【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学，特别涉及一种全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法。
技术介绍
1、近年来，人们对电磁波具有非凡操控能力的超表面表现出了浓厚的兴趣。这种由人工设计的亚波长尺度单元结构阵列构成的二维材料，凭借其卓越的光场控制能力、高分辨率和超薄厚度等优点，突破了传统光学元件的局限。超表面能够在亚波长尺度上灵活地对光场的相位、振幅和偏振进行控制，因此已经被广泛应用于实现许多新现象和功能，如超透镜、涡旋光束发生器、全息图、无衍射光束生成器、偏振转换器等。
2、最近，利用超表面产生无衍射贝塞尔(bessel)光束的研究已成为研究热点。有学者基于几何相位超表面展示了一种具有高达0.9的高na的元轴锥镜，生成的贝塞尔光束的横向强度分布与整个可见光谱的波长无关。有学者在太赫兹区域展示了偏振无关的传输型全硅介电超表面，实现了对太赫兹波前的几乎完全控制，生成的bessel光束最高效率可达82.5％。有学者通过集成达曼光栅和轴锥镜的功能，利用惠更斯超表面演示了贝塞尔光束阵列的生成。此外，bessel光束与新兴的3d打印相结合的超表面也是一个富有创意的想法。通过控制晶胞高度，可以实现在20ghz下的传输相位范围覆盖。然而，上述用于生成bessel光束的超表面功能有限，显然无法满足实际应用中的多功能需求。同时，上述方法中，无论是几何相位超表面还是传输相位超表面，都仅单独考虑了交叉极化分量或共极化分量，无法同时独立调节同极化和交叉极化输出分量。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，
2、本专利技术的技术方案：一种全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，包括如下步骤：
3、步骤1、构建元原子，所述元原子包括截面为方形的二氧化硅基底，二氧化硅基底上设置有矩形体的tio2纳米柱，tio2纳米柱的截面长边与二氧化硅基底的边所成角度为旋转角；
4、步骤2、由元原子阵列排布构建全介质超表面，通过同时独立调控全介质超表面的传输位相和几何位相来实现共极化和交叉极化相位调制，产生具有正交圆偏振或正交线偏振的不同阶数贝塞尔光束。
5、上述的全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，所述tio2纳米柱的高度h为600nm，tio2纳米柱的长度l和宽度w的范围均为50nm至250nm；所选二氧化硅基底的晶格常数p＝350nm。
6、前述的全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，所述元原子的线性透射率特性用琼斯矩阵来描述：
7、
8、式中：是一个旋转矩阵，|txx|和|tyy|是沿x轴和y轴的相应线性幅度，和是沿x轴和y轴的相应相位延迟，其中线性幅度满足|txx|＝|tyy|＝1；
9、经过推导得到：
10、
11、设定两个正交线性偏振入射下的相位差定义为而沿快轴和慢轴的传播相位之和表示为当输入lcp光时，琼斯矩阵中的共极化和交叉极化进一步推导为：
12、
13、
14、上式表明交叉极化分量是传输位相辅助的几何位相，元原子的额外旋转可独立满足这部分相位；交叉极化分量rcp输出波的相位分布为旋转角度提供的几何相位为θ＝(φ1-φ2+π/2)/2；同时，共极化分量lcp输出波的相位分布为共极化分量的幅值为交叉偏振分量的幅值为两项的能量比定义为相位差保证共极化和交叉极化通道中的输出能量分布相等。
15、前述的全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，步骤2中，所述全介质超表面用于产生正交圆偏振双贝塞尔光束，其过程是基于全相位调制的方法，将相位信息编码为lcp和rcp分量，描述为：
16、
17、
18、式中，φ1表示lcp入射时传出电场下交叉极化部分的相位分布，即rcp态的相位分布；φ2表示lcp入射时传出电场下共极化部分的相位分布，即lcp态的相位分布；光束的偏移通过引入沿x方向的线性相位梯度实现，其中λx＝10μm是相位条纹的周期，用于决定贝塞尔光束沿偏离z方向的大小；偏移量为s＝λz/λx,z为贝塞尔光束沿纵轴传输的高度；
19、由0阶bessel光束相位和使光束向x轴负方向移动的偏移分量组成的rcp态相位分布；由1阶bessel光束相位和使光束向x轴正方向移动的偏移分量组成的lcp态相位分布；由lcp和rcp分量相位得到实现交叉极化的几何相位，即元原子的旋转角θ。
20、前述的全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，步骤2中，所述全介质超表面用于产生正交线偏振双贝塞尔光束，其过程是lcp光通过相位叠加后的超表面后表现为x-p和y-p光，将相位信息编码为共极化和交叉极化分量：
21、
22、
23、
24、φ1＝angle(exp(iφa)+exp(iφb)),
25、φ2＝angle(exp(iφa)+exp(iφc)),
26、式中，定义偏移周期λx＝10μm，不同线性相位梯度导致φa所产生的光束沿着x轴负方向偏移，而φb和φc所产生的光束沿x轴正方向偏移；交叉极化部分由φa和φb两个相位组成，共极化部分由φa和φc两个相位组成；其中相比φb相位，φc相位多了一个π的相位变化，当共极化和交叉极化部分以相同的振幅和相位叠加时，其互相抵消圆偏振分量,超表面将产生x线偏振和y线偏振光。
27、前述的全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，步骤2中，所述全介质超表面还用于产生正交线偏振双贝塞尔光束阵列，其过程是构成超表面的元原子的排布满足以下条件：
28、φ1＝angle(exp(iφa)+exp(iφb)+exp(iφdg)),
29、φ2＝angle(exp(iφa)+exp(iφc)+exp(iφdg)),
30、式中，φdg表示引入的1d达曼光栅相位；
31、通过设置相应的相变点将原来双bessel光束生成2×4正交线偏振bessel光束阵列。
32、与现有技术相比，本专利技术通过元原子来构建获的全介质表表面，再通过同时独立调控全介质表表面的传输位相和几何位相来实现共极化和交叉极化态相位调制，从而可以有效地产生具有正交圆偏振振和正交线偏振的不同阶数贝塞尔光束。此外，本专利技术还可以引入达曼光栅相位，实现了高均匀性的正交线偏振bessel光束阵列。仿真结果表明，本专利技术所提出的方法成功地实现了预期设定的偏振转换功能，并且所产生贝塞尔光束焦深、无衍射和自愈合等特点与理论数值相吻合。本专利技术打破了以往超表面只能生成贝塞尔光束单一极化的限制，为贝塞尔光束的高效生成和多功能应用提供了新方法。进一步地，本专利技术的方法还可以扩展到其他工作频率范围，对激光制造、粒子捕获、光通信等多个学科领域具有重要参考意义。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，其特征在于：所述TiO2纳米柱的高度H为600nm，TiO2纳米柱的长度L和宽度W的范围均为50nm至250nm；所选二氧化硅基底的晶格常数P＝350nm。
3.根据权利要求1所述的全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，其特征在于：所述元原子的线性透射率特性用琼斯矩阵来描述：
4.根据权利要求3所述的全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，其特征在于：步骤2中，所述全介质超表面用于产生正交圆偏振双贝塞尔光束，其过程是基于全相位调制的方法，将相位信息编码为LCP和RCP分量，描述为：
5.根据权利要求3所述的全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，其特征在于：步骤2中，所述全介质超表面用于产生正交线偏振双贝塞尔光束，其过程是LCP光通过相位叠加后的超表面后表现为X-P和Y-P光，将相位信息编码为共极化和交叉极化分量：
6.根据权利要求4所述的全相位调制的
...【技术特征摘要】
1.一种全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，其特征在于：所述tio2纳米柱的高度h为600nm，tio2纳米柱的长度l和宽度w的范围均为50nm至250nm；所选二氧化硅基底的晶格常数p＝350nm。
3.根据权利要求1所述的全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，其特征在于：所述元原子的线性透射率特性用琼斯矩阵来描述：
4.根据权利要求3所述的全相位调制的全介质超表面产生贝塞尔光束的方法，其特征在于：步骤2中，所述全介质...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐弼军，职佳浩，丘志芳，秦倩，王欢颜，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：
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