【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于人工电磁超表面，尤其涉及一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法。
技术介绍
0、技术背景
1、人工电磁超表面作为超材料的二维等效结构，具有亚波长周期的特点，对电磁波的幅度和相位有着强大的操控能力。超表面典型的相位调控方法主要有两种：传输相位和几何相位。其中，传输相位通过改变单元结构尺寸实现相位调控，主要用于调控线极化波的相位；几何相位通过旋转单元结构实现相位调控，主要用于调控圆极化波的相位，满足单元旋转α，相位变化|2α|的特性(左旋圆极化lcp相位变化-2α，右旋圆极化rcp相位变化+2α)。由于几何相位对lcp和rcp存在共轭的相位响应以及几何相位超表面存在自旋锁定的限制，极大地限制了其多样性发展。因此，迫切需要研究相关的自旋解耦方法来打破几何相位固有的自旋锁定限制。
2、为了使lcp和rcp实现不同功能，有研究学者提出“合并”超表面的概念，通过将几个具有不同功能的几何相位超表面合并在一起，进而实现lcp和rcp的独立可控。虽然利用“合并”的概念可以使lcp和rcp实现不同的功能，但是这种方法并未从根本上解决几何相位的自旋锁定限制，且存在效率低和各功能之间串扰的影响。最近，有研究学者提出利用传输相位和几何相位结合的方法实现自旋解耦。但是，现有的大多数研究集中在调控共极化分量的传输相位，这需要优化多个参数才能实现360°的相位覆盖，设计难度较大，且工作频带窄，应用范围比较局限。
3、轨道角动量(oam：orbital angularmomentum)具有螺旋状相位波前，
4、现有技术中，dong等人(shaohua dong,shiqing li,xiaohui ling,guangwei hu,yi li,hongyi zhu,lei zhou,and shulin sun,“broadband spin-unlockedmetasurfaces for bifunctional wavefront manipulations,”applied physicsletters,120,181702,2022.)设计了一种i形超表面结构，通过调控共极化分量的传输相位并结合几何相位实现自旋解耦的功能。该超表面单元结构周期为6mm，厚度为3mm，介电常数为3，损耗角正切为0.01。但其相对带宽较窄，仅为40％；zhang等人(lei zhang,shuo liu,lianlin li,and tie jun cui,“spin-controlled multiple pencil beams and vortexbeams with different polarizations generated by pancharatnam-berry codingmetasurfaces,”acs applied materials&interfaces,9(41),36447-36455,2017.)设计了一种长方形贴片的几何相位超表面结构，该超表面单元结构周期为6mm，整体厚度为2mm，介质基板的介电常数为4.4，损耗角正切为0.02。该结构可在线极化入射下，反射生成模式对称、偏折方向对称的lcp和rcp轨道角动量波束，该技术仅采用几何相位调控圆极化波，存在自旋锁定的限制，且设计得到的双圆极化轨道角动量模式和偏折方向均对称，无法独立调控，灵活度低，且该设计的工作频带窄，仅为6.7％应用范围比较局限；yang等人(ling-junyang,sheng sun,wei e.i.sha,and jun hu,“bifunctional integration performedby abroadband high-efficiency spin-decoupled metasurface,”advanced opticalmaterials,2201955,2023.)设计了一种结合传输相位和几何相位的自旋解耦超表面结构。该超表面由加载偶极子的准i形三角排布的单元结构组成，单元周期10mm，厚度3mm，介电常数2.65，损耗角正切0.001。该设计通过结合传输相位和几何相位实现自旋解耦功能，但需要同时优化单元结构的三个尺寸参数实现对共极化分量传输相位的调控，达到360°的相位覆盖，优化变量多，设计难度大，相对带宽仅为70％。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术中缺点，本专利技术的目的在于提供一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，通过构建双e型宽带极化转换单元结构，同时调控宽带极化转换单元的尺寸参数和旋转角度，实现对交叉极化分量的传输相位和宽带极化转换单元的几何相位的同时调控，仅需构建n/2个宽带极化转换单元，再将这n/2个单元以入射电场极化方向为对称轴镜像翻转即可得到另外n/2个宽带极化转换单元，最终实现轨道角动量oam涡旋波相位调控所需的360°的相位覆盖，极大的降低了oam涡旋波阵列的设计难度，实现了双圆极化轨道角动量的模式和偏折方向独立可调的功能，打破了几何相位自旋锁定的限制；得到的超表面阵列结构具有工作频带宽、转化效率高、多功能、性能灵活可控、双圆极化自旋解耦的优点；本专利技术具有优化变量少，结构简单，设计难度低，加工成本低的特点，有利于批量化生产应用。
2、为了实现上述专利技术目的，本专利技术所采取的技术方案如下：
3、一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，包括如下步骤：
4、步骤1：基于极化转换原理构建宽带极化转换单元，该单元为单层结构，包括金属层3，位于金属层3上的介质基板2以及位于介质基板2上的金属贴片1；所述介质基板2与金属层3具有相同的周期尺寸，金属贴片1包括第一枝节4、第二枝节5以及分别与第一枝节4和第二枝节5垂直连接的连接枝节6，第一枝节4、第二枝节5以及连接枝节6形成镜像对称的双e形结构，双e形结构的开口对向设置，双e形结构的对称轴与入射电场的极化方向之间的夹角为45°或135°；所述宽带极化转换单元的尺寸均处于亚波长范围；
5、步骤2：调控步骤1中金属贴片1的第一枝节4或第二枝节5的长边l以及第一枝节4和第二枝节5之间的距离g，得到n/2个宽带极化转换单元(n为偶数)，将n/2个宽带极化转换单元以入射电场的极化方向为对称轴镜像翻转，得到另外n/2个宽带极化转换单元，从而得到满足360°相位覆盖的n个宽带极化转换单元；将金属贴片1以介质基板2的法向方向为旋转轴逆时针旋转α，几何相位变化满足±2α；...
【技术保护点】
1.一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求2所述的一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，其特征在于：所述步骤1中连接枝节(6)将第一枝节(4)和第二枝节(5)垂直等分，第一枝节(4)与和第二枝节(5)结构相同且沿连接枝节(6)的垂直平分线对称分布，连接枝节(6)的垂直平分线与入射电场的极化方向之间的夹角为45°或135°；
3.根据权利要求2所述的一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，其特征在于：所述步骤1中的介质基板(2)由介电常数为2.2-2.65的低损耗材料构成；金属层(3)和金属贴片(1)均由反射率≥90％的金属材料构成。
4.根据权利要求2所述的一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，其特征在于：所述步骤2中相邻的宽带极化转换单元间的相位梯度为360°/n，且n个宽带极化转换单元间的传输相位梯度在工作频带范围内均相同。
5.根据权利要求2所述的一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，其特征在于，所述步骤3中宽带极化转换单元的传输相位公
6.根据权利要求2所述的一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，其特征在于：所述步骤4中计算左旋圆极化波的补偿相位φLL和右旋圆极化波的补偿相位φRR的公式如下：
7.根据权利要求2所述的一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，其特征在于：所述步骤1中的介质基板(2)由介电常数2.65，损耗角正切0.001的F4B基板构成；金属层(3)和金属贴片(1)均由导电率为5.8×107S/m的金属铜构成。
8.根据权利要求2所述的一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，其特征在于：所述步骤2中的n＝6，相邻的宽带极化转换单元间的相位梯度为60°。
...【技术特征摘要】
1.一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求2所述的一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，其特征在于：所述步骤1中连接枝节(6)将第一枝节(4)和第二枝节(5)垂直等分，第一枝节(4)与和第二枝节(5)结构相同且沿连接枝节(6)的垂直平分线对称分布，连接枝节(6)的垂直平分线与入射电场的极化方向之间的夹角为45°或135°；
3.根据权利要求2所述的一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，其特征在于：所述步骤1中的介质基板(2)由介电常数为2.2-2.65的低损耗材料构成；金属层(3)和金属贴片(1)均由反射率≥90％的金属材料构成。
4.根据权利要求2所述的一种宽带自旋解耦轨道角动量的超表面阵列构建方法，其特征在于：所述步骤2中相邻的宽带极化转换单元间的相位梯度为360°/n，且n个宽带极化转换单元...
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