一种基于几何相位与传输相位联合调制的全介质硅偏振涡旋光束透镜超表面

本发明属于全介质光学超表面领域，具体为一种利用几何相位与传输相位相结合实现偏振控制的携带不同拓扑荷的涡旋光分束聚焦的单层全介质光学超表面。

背景技术：

1、超表面是由亚波长集成单元组成，以离散菲涅尔定律为基础。其基本单元对外界电磁波的反射或透射相位呈线性梯度变化，不同于传统光学元件依赖于宏观面型弯曲产生的光程差有体积大，对光场调控自由度低等缺点。全介质超表面加工工艺与现有集成电路工艺兼容，其具有高集成度，便于大规模制备等优秀特点已经被广泛应用于平面光学，超构透镜等领域。

2、几何相位又被称为(pancharatnam-berry)相位是指通过调整亚波长集成单元相对于参考系的旋转角度，而不改变其尺寸大小便可以实现对入射电磁波的透射相位与反射相位0～2π范围调节。由于其紧紧跟基本单元转角相关，与波长以及结构参数无关方便了研究人员以此为基础设计梯度电磁特异介质超表面。传输相位是指电磁波在传播过程中与亚波长集成单元发生相互作用而产生的相位延迟。其与结构参数大小以及组成结构的材料折射率密切相关，可以通过改变亚波长集成单元尺寸而改变其折射率。

3、光学自旋霍尔效应是指通过改变光束在传播路径上的介质折射率实现左右旋偏振光的分解。与电子自旋霍尔效应中电子上下旋形成对应。在智能光子器件开发等领域具有重要应用。光子不仅仅具有内禀的自旋轨道角动量(spin angular momentum,sam)还具有外禀的轨道角动量(orbital angular momentum,oam)。涡旋光束是一种具有螺旋型相位波前和相位与强度奇点的波束。对于具有不同拓扑荷数目的波束，其数学描述为其中l代表拓扑荷数目，代表旋转方位角。由于其上述特性，涡旋光束携带非零的轨道角动量。不同于sam只有σ＝±1两种状态，其中σ代表圆偏振极化状态即只有左右旋两种极化状态。oam理论上任意两状态正交，因此其维度为无限维。这在信息传输领域突破香农定理提供了途径。

4、现有的超表面设计往往依赖于单一的相位调制效应，因此其功能较为简单。利用几何相位与传输相位联合调控即同时调控亚波长集成单元的旋转角度与其参数大小可以实现对光场参量多维度进行调控，实现功能更加复杂的平面光学器件。不同于金属基本单元组成的超表面具有较大的欧姆损耗问题，全介质超表面具有损耗低，成本低等优点。实现多相位联合调制下的全介质超表面在超构透镜，捕获微小颗粒，信息传输等方面具有重要应用。

技术实现思路

1、针对过往研究与技术中存在的问题或不足，本发明目的在于提供了一种基于几何相位与传输相位联合调制的全介质偏振控制涡旋光束透镜超表面。采用复合相位进行超表面设计使得超表面实现的功能更加强大，全介质超表面具有损耗低，与现有工艺兼容等优点。本发明以垂直于超表面方向为参考线，实现了以在线偏振入射下，出射角度与拓扑荷数以及聚焦距离共轭非对称涡旋透镜，并可以由入射光的左右旋偏振状态进行灵活调控。

2、本发明技术方案如下:

3、一种基于几何相位与传输相位联合调制的全介质偏振控制涡旋透镜超表面。

4、所述亚波长集成单元包括上下两层，下层衬底以二氧化硅为介质，边长范围0.5～0.6um，厚度约2um的方块，整体呈现圆柱状。上层介质为硅高度0.75um，长宽范围0.05～0.5um的矩形柱体；亚波长矩形柱体x与y正交方向满足适合于圆偏振入射情况下的半波片相位要求。

5、上层整体亚波长集成单元的物理中心投影与下层衬底物理中心集合。

6、亚波长矩形柱体以水平为中心其旋转角度满足该位置实现左右旋横向分束几何相位需求，旋转角度范围0～π，相位覆盖0～2π。入射平面光束为45°线偏振光，垂直于介质超表面入射。

7、进一步的，所述亚波长矩形单元结构需要满足产生共轭非对称的涡旋光束的相位规则：按照象限均匀分为n份，n为正整数，分别实现梯度为llcp*2π/n,llcp＝2与lrcp*2π/n,llcp＝1的相位递增分布。其中llcp与lrcp分别为左右旋圆偏振光携带的拓扑荷数。

8、亚波长矩形柱体参数大小满足该位置传输相位即实现左右旋圆偏振光独立纵向聚焦需求。

9、其设计方法具体如下：

10、步骤1、引入传输相位因子令其满足针对不同圆偏振状态聚焦相位条件，矩形状单元结构在x与y轴周期性方向分布服从以下针对左旋与右旋偏振入射光的聚焦条件:其中λ代表入射光波长，f代表焦长，表示超表面与在纵向方向上焦点之间的距离，由此可以实现针对不同入射圆偏振正交态纵向方向分束聚焦。

11、步骤2、在步骤1的基础上引入几何相位主导的针对不同圆偏振特性的分束相位因子，n个基本柱体单元结构为一个周期沿x轴横向分布，n≥2，且n为整数；亚波长基本单元结构依次逆时针旋转i*π/n,i∈[0,n-1]且i为整数，出射左右旋光束获得调制相位为(±2i)*π/n,i∈[0,n-1]，实现了共轭左右旋圆偏振光横向分束。相位覆盖0～2π，出射角范围为±0～90°；

12、步骤3、在步骤2的基础上引入几何相位主导的涡旋相位因子，实现+2阶与-1阶共轭非对称的涡旋光束。首先将超表面均匀划分n份，n为正整数。根据设计的正交圆偏振态携带的拓扑荷数不同，分别实现梯度为llcp*2π/n,llcp＝2与lrcp*2π/n,lrcp＝1的相位递增分布。其中llcp与lrcp分别为左右旋圆偏振光携带的拓扑荷数。矩形状基本单元结构根据其分布进行相应的角度旋转，最终实现了出射角为±0～90°的共轭非对称不同大小的涡旋横向与纵向独立聚焦。

技术特征：

1.一种基于几何相位与传输相位的全介质硅偏振控制涡旋光束聚焦超表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述基于几何相位与传输相位的全介质硅偏振控制的涡旋光束聚焦超表面的设计方法，其特征在于每个结构单元均满足半波片的特性。

3.如权利要求1所述基于几何相位与传输相位的全介质硅偏振控制的涡旋光束聚焦超表面的设计方法，其特征在于所述亚波长结构单元周期范围为0.5～0.6um且其物理投影中心与下层衬底物理中心重合。

4.如权利要求1所述基于几何相位与传输相位联合调制的全介质硅偏振控制涡旋光束聚焦超表面的设计方法，其特征在于超表面设定入射光波长为980nm。

技术总结
本发明属于全介质光学超表面领域，涉及利用几何相位与传输相位联合调制实现偏振控制共轭非对称涡旋光透镜的单层全介质光学超表面。本发明通过引入多种相位调制效应即几何相位与传输相位，使得在旋转45°线性极化平面光束入射下，能够实现共轭非对称的聚焦涡旋光束，即实现了可由左右旋光束偏振状态控制的不同涡旋光束聚焦方向与聚焦距离以及聚焦光斑大小的产生。可根据聚焦涡旋光束出射角与大小，合理选择超表面相位分布，具有集成度高，可调谐等特性；全介质超表面具有低损耗等优点，在光镊，光通信等领域具有重要应用价值。

技术研发人员：董俊成,戴丽萍,钟志亲,杨元杰,张庆,刘继芝,吴铁青
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11