艾里光束产生装置及焦点位置的调控方法、超构表面系统

本发明涉及光学，具体而言，涉及一种艾里光束产生装置及焦点位置的调控方法、超构表面系统。

背景技术：

1、艾里光束具有自聚焦、自愈合，以及传播过程中不发生明显衍射的特点，其被广泛应用于各个领域。然而，相关技术中并无法灵活调整艾里光束焦点的位置，使其应用领域受限。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种可调整艾里光束焦点位置的艾里光束产生装置及焦点位置的调控方法、超构表面系统。

2、本发明实施例的艾里光束产生装置，其特征在于，包括多片叠置的超构表面，所述超构表面用于将入射光调整为艾里光束；每个所述超构表面具有相对设置的入光面和出光面，相邻的其中一个所述超构表面的所述入光面与另一个所述超构表面的所述出光面面对面设置；

3、至少一个所述超构表面能够绕其轴线可旋转地设置，使得多片所述超构表面的相对转角改变，以调节所述艾里光束的焦点位置。

4、根据本发明的一些实施方式，每个所述超构表面包括基底以及覆盖在所述基底一侧表面的多个呈阵列布置的纳米天线，多个所述纳米天线用于调控入射光的相位；

5、所述基底背离多个所述纳米天线的一侧表面形成所述入光面，多个所述纳米天线形成所述出光面；或，所述多个所述纳米天线形成所述入光面，所述基底背离多个所述纳米天线的一侧表面形成所述出光面。

6、根据本发明的一些实施方式，每个所述纳米天线为多边体或圆柱体。

7、根据本发明的一些实施方式，每个所述纳米天线为实心结构或空心结构。

8、根据本发明的一些实施方式，所述艾里光束产生装置包括两片所述超构表面，用于实现所述艾里光束的焦点位置的全平面调控，所述艾里光束产生装置的相位分布满足以下公式：

9、p1＝-a((x+d)2+y2)，

10、p2＝a((x-d)2+y2)+b(x3+y3)；或

11、p1＝ax，

12、p2＝ax+b(x3+y3)；

13、其中，p1,p2分别为两片所述超构表面的相位分布，a，b，d为设计参数，x，y为每个所述超构表面上的平面坐标。

14、根据本发明的一些实施方式，所述艾里光束产生装置包括三片所述超构表面，用于实现所述艾里光束的焦点位置的全空间调控，所述艾里光束产生装置的相位分布满足以下公式：

15、p1＝-a((x+d)2+y2)，

16、p2＝a((x-d)2+y2)+round(b(x2+y2))，

17、p3＝round(-b(x2+y2))+c(x3+y3)；或

18、p1＝ax，

19、p2＝ax+round(b(x2+y2))，

20、p3＝round(-b(x2+y2))+c(x3+y3)；

21、其中，p1,p2分别为两片所述超构表面的相位分布，a，b，d为设计参数，x，y为每个所述超构表面上的平面坐标，round为将数字四舍五入到指定位数的函数。

22、本发明实施例的光学系统，包括上述任一项所述的艾里光束产生装置。

23、本发明实施例的艾里光束的焦点位置的调控方法，包括：

24、提供多片叠置的超构表面，所述超构表面用于将入射光调整为艾里光束；每个所述超构表面具有相对设置的入光面和出光面，相邻的其中一个所述超构表面的所述入光面与另一个所述超构表面的所述出光面面对面设置；以及

25、旋转至少一个所述超构表面，使得多片所述超构表面的相对转角改变，以调节所述艾里光束的焦点位置。

26、根据本发明的一些实施方式，所述艾里光束产生装置包括两片所述超构表面；所述方法还包括：

27、按照如下公式设计所述艾里光束产生装置的相位分布，以实现所述艾里光束的焦点位置的全平面调控，

28、p1＝-a((x+d)2+y2)，

29、p2＝a((x-d)2+y2)+b(x3+y3)；或

30、p1＝ax，

31、p2＝ax+b(x3+y3)；

32、其中，p1,p2分别为两片所述超构表面的相位分布，a，b，d为设计参数，x，y为每个所述超构表面上的平面坐标。

33、根据本发明的一些实施方式，所述艾里光束产生装置包括三片所述超构表面；所述方法还包括：

34、按照如下公式设计所述艾里光束产生装置的相位分布，以实现所述艾里光束的焦点位置的全空间调控，

35、p1＝-a((x+d)2+y2)，

36、p2＝a((x-d)2+y2)+round(b(x2+y2))，

37、p3＝round(-b(x2+y2))+c(x3+y3)；或

38、p1＝ax，

39、p2＝ax+round(b(x2+y2))，

40、p3＝round(-b(x2+y2))+c(x3+y3)；

41、其中，p1,p2分别为两片所述超构表面的相位分布，a，b，d为设计参数，x，y为每个所述超构表面上的平面坐标，round为将数字四舍五入到指定位数的函数。

42、上述发明中的一个实施例至少具有如下优点或有益效果：

43、本发明实施例的艾里光束产生装置，利用超构表面灵活操控入射光振幅、相位、偏振的特性，通过调整不同超构表面的转角，实现对入射光的不同调制，从而达到灵活操作艾里光斑在空间中的位置。通过旋转超构表面的方式实现艾里光束焦点位置的调节，极大地压缩了空间占比，有利于提高集成度。

技术特征：

1.一种艾里光束产生装置，其特征在于，包括多片叠置的超构表面，所述超构表面用于将入射光调整为艾里光束；每个所述超构表面具有相对设置的入光面和出光面，相邻的其中一个所述超构表面的所述入光面与另一个所述超构表面的所述出光面面对面设置；

2.根据权利要求1所述的艾里光束产生装置，其特征在于，每个所述超构表面包括基底以及覆盖在所述基底一侧表面的多个呈阵列布置的纳米天线，多个所述纳米天线用于调控入射光的相位；

3.根据权利要求2所述的艾里光束产生装置，其特征在于，每个所述纳米天线为多边体或圆柱体。

4.根据权利要求2所述的艾里光束产生装置，其特征在于，每个所述纳米天线为实心结构或空心结构。

5.根据权利要求1所述的艾里光束产生装置，其特征在于，所述艾里光束产生装置包括两片所述超构表面，用于实现所述艾里光束的焦点位置的全平面调控，所述艾里光束产生装置的相位分布满足以下公式：

6.根据权利要求1所述的艾里光束产生装置，其特征在于，所述艾里光束产生装置包括三片所述超构表面，用于实现所述艾里光束的焦点位置的全空间调控，所述艾里光束产生装置的相位分布满足以下公式：

7.一种光学系统，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的艾里光束产生装置。

8.一种艾里光束的焦点位置的调控方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的艾里光束的焦点位置的调控方法，其特征在于，所述艾里光束产生装置包括两片所述超构表面；所述方法还包括：

10.根据权利要求8所述的艾里光束的焦点位置的调控方法，其特征在于，所述艾里光束产生装置包括三片所述超构表面；所述方法还包括：

技术总结
本发明涉及光学技术领域，并公开一种艾里光束产生装置及焦点位置的调控方法、超构表面系统。艾里光束产生装置包括多片叠置的超构表面，超构表面用于将入射光调整为艾里光束；每个超构表面具有相对设置的入光面和出光面，相邻的其中一个超构表面的入光面与另一个超构表面的出光面面对面设置；至少一个超构表面能够绕其轴线可旋转地设置，使得多片超构表面的相对转角改变，以调节艾里光束的焦点位置。利用超构表面灵活操控入射光振幅、相位、偏振的特性，通过调整不同超构表面的转角，实现对入射光的不同调制，达到灵活操作艾里光斑在空间中的位置。通过旋转超构表面的方式实现艾里光束焦点位置的调节，极大地压缩了空间占比，有利于提高集成度。

技术研发人员：张景程,陈沐谷,蔡定平
受保护的技术使用者：香港城市大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16