[发明专利]用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件及检测方法

权利要求书

1.一种用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件，其特征在于，自下而上依次包括：

衬底；

超构原子层，包括周期性排布的超构原子；

其中，所述超表面器件通过几何相位和传输相位协同调控，分别向待检测光束的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量施加镜像对称的抛物线光栅型相位调控，使得待检测光束经所述超表面器件调制后的衍射光斑呈现所述待检测光束的自旋角动量信息和轨道角动量信息，并且所述待检测光束的自旋角动量信息和轨道角动量信息不因待检测光束的位置偏移而改变。

2.根据权利要求1所述的一种用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件，其特征在于，通过改变超构原子的旋转角度θ引入几何相位调控通过改变超构原子的结构尺寸引入传输相位调控，其中，

其中，为传输相位，θ为超构原子旋转角度，Φ_L为左旋圆偏振分量的相位调制，Φ_R为右旋圆偏振分量的相位调制。

3.根据权利要求2所述的一种用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件，其特征在于，待检测光束的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量被施加镜像对称的抛物线光栅型相位调控并且受到不同的相位调制分别为：

其中，x,y为超表面器件上的位置坐标，Λ为光栅周期并表示相位在x方向复现的周期，λ为待检测光束的波长，f为焦距；σ为+1或-1，分别表示待检测光束的左旋圆偏振分量或右旋圆偏振分量。

4.根据权利要求1所述的一种用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件，其特征在于，所述超构原子按照四方晶格或六角晶格排列，周期为p，其取值范围为pλ，其中λ为待检测光束的波长，所述待检测光束的波长λ位于可见光波段或红外波段，所述待检测光束包括高阶涡旋光和矢量光。

5.根据权利要求4所述的一种用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件，其特征在于，所述超构原子为长方体或椭圆柱，当超构原子为长方体时，长为l，其取值范围为lp；宽为w，其取值范围为wp；高度为h，其取值范围为hλ；当超构原子为椭圆柱时，长轴为l，其取值范围为lp；短轴为w，其取值范围为wl；高度为h，其取值范围为hλ。

6.根据权利要求1所述的一种用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件，其特征在于，所述超构原子层的材料为硅或二氧化钛，所述衬底的材料为蓝宝石或二氧化硅。

7.一种无需对准的自旋和轨道角动量同时检测方法，其特征在于，采用权利要求1至6中任一项所述的一种用于无需对准的自旋和轨道角动量同时检测的超表面器件进行自旋角动量和轨道角动量的同时检测，其中所述待检测光束的入射无需对准所述超表面器件的图案中心。

8.根据权利要求7所述的一种无需对准的自旋和轨道角动量同时检测方法，其特征在于，通过观测待检测光束经所述超表面器件调制后的衍射光斑中暗纹的数量和倾斜方向，判断待检测光束的轨道角动量信息，所述轨道角动量信息包括拓扑荷数和拓扑荷符号。

9.根据权利要求8所述的一种无需对准的自旋和轨道角动量同时检测方法，其特征在于，所述衍射光斑中暗纹的数量等于拓扑荷数，所述衍射光斑中暗纹的倾斜方向反映拓扑荷的符号，其中，所述暗纹在x-y平面内的方位角属于(0,π/2)时，拓扑荷符号为负；所述暗纹在x-y平面内的方位角属于(π/2,π)时，拓扑荷符号为正。

10.根据权利要求7所述的一种无需对准的自旋和轨道角动量同时检测方法，其特征在于，通过观测待检测光束经所述超表面器件调制后的衍射光斑的衍射级次，判断待检测光束的自旋角动量信息，所述自旋角动量信息包括自旋态；

其中，所述衍射光斑中的+1级衍射级次和-1级衍射级次分别对应待检测光束的右旋圆偏振分量和左旋圆偏振分量。