[发明专利]基于达曼涡旋超颖表面的光束微分运算方法

说明书

本发明公开的基于达曼涡旋超颖表面的光束微分运算方法，属于涡旋光束、结构光束，光学通信领域。本发明实现方法为：设计广义涡旋光束，利用达曼涡旋光栅特有的各个衍射级次拓扑荷加减变化以及倍乘关系，结合广义涡旋光束具有的相位微分计算特点，在超颖表面上产生不同形状的广义涡旋光束阵列，通过构建光栅阵列并赋予广义涡旋光束阵列微分运算功能，将广义涡旋光束阵列针对各个衍射级次的单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，利用不同衍射级次呈现的形态特征与定义函数之间的关联，建立关于广义涡旋光束阵列各个衍射级次的微分运算关系，实现微分运算的光学可视化呈现，使广义涡旋光束阵列具有更丰富光学结构自由。

技术领域

本发明涉及一种广义涡旋光束阵列产生方法及制备方法，尤其涉及一种基于达曼涡旋超颖表面的光束微分运算方法，属于涡旋光束、结构光束，光学通信领域。

背景技术

涡旋光束是一种携带轨道角动量(OAM)的特殊的结构光束，它的主要特征由其相位分布表达e^ilθ。螺旋形相位波前，甜甜圈状环形强度分布以及独特的相位奇点构成了涡旋光束的最基本特征。随着涡旋光束被广泛应用到光学通信、光学加密、粒子捕获等各个领域。关于涡旋光束本身更加丰富的功能与特征正在逐渐被研究者们开发探索。比如在光束模式调控方面，贝塞尔光束、厄米特高斯光束等多种结构光束正逐渐成为涡旋光束的载体，在不断发挥着应用特点。针对涡旋光束的无限正交轨道角动量数目的特点，研究者们利用达曼涡旋光栅对光场信息进行复用和解复用操作则能够实现新的并轨传输，极大程度提高了光学通信的传输速度。除此之外，涡旋光束本身的相位梯度特征也为丰富的光束变形提供了开发条件，复合模式涡旋光束、分数阶涡旋光等多种丰富形式的结构光束概念正在逐渐被开发和应用。然而，目前针对涡旋光束的结构探索仅仅停留在光束形态方面，将其与涡旋光束的轨道角动量无限特征结合则有机会开发出结构光束更加丰富的应用功能。

发明内容

为解决现有技术中达曼涡旋光栅可利用维度低，光束形式不自由等问题，本发明公开的基于达曼涡旋超颖表面的光束微分运算方法目的是：设计广义涡旋光束，利用达曼涡旋光栅特有的各个衍射级次拓扑荷加减变化以及倍乘关系，结合广义涡旋光束具有的相位微分计算特点，能够在超颖表面上产生不同形状的广义涡旋光束阵列，通过构建光栅阵列并赋予广义涡旋光束阵列微分运算功能，将广义涡旋光束阵列针对各个衍射级次的单一拓扑电荷数定义方式改变为函数形式的相位微分梯度变化，利用不同衍射级次呈现广义涡旋光束阵列的形态特征与定义函数之间的关联，建立关于广义涡旋光束阵列各个衍射级次的微分运算关系，实现微分运算的光学可视化呈现，从而使广义涡旋光束阵列具有更丰富的光学结构自由。所述更丰富自由度的光学结构自由包括各个衍射级次光束形态的自由变化，以及各个光束之间具有的微分计算关联。

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于达曼涡旋超颖表面的光束微分运算方法，包括如下步骤：

步骤一：定义并设计能够产生自由轮廓形式且包含相位微分功能的广义涡旋光束。

对于广义涡旋光束，拓扑电荷数L₀用以描述环绕奇点的相位累积，用公式(1)定义能够产生自由轮廓形式且包含相位微分功能的广义涡旋光束：

其中，用以描述环绕奇点不同方位角位置上的相位变化梯度。拓扑电荷数L₀则用以表示环绕整个奇点的相位平均变化。对于传统涡旋光束，l(θ)＝L₀，环绕奇点的相位分布是均匀的，对于广义涡旋光束，相位梯度分布沿角向呈现函数式非均匀变化，相位微分不恒等于拓扑电荷数。

公式(1)定义的广义涡旋光束，将传统涡旋光束拓扑电荷数的定值形式拓展为自由的函数形式。