一种基于复合相位调制的全介质偏振控制二维艾里光束超表面制造技术

本发明专利技术属于全介质光学超表面领域，涉及二维艾里光束光场调控，特别是电磁波相位与偏振的调控，具体为：一种基于复合相位调制的全介质偏振控制二维艾里光束超表面。超表面复合相位调控涉及传输相位与几何相位设计等。本发明专利技术通过合理设计艾里光束产生所需相位，使得可以根据入射光束的圆偏振极化状态产生共轭非对称的艾里光束。当左旋圆偏振光入射时，产生模式不同于右旋光入射产生模式，即艾里光束特有的光束自加速方向为非对称模式。进一步其产生方式为单层全介质超表面，具有成本低，集成度高等优点，且可由入射光的偏振旋向控制，具有可调谐等特性。可调谐等特性。可调谐等特性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于复合相位调制的全介质偏振控制二维艾里光束超表面


[0001]本专利技术属于全介质光学超表面领域，具体为一种利用几何相位与传输相位相结合实现偏振控制二维艾里光束的单层全介质光学超表面。
[0002]超表面由具有梯度相位效应的亚波长集成单元组成，以离散菲涅尔定律为基础。其基本单元对外界电磁波的反射或透射相位呈线性梯度变化，不同于传统光学元件依赖于宏观面型弯曲产生的光程差有体积大，对光场调控自由度低等缺点。全介质超表面加工工艺与现有集成电路工艺兼容，其具有高集成度，便于大规模制备等优秀特点已经被广泛应用于平面光学，超构透镜等领域。
[0003]艾里光束振幅函数呈高斯分布，相位呈现立方分布:Airy光束具有无衍射以及自加速、自修复等优良特性。
[0004]几何相位又被称为(Pancharatnam
‑
Berry)相位是指通过调整亚波长集成单元相对于参考系的旋转角度，而不改变其尺寸大小便可以实现对入射电磁波的透射相位与反射相位0～2π范围调节。由于其紧紧跟基本单元转角相关，与波长以及结构参数无关方便了研究人员以此为基础设计梯度电磁特异介质超表面。传输相位是指电磁波在传播过程中与亚波长集成单元发生相互作用而产生的相位延迟。其与结构参数大小以及组成结构的材料折射率密切相关，可以通过改变亚波长集成单元尺寸而改变其折射率。
[0005]现有的超表面设计往往依赖于单一的相位调制效应，因此其功能较为简单。利用几何相位与传输相位联合调控即同时调控亚波长集成单元的旋转角度与其参数大小可以实现对光场参量多维度进行调控，实现功能更加复杂的平面光学器件。不同于金属基本单元组成的超表面具有较大的欧姆损耗问题，全介质超表面具有损耗低，成本低等优点。实现多相位联合调制下的全介质超表面在超构透镜，捕获微小颗粒，信息传输等方面具有重要应用。

技术实现思路

[0006]针对过往研究与技术中存在的问题或不足，本专利技术旨在提供一种可调谐的，高集成度的偏振控制艾里光束光学超表面器件。采用复合相位进行超表面设计使得超表面实现的功能更加强大，全介质超表面具有损耗低，与现有工艺兼容等优点。本专利技术以垂直于超表面方向为参考线，实现了以在线偏振入射下，出射艾里光束非对称，并可以由入射光的左右旋偏振状态进行灵活调控。
[0007]本专利技术技术方案如下:
[0008]一种基于复合联合调制的全介质偏振控制二维艾里光束超表面。
[0009]所述亚波长集成单元包括上下两层，下层衬底为由二氧化硅为介质，边长范围0.5～0.6um，厚度约2um的方块。上层介质为硅高度0.75um，长宽范围0.05～0.5um的矩形柱体；亚波长矩形柱体x与y正交方向满足适合于圆偏振入射情况下的半波片相位要求。
[0010]上层整体亚波长集成单元的物理中心投影与下层衬底物理中心集合。
[0011]亚波长矩形柱体以水平为中心其旋转角度满足该位置实现左右旋横向分束几何相位需求，旋转角度范围0～π，相位覆盖0～2π。入射平面光束为45
°
线偏振光，垂直于介质超表面入射。
[0012]进一步的，所述亚波长矩形单元结构需要满足产生对称艾里光束的相位规则：最终实现了偏振控制的对称二维艾里光束产生。
[0013]其设计方法具体如下：
[0014]步骤1、研究艾里光束产生原理，即含有截断因子的艾里光束傅里叶谱是一个由立方相位调制的高斯型分布：A(kx,ky)为高斯型振幅，为立方相位。进行振幅调制与超表面相位编码。并且进行了x,y方向两个维度进行艾里光束调制。
[0015]步骤2、在步骤1的基础上引入基于几何相位实现的针对不同圆偏振特性的横向分束相位因子，n个基本矩形状柱体单元结构为一个周期沿x轴横向分布，n≥2，且n为整数；亚波长基本单元结构依次逆时针旋转：i*π/n,i∈[0,n
‑
1]且i为整数，最终出射左右旋光束获得调制相位为：(
±
2i)*π/n,i∈[0,n
‑
1]，实现了共轭左右旋圆偏振光横向分束。相位覆盖0～2π，出射角范围为
±
0～90
°
。
附图说明
[0016]图1为产生偏振控制二维艾里光束全介质超表面立体示意图
[0017]图2为产生偏振控制二维艾里光束全介质超表面平面示意图
[0018]图3为圆偏振极化为+1入射光束产生偏振控制二维艾里光束y
‑
z远场示意图。
[0019]图4为圆偏振极化为
‑
1入射光束产生偏振控制二维艾里光束x
‑
z远场示意图。
[0020]图5为圆偏振极化为+1入射光束产生偏振控制二维艾里光束x
‑
z远场示意图。
具体实施方式
[0021]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。
[0022]如图1和2所示，作为本专利技术方案所述的矩形状亚波长集成单元，长宽范围为0.05～0.5um，高度0.75um，透射率超过80％，单元周期为0.52um。每个亚波长集成单元具有特殊的尺寸大小以及特定的旋转角度以满足传输相位与几何相位的要求。其中几何相位首先针对左右圆偏振极化分束，其次实现二维艾里光束需要的相位分布。
[0023]如图3和4所示，给出了复合相位调制下的全介质艾里光束超表面仿真的远场图，图3与图4可以看出不同圆偏振极化特性入射光束，产生了不同模式的艾里光束，通过改变入射光束极化特性，可以实现偏振控制艾里光束产生。
[0024]如图5所示，给出了复合相位调制下的全介质艾里光束超表面仿真的远场图，与图3对比可知，产生了x
‑
y方向二维艾里光束。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于复合相位的全介质硅偏振控制二维艾里光束超表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：所述光学超表面由全介质组成，包括结构单元和衬底。上层矩形柱状亚波长集成单元由硅组成，厚度为0.75um左右，长宽范围为0.05～0.5um。下层整个圆形柱状二氧化硅衬底半径18um，厚度约为2um。步骤1、研究艾里光束产生原理，即含有截断因子的艾里光束傅里叶谱是一个由立方相位调制的高斯型分布：A(kx，ky)为高斯型振幅，为立方相位。按照其进行振幅调制与超表面相位编码。并且进行了x，y方向两个维度进行艾里光束调制，实现了二维艾里光束产生。步骤2、在步骤1的基础上引入基于几何相位实现的针对不同圆偏振特性的横向分束相位因子，n个基本矩形状柱体单元结构为一个周期沿x轴横向分布，n≥2，且n为整数；亚波长基本单...

【专利技术属性】
技术研发人员：董俊成，戴丽萍，钟志亲，刘继芝，吴铁青，杨元杰，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：