【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学器件，尤其涉及太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法及超构器件。
技术介绍
1、偏振现象，即电磁波中电场方向的有序运动。作为光的基本特性，偏振已经从量子光学和成像到光学显示、光与物质相互作用和传感等领域都得到了利用。传统的偏振控制器件，利用偏振器、波片等光学器件，独立的改变入射光束的正交偏振，将其转换为所需的局部偏振态分布。且其已经在偏振光栅、全息成像、多功能偏振控制器、偏振成像、矢量光束等方面得到了广泛的应用。
2、然而，传统的偏振控制方案通常将光的偏振视为一种全局静态特性，主要集中于横向单一平面的偏振态控制，难以实现纵向多平面空间偏振态的动态变化。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术提供一种太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法及超构器件，实现了在线偏振太赫兹光入射下，超表面分别将左右旋分量聚焦于不同焦焦深处，通过偏振叠加原理，从而实现不同偏振态的生成。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法，包括以下步骤：
3、s1、构建线性传输琼斯矩阵，以分析超表面对太赫兹光场调控的物理机制；
4、s2、基于线性传输琼斯矩阵，设定超单元结构的筛选规则；
5、s3、设计超表面的相位、光场初始相位和光场初始面相位分布；
6、s4、使用全硅电介质材料依据设计的超表面的相位、光场初始相位和光场初始面相位分布，构建超表面单元
7、s5、基于筛选规则，筛选超表面单元组成以π/8为相位梯度，相位从0到2π全覆盖的单元库；
8、s6、基于单元库，利用自动布局算法构建超表面结构。
9、优选的，步骤s1具体包括以下步骤：
10、s11、构建一个超单元的线性传输琼斯矩阵：
11、
12、式中，txx表示电场沿x轴方向传播的透射系数，txx、分别表示电场沿x轴方向传播的振幅和相位；tyy表示电场沿y轴方向传播的透射系数，tyy、分别表示电场沿y轴方向传播的振幅和相位；
13、s12、假设超单元的透射振幅txx＝tyy＝1，超单元结构旋转角为θ，获得超表面的线性琼斯矩阵j(θ)如下：
14、j(θ)＝m(θ)t×t×m(θ) (2)
15、式中，m(θ)为旋光矩阵，且
16、s13、结合圆极化下对超表面琼斯矩阵的分析，将超单元结构旋转角为θ时的超表面传输琼斯矩阵表示为：
17、
18、且满足δ+×elcp＝ercp；δ+×ercp＝0δ-×ercp＝elcp；δ-×elcp＝0；
19、式中，为x与y方向相位之差；δ+和δ-为左右旋偏振光转换矩阵；elcp和ercp分别为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的琼斯矢量。
20、优选的，步骤s2具体包括以下步骤：
21、s21、设定以抑制同偏振信号的传输，提高交叉偏振转化率；并设定超表面的同偏振通道振幅为0，交叉极化通道振幅为1；此时入射的lcp经过透射场完全转化为rcp，并将此传输过程的相位记作且入射的rcp经过透射场完全转化为lcp，并将此传输过程的相位记作
22、s22、结合公式(3)获得超单元结构的筛选规则：
23、
24、优选的，步骤s3具体包括以下步骤：
25、s31、引入长焦深汇聚相位，设计超表面和相位，且长焦深汇聚相位与超表面超单元微结构的坐标位置的关系满足如下公式：
26、
27、式中，为长焦深汇聚波束相位分布函数；k为空间波矢量，k＝2π/λ，λ为入射光波长；r为半径坐标，f为超表面透射场焦点起点位置；δf为透射场焦深范围；r表示超表面的数值孔径，即超表面的最大半径；
28、s32、为实现超表面将太赫兹光束的左右旋分量聚焦到光轴不同焦深位置，将超表面的光场初始相位以及初始面相位分布设计如下：
29、
30、式中，f2为lcp的汇聚焦深的起始点，f2＝4mm；f3为rcp的汇聚焦深的起始点，f3＝6mm；δf＝2.5mm。
31、优选的，在步骤s4中，全硅电介质的介电常数ε＝11.9。
32、优选的，在步骤s5中，筛选的15个超单元结构组成一个单元库，实现在1.1thz线偏振波入射时，单元库超单元结构的透射沿x方向的透射率选择大于0.6。
33、优选的，在步骤s6中，构建80×80单元的超表面结构。
34、一种超构器件，超构器件为全硅介质非对称超表面结构；
35、全硅介质非对称超表面结构包括顶端十字型立柱和底端长方体基座，顶端十字型立柱的凸起面上还设置有长方体，且顶端十字型立柱的横截面中轴线长度为30μm-130μm，顶端十字型立柱的横截面的十字型宽度d＝30μm，顶端十字型立柱的高度t＝200μm，步长为1μm；长方体的横截面长度dw＝μm30-50μm、宽度s＝5μm。步长为1μm；
36、底端长方体基座的上下两个端面均为正方形，且正方形的边长p＝140μm，底端长方体基座的高h＝300μm。
37、本专利技术具有以下有益效果：
38、1、实现了将入射线偏振太赫兹光束的左右旋圆偏振分量聚焦于光轴不同焦深距范围内位置，并使左旋偏振和右旋偏振的焦斑部分交叠，从而实现了在纵向不同焦深位置上的偏振分布的纵向演化的功能；
39、2、结合动力学相位和几何相位，在动力学相位中引入长焦深汇聚波束相位分布函数，最终实现当xoy面45°线偏振太赫兹光束入射到超表面光学器件上，太赫兹光束的shel自旋相关左右旋光束会分别在z轴不同位置聚焦，形成焦深为δf的长焦深光斑；
40、3、基于各向异性全硅介质微纳单元的几何设计和阵列排布，实现了长焦深范围内偏振态纵向演变超表面的构建，实现了在线偏振太赫兹光入射下，超表面分别将左右旋分量聚焦于不同焦焦深处，通过偏振叠加原理，从而实现不同偏振态的生成，即两种偏振状态焦斑交叠处，不同的振幅、相位左右旋圆偏振光的叠加可以产生任意类型的偏振光，适用于光通信、光学成像、光子学器件、光子晶体和生物医学影像学等领域；
41、4、通过精细控制超表面光场初始面的相位和振幅，实现了光束偏振动态控制和满足特定应用的需求。
42、下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
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1.太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法，其特征在于：步骤S2具体包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法，其特征在于：在步骤S4中，全硅电介质的介电常数ε＝11.9。
6.根据权利要求5所述的太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法，其特征在于：在步骤S5中，筛选的15个超单元结构组成一个单元库，实现在1.1THz线偏振波入射时，单元库超单元结构的透射沿x方向的透射率选择大于0.6。
7.根据权利要求6所述的太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法，其特征在于：在步骤S6中，构建8
8.一种超构器件，基于上述权利要求1-7任一项所述的太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法设计，其特征在于：超构器件为全硅介质非对称超表面结构；
...【技术特征摘要】
1.太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法，其特征在于：步骤s1具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法，其特征在于：步骤s2具体包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法，其特征在于：步骤s3具体包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的太赫兹圆偏振复用长焦深偏振态纵向演化超构器件设计方法，其特征在于：在步骤s4中，全硅...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗莉，刘肖，李杰，彭穗，刘波，王宇婷，王灵之，邹雨欣，周玲，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：
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