量。超表面的光学和光子学的集成器件，相对于当前仅用于电子学或更大元件水平上的电子学和光子学的集成，其应用的速度和性能有极大的提升空间。

技术领域

本发明属于光学几何相位调控技术领域，尤其涉及一种基于电介质超表面结构的几何相位调控方法及系统。

背景技术

目前，最接近的现有技术：2006年，Marrucci等人利用超表面结构来实现自旋-轨道角动量转换和产生涡旋光束。其原理是超表面也将产生空间变化的几何贝里相位(与偏振态改变有关)，能够使圆偏振光手性反转并产生涡旋相位。这类光学元器件可实现对光束轨道角动量的操控，产生涡旋光束和矢量光束。2009年，Karimi等人实现了利用温度控制的超表面结构高效的产生(效率97％)和挑选(效率81％)光束的轨道角动量基模。2014年，Karimi等人发现了可见波段圆偏振光可通过等离子体q板(也叫等离子体超表面)改变光子轨道角动量。当等离子体超表面(纳米天线阵列组成)厚度远小于光波长时，自旋-轨道角动量的耦合效率可达3％。这一转换过程是源于纳米结构阵列中双折射的发生。这种方法可以得到一种生成可见光波段的轨道角动量光束的超薄发生器，在光谱学、成像、感应和量子信息等领域存在潜在的应用价值。

超薄超表面组成的亚波长等离激元共振器是单层的，能够在介质界面产生局部的相位突变，利用相位突变来代替电磁波传播过程中的累积相位差，能够实现在亚波长范围内对电磁波的深度调控，对器件的小型化和集成具有重要的意义。因为相位不连续是无散射的，仅依赖结构模块的取向，而不是光谱响应和入射光波长。基于这一原理，2012年，英国的张霜小组设计并实验研究了一种在光波到近红外波段都可产生突然的相位变化和波前控制的等离子超表面，当以圆偏振光入射时，产生了宽带涡旋光束。2012年，美国的Capasso小组研究了超薄平板光学元件(V型的等离子体天线微结构)产生不同拓扑荷数的光涡旋，在功率上述实现了30％的偏振转换。2015年，英国的张霜小组利用反射式金纳米天线阵列，在实验中捕捉到令人满意的激光全息图像，实测衍射效率高达80％。

目前限制超表面应用的根源是转换效率较低。最近，作为超薄低损耗元件，电介质超表面已经被证明可用于控制光的波前，其中大部分的超表面设计都是基于金属共振的低耦合效率的光学元件，导致了电阻损耗。美国的Yang等人利用银基底的高折射率的硅线模块结构超表面，实现了高频段光学涡旋光束的高线偏振转换效率(98％)，美国的Lin等人研究了左圆偏振高斯光束通过电介质梯度超表面光学元件后产生非衍射的贝塞尔光束，衍射效率达到75％以上。湖南大学的罗海陆小组利用电介质超表面产生高效率的矢量光束。

基于光场的自旋角动量和轨道角动量耦合器件，一种具有特殊几何结构的非均匀各向异性介质q-Plate出现了，它可看成是局部光轴方向变化的单轴晶体。它的功能是将左右圆偏振光束转换成携带有拓扑荷数的手性相反的圆偏振光束，其所起的作用是自旋-轨道角动量转换的中介。其中液晶分子构成的超表面可以方便的实现q值和拓扑荷数的任意可调，这可以通过调节结构参数来完成。但百微米量级的器件尺寸对于先进的光子学设备集成来说仍然太大。

最近，作为超薄低损耗元件，电介质超表面已经被证明可用于控制光的波前。利用高折射率的电介质天线构造的几何贝里相位光学元件易于制备且转换效率高，可实现高性能的轨道角动量光束产生器件，并达到操控光束轨道角动量态这一目的。基于上述考虑，由于超表面光电性质的人工可调性，根据需要设计各种各样的结构以产生不同几何贝里相位具有很强的可行性。