[发明专利]一种波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器

说明书

本发明涉及一种涡旋光束超表面发生器的设计，具体为一种波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器；由若干个按照正方形晶格周期性排列的矩形柱单元结构构成，每个矩形柱结构高度相同，长度和宽度不同，矩形柱结构在长度方向和宽度方向具有独立的相位梯度，且相位覆盖范围均为0°～360°，所述矩形柱结构的排布满足其透射波相位能够分别将波长为530nm的x线偏振和波长为660nm的y线偏振入射光束会聚成亮环半径不随拓扑荷变化而变化的完美涡旋光束；受入射光波长和偏振态的控制，不同波长、不同偏振态的入射光入射时，能够产生不同亮环半径的完美涡旋光束；每个矩形柱单元结构沿x方向和沿y方向的传输相位无需满足半波片的要求，设计更加灵活。

技术领域

本发明涉及一种涡旋光束超表面发生器的设计，具体为一种波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器。

背景技术

涡旋光束是一种具有螺旋形波前且中心光强为零的空心光束。涡旋光束可以用来操纵粒子或者对光通信系统的信息进行编码，因此它在光通信、粒子捕获和成像等领域内具有重要的应用前景。然而，利用传统方法获得的涡旋光束，其亮环半径会随着拓扑电荷值的增大而增大，这使得具有不同拓扑电荷的涡旋光束在同一器件进行耦合和传输等应用时变得非常困难。

为了解决这个问题，人们提出了亮环半径不受拓扑电荷影响的完美涡旋光束，这种光束的亮环尺寸不随拓扑电荷的变化而变化，在光通信、量子光学和激光制造等领域具有特殊的应用。传统的完美涡旋光束的产生需要螺旋相位板、轴棱镜、傅里叶透镜等多个光学元件共同作用，结构复杂，体积庞大，阻碍了完美涡旋光束在小型化和集成化光学系统中的应用。

发明内容

为了解决这一问题，本发明提出了一种波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器，可有效解决背景技术提出的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器，由若干个按照正方形晶格周期性排列的矩形柱单元结构构成，每个矩形柱结构高度相同，长度和宽度不同，矩形柱结构在长度方向和宽度方向具有独立的相位梯度，且相位覆盖范围均为0°～360°，所述矩形柱结构的排布满足其透射波相位能够分别将波长为530nm的x线偏振和波长为660nm的y线偏振入射光束会聚成亮环半径不随拓扑荷变化而变化的完美涡旋光束；

所述矩形柱单元结构的透射波相位满足：

其中，

在上述公式中，x和y表示超表面平面内单元结构的中心点坐标；

公式(2)为螺旋相位板的相位公式，m表示拓扑电荷；

公式(3)为轴棱镜的相位公式，d为轴棱镜周期，它控制完美涡旋光束的亮环半径大小；

公式(4)为傅里叶透镜的相位公式，f为透镜的理论焦距，λ为工作波长。

作为优选，选择n个传输相位不尽相同的矩形柱结构作为构建超表面的基本元素，形成双相位梯度分布的超表面阵列。

作为优选，所述矩形柱结构由高折射率的二氧化钛材料组成。

作为优选，采用石英玻璃作为所述矩形柱结构的基底。

作为优选，所述矩形柱结构所在的正方形晶格周期为400nm，所述矩形柱结构位于其所在正方形晶格的中心处。

作为优选，所述矩形柱结构的高度为600nm。

本发明的波长和偏振态同时复用的双完美涡旋光束超表面发生器可达到如下有益效果：