一种双功能调控器件及旋转调控方法技术

本申请提供一种双功能调控器件及旋转调控方法，涉及微纳光学技术领域，该器件包括：级联且同光轴设置的第一超构表面元件以及第二超构表面元件。第一超构表面元件与第二超构表面元件的表面均包括多个超表面单元柱结构。第一超构表面元件、第二超构表面元件的相位分布与多个超表面单元柱结构的尺寸、偏转角度的取值相关。其中，第一超构表面元件以及第二超构表面元件配置为接收左旋圆偏振入射光时，进行相位联合调控并输出具有焦距的成像。第一超构表面元件、第二超构表面元件配置为接收右旋圆偏振入射光时，进行相位联合调控并输出具有轨道角动量的涡旋光束。该调控器件结构简单、轻量化、制造方便，调节方法简单。调节方法简单。调节方法简单。

【技术实现步骤摘要】
一种双功能调控器件及旋转调控方法


[0001]本申请涉及微纳光学
，具体而言，涉及一种双功能调控器件及旋转调控方法。

技术介绍

[0002]超构表面是近年来出现的一种新型二维人工平面结构，其能够在亚波长尺寸范围内实现对电磁波振幅、相位、偏振的灵活调控，并用来实现聚焦成像、涡旋光束、全息、超分辨成像等功能。与传统器件相比，基于超构表面的器件更加轻量化集成化，被认为是最有望替代传统光学元件的新型人工结构。
[0003]基于超构表面的功能器件逐渐由单片发展为多片级联形式，调控更加灵活，例如基于双片超构表面的莫尔透镜，通过改变两片超构表面的相对角度即可实现整体动态可调，使得器件成像视场可调，扩展了其应用范围。但是，目前基于级联超构表面的功能器件仅可以实现单一功能，例如单一的成像功能，应用范围较狭窄，难以满足当前光学设计的需求。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种双功能调控器件及旋转调控方法，通过在同光轴级联的第一超构表面元件与第二超构表面元件的表面均加工多个超表面单元柱结构，当入射光为左旋圆偏振光时，器件表现为具有变焦功能的透镜器件，当入射光为右旋圆偏振光时，器件表现为可实现变轨道角动量的动态涡旋光束产生器；其中，焦距和光束轨道角动量的变化与两个超构表面的相对旋转角度有关，实现了级联器件的功能扩展，从而解决了上述“仅可以实现单一功能，应用范围较狭窄，难以满足当前光学设计的需求”技术问题。
[0005]第一方面，本申请实施例提供一种双功能调控器件，所述器件包括：级联的第一超构表面元件以及第二超构表面元件；所述第一超构表面元件与所述第二超构表面元件同光轴设置；所述第一超构表面元件与第二超构表面元件的表面均包括多个超表面单元柱结构，所述第一超构表面元件、第二超构表面元件的相位分布与所述多个超表面单元柱结构的尺寸、偏转角度的取值相关；其中，所述第一超构表面元件、第二超构表面元件配置为接收左旋圆偏振入射光时，进行相位联合调控并输出具有焦距的成像；所述第一超构表面元件、第二超构表面元件配置为接收右旋圆偏振入射光时，进行相位联合调控并输出具有轨道角动量的涡旋光束。
[0006]在上述实现过程中，通过设置同光轴级联的第一超构表面元件和第二超构表面元件的调控器件，基于超构表面对偏振的敏感特性，入射左旋圆偏振光、右旋圆偏振光可分别实现成像与涡旋光束两种动态调控功能；器件在功能复用以及动态调控方面都具有优势，另外，超构表面结构尺寸在亚波长量级，有效降低了高阶衍射光的干扰，并且超表面为平面结构，使得器件整体结构简单，更轻量化，更容易集成，在成像探测、通信、生物医学等领域
具有重要应用。
[0007]可选地，所述尺寸包括边长；所述多个超表面单元柱结构的边长的不同取值对应于所述第一超构表面元件、第二超构表面元件的不同传输相位。
[0008]在上述实现过程中，根据需要的工作波长，通过电磁仿真软件可优化长方体柱、正方体柱、正多边形柱体等多种各向异性的超表面单元柱结构的边长，进而得到透过率较高且一致、具备不同传输相位的多个超表面单元柱结构的尺寸参数，为实现器件多种相位的调控提供了条件，结构简单、易操作控制。
[0009]可选地，所述尺寸包括长度、宽度和高度；所述长度、宽度和高度的不同取值组合对应于所述第一超构表面元件、第二超构表面元件的不同传输相位。
[0010]在上述实现过程中，根据需要的工作波长，通过电磁仿真软件可优化超表面长方体单元柱结构的长度、宽度、高度，进而得到透过率较高且一致、具备不同传输相位的多个超表面长方体单元柱结构的尺寸参数，为实现该类型器件多种相位的调控提供了条件，结构简单、易操作控制。
[0011]可选地，所述偏转角度包括：所述多个超表面单元柱结构相对于初始位置的偏转角度；其中，所述初始位置为所述超表面单元柱结构输出的几何相位为零的自定义位置；所述多个超表面单元柱结构的偏转角度的不同取值对应于所述第一超构表面元件、第二超构表面元件的不同几何相位。
[0012]在上述实现过程中，通过设置多个超表面单元柱结构的偏转角度，可以实现超表面上多个超表面单元柱结构不同的几何相位，为实现器件多种相位的调控提供了条件，结构简单、易操作控制。
[0013]可选地，当所述入射光为左旋圆偏振光时，所述第一超构表面元件的相位分布由所述第一超构表面元件上的传输相位与正的几何相位之和确定；所述第二超构表面元件的相位分布由所述第二超构表面元件上的传输相位与负的几何相位之和确定。
[0014]在上述实现过程中，通过将相位分布转化成超构表面对应单元柱结构的尺寸和偏转角度分布即可实现两种功能所需相位，入射左旋圆偏振光到超构表面上即可得到透镜的成像功能，灵活度高，整个调控过程操作便捷，易于实施。
[0015]可选地，当所述入射光为右旋圆偏振光时，所述第一超构表面元件的相位分布由所述第一超构表面元件上的传输相位与负的几何相位之和确定；所述第二超构表面元件的相位分布由所述第二超构表面元件上的传输相位与正的几何相位之和确定。
[0016]在上述实现过程中，通过将相位分布转化成超构表面对应单元柱结构的尺寸和偏转角度分布即可实现两种功能所需相位，入射右旋圆偏振光到超构表面上即可得到涡旋光束生成功能，灵活度高，整个调控过程操作便捷，易于实施。
[0017]可选地，所述第一超构表面元件与所述第二超构表面元件配置为可于所述同光轴相对于其中的另一者旋转；所述第一超构表面元件、第二超构表面元件配置为：接收所述左旋圆偏振入射光时，根据所述第一超构表面元件与第二超构表面元件的相对旋转角度，对输出相位进行调控以实现所述焦距的变化；所述第一超构表面元件、第二超构表面元件配置为：接收所述右旋圆偏振入射光时，根据所述第一超构表面元件与第二超构表面元件的相对旋转角度，对输出相位进行调控以实现所述轨道角动量的变化。
[0018]在上述实现过程中，通过设置同轴级联且可相对旋转的第一超构表面元件和第二
超构表面元件组成调控器件，可实现透镜成像与生成涡旋光束产生两种功能；同时改变相对旋转角度，可实现成像功能的焦距与涡旋光束的轨道角动量动态可调；器件结构简单，制造方便，调节过程简单，焦距、轨道角动量调节范围大，具有效率高、体积小、重量轻、便于集成等优点。
[0019]可选地，所述第一超构表面元件、第二超构表面元件配置为：接收左旋圆偏振入射光时，根据所述相对旋转角度和第一输出相位函数关系，对输出相位进行调控以实现所述焦距的变化；其中，所述第一输出相位函数关系包括：左旋圆偏振入射光经过所述第一超构表面元件、第二超构表面元件相位联合调控后输出的光波相位的函数关系，相位与焦距的函数关系。
[0020]在上述实现过程中，通过设置同轴级联且可相对旋转的第一超构表面元件和第二超构表面元件组成调控器件，可实现透镜成像与生成涡旋光束产生两种功能；入射左旋圆偏振光时，改变两个元件的相对旋转角度，可实现根据函数关系规律变化的可变焦距调节，器件结构简单，制造方便，调节过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双功能调控器件，其特征在于，所述器件包括：级联的第一超构表面元件以及第二超构表面元件；所述第一超构表面元件与所述第二超构表面元件同光轴设置；所述第一超构表面元件与第二超构表面元件的表面均包括多个超表面单元柱结构，所述第一超构表面元件、第二超构表面元件的相位分布与所述多个超表面单元柱结构的尺寸、偏转角度的取值相关；其中，所述第一超构表面元件、第二超构表面元件配置为接收左旋圆偏振入射光时，进行相位联合调控并输出具有焦距的成像；所述第一超构表面元件、第二超构表面元件配置为接收右旋圆偏振入射光时，进行相位联合调控并输出具有轨道角动量的涡旋光束。2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述尺寸包括边长；所述多个超表面单元柱结构的边长的不同取值对应于所述第一超构表面元件、第二超构表面元件的不同传输相位。3.根据权利要求2所述的器件，其特征在于，所述尺寸包括长度、宽度和高度；所述长度、宽度和高度的不同取值对应于所述第一超构表面元件、第二超构表面元件的不同传输相位。4.根据权利要求2所述的器件，其特征在于，所述偏转角度包括：所述多个超表面单元柱结构相对于初始位置的偏转角度；其中，所述初始位置为所述超表面单元柱结构输出的几何相位为零的自定义位置；所述多个超表面单元柱结构的偏转角度的不同取值对应于所述第一超构表面元件、第二超构表面元件的不同几何相位。5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，其中，当所述入射光为左旋圆偏振光时，所述第一超构表面元件的相位分布由所述第一超构表面元件上的传输相位与正的几何相位之和确定；所述第二超构表面元件的相位分布由所述第二超构表面元件上的传输相位与负的几何相位之和确定。6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，其中，当所述入射光为右旋圆偏振光时，所述第一超构表面元件的相位分布由所述第一超构表面元件上的传输相位与负的几何相位之和确定；所述第二超构表面元件的相位分布由所述第二超构表面元件上的传输相位与正的几何相位之和确定。7.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述第一超构表面元件与所述第二超构表面元件配置为可于所述同光轴相...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗先刚，靳金金，李雄，蒲明博，马晓亮，王青松，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：