[发明专利]一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置及方法

权利要求书

1.一种径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其特征在于，所述径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置包括：

径向和角向混合柱矢量光束的产生模块、径向和角向柱矢量光束空间分离器件模块和远场检测模块；

所述径向和角向混合柱矢量光束的产生模块包括：

用于产生高斯光束的第一光源和第二光源；

用于改变高斯光束的偏振方向的第一偏振片和第二偏振片；

用于通过起偏产生线偏光的第一起偏器和第二起偏器；

用于产生径向柱矢量光束的第一偏振变换元件和用于产生角向柱矢量光束第二偏振变换元件；

用于改变光路的反射镜；

用于将径向柱矢量光束和角向柱矢量光束合并为一束的合束镜；

所述径向和角向柱矢量光束空间分离器件模块包括：

用于将径向和角向混合柱矢量光束进行聚焦的透镜；

用于将径向和角向混合柱矢量光束进行空间分离的等离子体激元超构表面；

所述远场检测模块包括：

用于检测不同空间位置的径向柱矢量光束和角向柱矢量光束的光强检测装置；

所述等离子体激元超构表面对径向和角向混合柱矢量光束独立相位操控的原理具体为：利用传统动力学相位的优势，通过调整其单元结构的几何尺寸，来实现对入射偏振光的相位操纵，同时，由于矢量光的偏振不均匀性，对每个具体空间位置上的超原子引入一个旋转角θ，以此实现径向和角向的独立相位操控；对于同轴传输的径向和角向柱矢量光束，其在位置(x_i，y_i)的局域线偏振可以分别表示为：

E_u＝[cosθ_i sinθ_i]^T；

E_v＝[-sinθ_i cosθ_i]^T；

其中，T表示对矩阵取转置，E_u和E_v分别表示径向柱矢量光束和角向柱矢量光束在其光场局部位置(x_i，y_i)的偏振琼斯矩阵，且E_u|E_v＝0，表示它们互相正交，θ_i＝arctan(y_i/x_i)，表示柱矢量光束的局部偏振方向与x轴方向的夹角，i表示所在局部位置；

将(x，y)和(u，v)分别定义为实验室坐标和超表面单元结构坐标，因此超表面单元结构的琼斯矩阵表示为：

其中，r表示结构的反射率，和分别表示超表面单元结构对u轴和v轴的线偏振反射光的响应；

当E_u和E_v同时入射到超表面时，反射光表示为：

对E_u和E_v引入不同的和实现对E_u和E_v独立的相位操控；

在所述径向和角向混合柱矢量光束的产生模块中，由第一光源和第二光源产生高斯光，分别经过所述第一偏振片和所述第二偏振片以及所述第一起偏器和所述第二起偏器，分别产生X方向和Y方向偏振的线偏振光，两束线偏振光再分别经过所述第一偏振变换元件和所述第二偏振变换元件，分别产生径向和角向的柱矢量光束，角向柱矢量光束经过反射镜后，两束光经合束器，最终为混合的径向和角向的柱矢量光束；

在所述径向和角向混合柱矢量光束空间分离模块，根据所述等离子体激元超构表面对径向和角向混合柱矢量光束独立相位操控的原理，所述等离子体激元超构表面被设计为通过在径向和角向偏振方向集成共轭的梯度光栅相位，分别为：

其中，λ表示入射光的波长，α表示在x轴方向的衍射角。

2.根据权利要求1所述的径向和角向柱矢量光束的独立位相控制装置，其特征在于，所述第一光源、所述第一偏振片、所述第一起偏器、所述第一偏振变换元件、所述合束镜、所述透镜和所述等离子体激元超构表面依次设置在同一光轴上；

所述第二光源、所述第二偏振片、所述第二起偏器、所述第二偏振变换元件和所述反射镜依次设置在同一光轴上；

所述合束镜设置在所述反射镜上方；

所述光强检测装置设置在所述等离子体激元超构表面下方。