一种实现矢量涡旋史密斯-珀塞尔辐射的方法

本发明涉及电磁领域，更具体地说，涉及一种实现矢量涡旋史密斯-珀塞尔辐射的方法。

背景技术：

1、电子束在金属衍射光栅上运动产生可见光波段辐射的效应被称为史密斯-珀塞尔辐射。史密斯-珀塞尔辐射描述了带电粒子与周期结构紧密平行运动时的光发射过程，其速度比周围介质中光的相速度慢，可以用运动带电粒子的倏逝场和周期结构的电磁模式之间的耦合来解释。史密斯-珀塞尔辐射由于其独特的物理特性，在众多领域中有着广泛的应用，例如，史密斯-珀塞尔辐射可作为电磁辐射源，由于电子束携带较宽的频率信息，且自由电子辐射最有前景的优点之一是其广泛的可调性和可用的波长范围，所以可以实现从微波到x射线的电磁辐射。并且在微波电子学中有直接的应用，被认为是一种有前景的无创粒子束诊断平台。因此对史密斯-珀塞尔辐射的研究具有重要意义。

2、超材料由亚波长结构组成，表现出了比自然材料更灵活的电磁场操作特性。这类微纳米结构的人工介质引起了研究者们极大的研究兴趣，通过设计合理的散射单元阵列，能够实现负折射、完美成像等有趣光学现象。然而，超材料的高损耗、与谐振响应相关的强色散以及微纳米尺度三维结构的制造难度阻碍了超材料的实际应用。超表面是三维超材料的二维等效平面，在波传播方向上的超薄厚度可以极大地抑制不必要的损耗。由于超表面具有高效的光与物质相互作用的能力、优异的电磁性能以及简单的制造工艺，对光波的多维操纵和便于功能材料的集成等有趣的功能而受到研究学者越来越多的关注。在过去的十几年里，超表面已经被用于光学元件和系统的设计和制造，其性能超过传统衍射光学元件。

3、相位梯度超表面作为超表面的一种，特别之处是界面处实现的相位不连续，目前，相位梯度超表面已成为电磁学的研究热点，能够实现光束任意偏折、宽带消色差超透镜、任意偏振调控、全息成像等，并在微波以及光学(如天线)等领域显示出了丰富的实际应用。

4、自由电子辐射的偏振在可调谐电磁辐射源的发展领域具有广阔的前景，而轨道角动量为光操纵提供了额外的自由度。更重要的是，携带自旋角动量的涡旋辐射为现代紧凑型无线通信系统提供了一条新的途径，从而提高了频谱效率和信道容量。然而，史密斯-珀塞尔辐射的自旋和轨道角动量的共调制尚未被揭示。

技术实现思路

1、1.要解决的技术问题

2、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种实现矢量涡旋史密斯-珀塞尔辐射的方法，它可以实现不同偏振状态的涡旋史密斯-珀塞尔辐射，利用由光栅超表面和相位梯度超表面组成的级联系统，实现史密斯-珀塞尔辐射自旋角动量和轨道角动量的共调制。

3、2.技术方案

4、为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

5、一种实现矢量涡旋史密斯-珀塞尔辐射的方法，所述方法包括以下步骤：

6、s1：将偏振涡旋史密斯-珀塞尔辐射设置成介质光栅、二氧化硅介质板一、相位梯度超表面和二氧化硅介质板二结构，并利用周期性介质光栅调控自由电子辐射的偏振态；

7、s2：利用相位梯度超表面调控辐射光的相位；

8、s3：根据偏振调控，改变介质光栅结构，获得不同偏振的电子辐射；

9、其中，电子束穿过相对于电子束传播方向旋转45°的光栅后，获得圆偏振的史密斯-珀塞尔辐射；

10、当光栅方位角为-45°时，获得左旋圆偏振史密斯-珀塞尔辐射；

11、s4：电偶极子和磁偶极子重叠时，调整结构的长度和宽度，可以在谐振频率附近进行2π的相位控制。

12、进一步的，还包括介质光栅、二氧化硅介质板一、相位梯度超表面和二氧化硅介质板二，所述介质光栅、二氧化硅介质板一、相位梯度超表面和二氧化硅介质板二从上至下为依次分布；

13、利用周期性介质光栅调控自由电子辐射的偏振态；

14、利用相位梯度超表面调控辐射光的相位。

15、设计两种光栅结构和共振型相位梯度超表面以及几何型相位梯度超表面分别来实现线偏振和圆偏振的矢量涡旋电子辐射。由于全介质超表面结构具有很高的透射率，允许级联超表面，将两个超表面级联起来可以产生任意偏振方向的涡旋电子辐射。

16、进一步的，所述介质光栅材料为硅、硼化硅、硫化锌其中的任意一种。

17、更进一步的，实现线偏振的介质光栅材料为硅，周期为800nm，宽为400nm，高为291.2nm，光学性质来自于palik的实验数据；

18、实现圆偏振的介质光栅材料为硅，周期为570nm，宽为220nm，高为320nm，光学性质来自于palik的实验数据；

19、进一步的，根据偏振调控需求，改变介质光栅结构，获得不同偏振的电子辐射。

20、进一步的，所述s1中，通过操纵介质光栅结构的取向角，用于调控线偏振或左右旋圆偏振。

21、进一步的，所述相位梯度超表面基于惠更斯原理和pancharatnam-berry原理，用于实现共振型和几何型的2π相位覆盖。

22、进一步的，所述介质光栅需在工作波长下满足2π相位覆盖。

23、更进一步的，共振型相位梯度超表面材料为硅，周期为800nm，高为270nm，光学性质来自于palik的实验数据，目的利用惠更斯原理在谐振频率处通过改变几何尺寸实现2π相位覆盖；

24、几何型相位梯度超表面材料为硅，周期为570nm，长为420nm，宽为220nm，高为1000nm，光学性质来自于palik的实验数据，目的是利用pancharatnam-berry相位实现2π的相位覆盖；

25、电子束在上方且平行于光栅穿过，所设计的工作波长是1550nm。

26、进一步的，所述二氧化硅介质板一中二氧化硅的厚度为310mm，其折射率为1.46。

27、3.有益效果

28、相比于现有技术，本发明的优点在于：

29、(1)本技术方案实现了史密斯-珀塞尔辐射的偏振和相位的共同调制；凭借全介质超表面结构具有高透射率的优势，实现了四层级联结构，产生任意偏振方向的涡旋电子辐射；整个系统形成了一个紧凑的光学系统，提供了一种简单的方法来产生任意偏振和涡旋相位的电子辐射光束。

技术特征：

1.一种实现矢量涡旋史密斯-珀塞尔辐射的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种实现矢量涡旋史密斯-珀塞尔辐射的方法，其特征在于：所述介质光栅、二氧化硅介质板一、相位梯度超表面和二氧化硅介质板二从上至下为依次分布。

3.根据权利要求1所述的一种实现矢量涡旋史密斯-珀塞尔辐射的方法，其特征在于：所述s1中，介质光栅材料为硅、硼化硅、硫化锌其中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种实现矢量涡旋史密斯-珀塞尔辐射的方法，其特征在于：所述s1中，通过操纵介质光栅结构的取向角，用于调控线偏振或左右旋圆偏振。

5.根据权利要求1所述的一种实现矢量涡旋史密斯-珀塞尔辐射的方法，其特征在于：所述s3中，当电子束穿过相对于电子束传播方向旋转45°的光栅后，获得圆偏振的史密斯-珀塞尔辐射；

6.根据权利要求1所述的一种实现矢量涡旋史密斯-珀塞尔辐射的方法，其特征在于：所述相位梯度超表面基于惠更斯原理和pancharatnam-berry相位原理，用于实现共振型和几何型的2π相位覆盖。

7.根据权利要求1所述的一种实现矢量涡旋史密斯-珀塞尔辐射的方法，其特征在于：所述二氧化硅介质板一中二氧化硅的厚度为310mm，其折射率为1.46。

技术总结
本发明公开了一种实现矢量涡旋史密斯‑珀塞尔辐射的方法，属于电磁技术领域，一种实现矢量涡旋史密斯‑珀塞尔辐射的方法，所述方法包括以下步骤：S1：将矢量涡旋史密斯‑珀塞尔辐射设置成介质光栅、二氧化硅介质板一、相位梯度超表面和二氧化硅介质板二结构，并利用周期性介质光栅调控自由电子辐射的偏振态；S2：利用相位梯度超表面调控辐射光的相位；S3：根据偏振调控，改变介质光栅结构，获得不同偏振的电子辐射。它可以实现，偏振涡旋史密斯‑珀塞尔辐射，利用由光栅超表面和相位梯度超表面组成的级联系统，实现史密斯‑珀塞尔辐射自旋角动量和轨道角动量的共调制。

技术研发人员：李汶佳,王业涵,徐文霞,秦春花,吕博,李玉祥,朱正,关春颖,刘建龙,史金辉
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8