[发明专利]一种几何相位元件、及其设计方法和矢量光场产生装置

说明书

一种几何相位元件、及其设计方法和矢量光场产生装置，涉及光场空间模式变换技术领域，用以解决现有技术无法实现精确的空间复振幅调控的问题。所述方法包括：从目标光场的空间复振幅中提取相位空间二维分布信息及振幅空间二维分布信息；在所提取的所述相位空间二维分布信息上叠加闪耀光栅相位结构获得相位掩膜版；将所提取的所述振幅空间二维分布信息转译为光栅衍射效率分布；将所述光栅衍射效率分布叠加到所述相位掩膜版上得到复振幅掩膜版；将所述复振幅掩膜版作为目标几何相位空间分布转译为几何相位元件的光轴取向的二维空间分布。生成一种具备空间复振幅调制能力的二元几何相位元件，实现高效、高精确产生任意矢量光场。

技术领域

本发明涉及光场空间模式变换技术领域，具体涉及一种几何相位元件、及其设计方法和矢量光场产生装置。

背景技术

偏振态、振幅及相位呈现空间不均匀分布的傍轴光场称为矢量空间结构光场，简称矢量光场，其在现代光子学研究及应用中具有重要意义。任意矢量光场都可由一对正交标量空间(或称高阶激光)模式与对应正交偏振态的不可分离态(或称光学自旋-轨道耦合)完备描述。因此，制备矢量光场需要对调控光场在某一对正交偏振态下分别实施独立的空间复振幅(即振幅及相位)调制。

现有矢量光场的制备方法主要有两种技术路线。第一种是构建含有空间光调制器(SLM)的偏振干涉仪：干涉仪中的SLM，如硅基液晶(LCoS)或数字微镜(DMD)，对两路正交偏振光做空间复振幅调制，最终在偏振干涉仪的输出端得到任意目标矢量光场。例如2007年《New Journal of Physics》第9卷发表的《Tailoring of arbitrary optical vectorbeams》论证的技术原理。另一种是利用基于几何相位原理的二元光学元件：基于空间变取向液晶(LC)或介电超表面(Meta-surface)技术制备的空间变取向波片，该元件可对调控光场赋予光学偏振手性依赖的空间几何相位(即光学自旋-轨道耦合)，此过程等价于对调控光场的左、右旋偏振分量分别施加正交手性波前延迟。即2006年《Physical ReviewLetters》第96卷第16期发表的《Optical Spin-to-Orbital Angular MomentumConversion in Inhomogeneous Anisotropic Media》中所论述原理。

上述两种技术路线中都存在显著缺点：方案一需要LCoS或DMD主动式空间光调制设备，成本高且无法实现紧凑、易集成的光学结构；方案二虽然可实现紧凑的透射或反射式二元光学元件，然而其只具备空间相位调制能力，无法实现精确的空间复振幅调控，限制了应用范围。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出一种几何相位元件、及其设计方法和矢量光场产生装置，能够生成一种具备空间复振幅调制能力的二元几何相位元件，实现高效、高精确产生任意矢量光场。

根据本发明的一方面，提供一种几何相位元件设计方法，所述方法包括步骤：

从目标光场的空间复振幅中提取相位空间二维分布信息及振幅空间二维分布信息；

在所提取的所述相位空间二维分布信息上叠加闪耀光栅相位结构获得相位掩膜版；

将所提取的所述振幅空间二维分布信息转译为光栅衍射效率分布；

将所述光栅衍射效率分布叠加到所述相位掩膜版上得到复振幅掩膜版；

将所述复振幅掩膜版作为目标几何相位空间分布转译为几何相位元件的光轴取向的二维空间分布。

优选地，将所提取的所述振幅空间二维分布信息转译为光栅衍射效率分布包括：

将所述目标光场的相位分布函数φ(x,y)作为正一级衍射光场目标相位分布；

根据所述目标光场的振幅分布函数A(x,y)计算闪耀光栅相位深度分布函数M(x,y)∈[0,1]，即