一种光束整形超表面器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种光束整形超表面器件及其制备方法，所述超表面器件包括衬底和位于衬底上的超表面；制备方法为：首先设置超表面单元特征参数

【技术实现步骤摘要】
device based on GS algorithm[J].Optical Materials,2020,109:110247.)
于
2020
年提出了一种基于改进
GS
算法设计的光束整形超表面，理论衍射效率超过
90
％
。
[0005]除约束条件外，约束范围对光束整形质量也有重要影响
。
然而双振幅自由度
GS
算法约束范围不可调整，导致停滞问题仍然存在，整形效果一般
。
为提高光束整形超表面器件的整形质量，需要一种能调整约束范围的超表面器件制备方法
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种光束整形超表面器件及其制备方法，以提高光束整形超表面器件的整形质量
。
[0007]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种光束整形超表面器件的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤
1、
设置参数：设置超表面单元特征参数
、
输入输出光束特征参数
、
迭代优化参数；
[0009]步骤
2、
建立模型：根据超表面单元特征参数和输入输出光束特征参数，计算输入面振幅分布
、
器件面目标振幅分布
、
输出面目标振幅分布和初始相位分布；
[0010]步骤
3、
进行选择性振幅约束迭代优化：根据迭代优化参数
、
器件面目标振幅分布
、
输出面目标振幅分布和初始相位分布，进行选择性振幅约束迭代优化，得到最优相位分布；
[0011]步骤
4、
计算超表面补偿相位分布：根据输入输出光束特征参数计算预先准直相位分布，并根据最优相位分布与预先准直相位分布计算超表面补偿相位分布；
[0012]步骤
5、
确定各超表面单元几何参数：根据超表面补偿相位分布与超表面单元几何参数
‑
相位对应关系，确定各超表面单元的几何参数，制作超表面器件
。
[0013]进一步地，步骤1中所述的超表面单元特征参数，包括第一方向上超表面单元数量
、
第二方向上超表面单元数量
、
第一方向上超表面单元周期
、
第二方向上超表面单元周期
、
衬底材料折射率
、
衬底厚度；所述第一方向表示超表面单元排布的一个方向；所述第二方向表示与第一方向垂直的方向；且所述第一方向与第二方向均与光束传播方向垂直；
[0014]所述的输入输出光束特征参数，包括光束波长
、
高斯光束束腰半径
、
输入面距束腰距离
、
参考距离
、
超高斯光束的束腰半径
、
超高斯光束阶数；
[0015]所述的迭代优化参数，包括迭代优化次数
、
零填充数量
、
振幅约束系数
、
最小选择振幅；所述最小选择振幅为选择性振幅约束中选择条件的判断依据，表示施加约束的输出面目标振幅临界值，决定施加约束范围大小，在双振幅自由度
GS
算法中将最小选择振幅固定为
0。
[0016]进一步地，步骤2中所述的模型，包括输入面
、
器件面和输出面；
[0017]所述输入面，表示超表面接收高斯光束的位置，位于超表面底面所在平面；
[0018]所述器件面，表示高斯光束经超表面调制后输出的位置，位于超表面顶面所在平面；
[0019]所述输出面，表示观测整形结果的位置，位于与输入面和器件面相平行的远场平面；
[0020]所述输入面相位分布经超表面调控后得到器件面相位分布，而输入面振幅分布和器件面振幅分布相同，对器件面复振幅分布做傅里叶变换得到输出面复振幅分布
。
[0021]进一步地，步骤2中所述的输入面目标振幅分布为高斯分布，且输入面振幅分布满足：
[0022][0023]其中，
|E
input
(x,y)|
表示输入面振幅分布；
{.}
normalization
表示归一化运算；
x
表示第一方向上的位置；
y
表示第二方向上的位置；
z
表示输入面距束腰距离；
ω0表示高斯光束的束腰半径；
λ
表示光束波长；
R(z)
为波面曲率半径，且满足：
[0024][0025]Φ
(z)
为高斯光束的相位因子，且满足：
[0026][0027]所述的器件面目标振幅分布为高斯分布，且器件面目标振幅分布与输入面目标振幅分布相同；
[0028]所述的输出面目标振幅分布为超高斯分布，且输出面目标振幅分布满足：
[0029][0030]其中，
|E
target
(f
x
，
f
y
)|
表示输出面目标振幅分布；
{.}
normalization
表示归一化运算；
z
f
表示参考距离；
f
x
表示第一方向上的空间频率；
f
y
表示第二方向上的空间频率；
ω
s
表示超高斯光束的束腰半径；
n
表示超高斯光束的阶数；
[0031]所述的初始相位分布表示初次迭代时器件面的相位分布，且满足：
[0032][0033]其中，
Ф
origin
(n
x
，
n
y
)
表示初始相位分布；
n
x
表示第一方向上的单元序号；
n
y
表示第二方向上的单元序号；
N
表示零填充数量；
n1表示第一方向上超表面单元数量
。
[0034]进一步地，步骤3中所述的迭代优化参数，包括迭代优化次数
、
零填充数量
、
振幅约束系数
、
最小选择振幅；其中，最小选择振幅为选择性振幅约束中选择条件的判断依据，表示施加约束的输出面目标振幅临界值
。
[0035]进一步地，步骤3所述的选择性振幅约束迭代优化：根据迭代优化参数
、
器件面目标振幅分布
、
输出面目标振幅分布和初始相位分布，进行选择性振幅约束迭代优化，得到最优相位分布，具体如下：
[0036]步骤
3.1、
根据零填充数量对器件面目标振幅分布和初始相位分布补零，并生成器件面复振幅分布；
[0037]步骤
3.2、
对器件面复振幅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种光束整形超表面器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤
1、
设置参数：设置超表面单元特征参数
、
输入输出光束特征参数
、
迭代优化参数；步骤
2、
建立模型：根据超表面单元特征参数和输入输出光束特征参数，计算输入面振幅分布
、
器件面目标振幅分布
、
输出面目标振幅分布和初始相位分布；步骤
3、
进行选择性振幅约束迭代优化：根据迭代优化参数
、
器件面目标振幅分布
、
输出面目标振幅分布和初始相位分布，进行选择性振幅约束迭代优化，得到最优相位分布；步骤
4、
计算超表面补偿相位分布：根据输入输出光束特征参数计算预先准直相位分布，并根据最优相位分布与预先准直相位分布计算超表面补偿相位分布；步骤
5、
确定各超表面单元几何参数：根据超表面补偿相位分布与超表面单元几何参数
‑
相位对应关系，确定各超表面单元的几何参数，制作超表面器件
。2.
根据权利要求1所述的光束整形超表面器件的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的超表面单元特征参数，包括第一方向上超表面单元数量
、
第二方向上超表面单元数量
、
第一方向上超表面单元周期
、
第二方向上超表面单元周期
、
衬底材料折射率
、
衬底厚度；所述第一方向表示超表面单元排布的一个方向；所述第二方向表示与第一方向垂直的方向；且所述第一方向与第二方向均与光束传播方向垂直；所述的输入输出光束特征参数，包括光束波长
、
高斯光束束腰半径
、
输入面距束腰距离
、
参考距离
、
超高斯光束的束腰半径
、
超高斯光束阶数；所述的迭代优化参数，包括迭代优化次数
、
零填充数量
、
振幅约束系数
、
最小选择振幅；所述最小选择振幅为选择性振幅约束中选择条件的判断依据，表示施加约束的输出面目标振幅临界值，决定施加约束范围大小，在双振幅自由度
GS
算法中将最小选择振幅固定为
0。3.
根据权利要求1所述的光束整形超表面器件的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的模型，包括输入面
、
器件面和输出面；所述输入面，表示超表面接收高斯光束的位置，位于超表面底面所在平面；所述器件面，表示高斯光束经超表面调制后输出的位置，位于超表面顶面所在平面；所述输出面，表示观测整形结果的位置，位于与输入面和器件面相平行的远场平面；所述输入面相位分布经超表面调控后得到器件面相位分布，而输入面振幅分布和器件面振幅分布相同，对器件面复振幅分布做傅里叶变换得到输出面复振幅分布
。4.
根据权利要求1所述的光束整形超表面器件的制备方法，其特征在于，步骤2中所述的输入面目标振幅分布为高斯分布，且输入面振幅分布满足：其中，
|E
input
(x,y)|
表示输入面振幅分布；
{.}
normalization
表示归一化运算；
x
表示第一方向上的位置；
y
表示第二方向上的位置；
z
表示输入面距束腰距离；
ω0表示高斯光束的束腰半径；
λ
表示光束波长；
R(z)
为波面曲率半径，且满足：
Φ
(z)
为高斯光束的相位因子，且满足：
所述的器件面目标振幅分布为高斯分布，且器件面目标振幅分布与输入面目标振幅分布相同；所述的输出面目标振幅分布为超高斯分布，且输出面目标振幅分布满足：其中，
|E
target
(f
x
,f
y
)|
表示输出面目标振幅分布；
{.}
normalization
表示归一化运算；
z
f
表示参考距离；
f
x
表示第一方向上的空间频率；
f
y
表示第二方向上的空间频率；
ω
s
表示超高斯光束的束腰半径；
n
表示超高斯光束的阶数；所述的初始相位分布表示初次迭代时器件面的相位分布，且满足：其中，
Φ
origin
(n
x
,n
y
)
表示初始相位分布；
n
x
表示第一方向上的单元序号；
n
y
表示第二方向上的单元序号；
N
表示零填充数量；
n1表示第一方向上超表面单元数量
。5.
根据权利要求1所述的光束整形超表面器件的制备方法，其特征在于，步骤3中所述的迭代优化参数，包括迭代优化次数
、
零填充数量
、
振幅约束系数
、
最小选择振幅；其中，最小选择振幅为选择性振幅约束中选择条件的判断依据，表示施加约束的输出面目标振幅临界值
。6.
根据权利要求1所述的光束整形超表面器件的制备方法，其特征在于，步骤3所述的选择性振幅约束迭代优化：根据迭代优化参数
、
器件面目标振幅分布
、
输出面目标振幅分布和初始相位分布，进行选择性振幅约束迭代优化，得到最优相位分布，具体如下：步骤
3.1、
根据零填充数量对器件面目标振幅分布和初始相位分布补零，并生成器件面复振幅分布；步骤
3.2、

【专利技术属性】
技术研发人员：俞叶峰，孙飞岳，丁继根，朱少鹏，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：