一种基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器的制作方法

本发明属于光学，具体涉及一种基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器。

背景技术：

1、随着现代光学技术研究的不断深入，微波和红外领域的技术已经日趋成熟，而位于这两种波段之间的太赫兹波既有微波的特性又有光波的特性，是一个还没有被完全认识和利用的电磁辐射区域，因此对这个波段进行研究是非常有科学价值的。太赫兹波通常指频率在0.1-10thz的电磁辐射，其波长为30um-3mm。

2、目前来说，高效率的、可调的太赫兹功能器件比较稀缺，由于自然材料的限制，更是给太赫兹功能器件的研制带来了困难。近年来，超表面的出现打破了自然材料的限制，通过设计超表面特定的单元结构，可以实现一些电磁波调控的新现象。

3、同时，激光技术的发展展现了其在多种领域的应用潜力。通过对光场的不同参数进行调控，可以分别实现矢量光束和涡旋光束，由于其特殊性质，可以在探测及通信方面得到广泛应用。通过进一步对光场的多种参数进行联合调控，可以得到一种新型光束：矢量涡旋光束，矢量涡旋光束兼具矢量光束和涡旋光束的性质，光学性质极其丰富，可以极大地拓宽激光的应用领域。

4、目前对于矢量涡旋光束的研究还处于发展阶段，且在太赫兹波段用于矢量涡旋光束产生的相关器件更是稀缺，对相关方面的研究进展造成了一些阻碍。

5、因此当前亟需开发出太赫兹波段的矢量涡旋光束产生器，来满足相关研究的需要，这是非常有必要的。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种太赫兹波段、基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器。

2、为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器，其特征在于：所述产生器包括若干超表面单元结构，每个所述超表面单元结构自上而下依次设置为：第一层为金属长条和二氧化钒方块构成的组合结构，第二层为聚酰亚胺介质层，第三层为金属底板层，所有的超表面单元结构组合成阵列。

4、进一步地，每一个组合结构中，所述金属长条的高度为2μm，所述二氧化钒块状的高度为4μm，所述金属长条从二氧化钒方块下方穿过。

5、进一步地，每一个组合结构在阵列中分别设置为不同的相位分布，其相位分布满足公式：

6、

7、上述公式为涡旋光束的相位分布式，当阵列中的相位分布满足此公式时，出射光束为涡旋光束，其中，y和x为每一个组合结构的中心坐标，组合结构的周期为50μm，y和x坐标以阵列中心位置为坐标原点进行设置。

8、进一步地，每一个组合结构在阵列中分别设置为不同的旋转角度，其旋转角满足公式：

9、

10、进一步地，所述第二层为介电常数为3.5，损耗角正切为0.0014，厚度为11μm的聚酰亚胺(pi)板材。

11、进一步地，所述第三层的金属层厚度为0.5μm。

12、进一步地，所有的超表面单元结构的第二层和第三层分别为整体的块状。

13、进一步地，所述产生器采用温度作为切换条件，所述温度为二氧化钒的相变温度68℃。

14、进一步地，所述产生器处于常温条件下时，所述产生器为四分之一波片，当入射光束为圆偏振光时，反射光束为矢量涡旋光束；所述产生器的环境温度高于68℃，所述产生器为半波片，当入射光束为线偏振光时，反射光束为矢量光束。

15、本发明相比现有技术具有以下有益效果：

16、本发明利用超表面器件对太赫兹波的调制能力，提供的可切换矢量涡旋光束产生器可以在一定的太赫兹频率范围内实现矢量涡旋光束和矢量光束的切换；其中，通过设计金属长条和二氧化钒方块构成的组合结构在阵列中的相位分布和旋转角度，同时通过控制温度：当处于室温时，结构中的二氧化钒为绝缘态，此时的本发明在2thz-3thz的频率范围内可以作为四分之一波片，进而能够在圆偏振光入射的条件下产生矢量涡旋光束；当处于高温时(环境温度≥68℃)，结构中的二氧化钒为金属态，此时的本发明在2.3thz-2.6thz的频率范围内可以作为半波片，进而能够在线偏振光入射的条件下产生矢量光束。因此本发明调控原理简单，易于控制，整体结构设计新颖，填补了太赫兹波段相关功能器件的空白，满足了可调超表面在集成光学领域的应用需求。

技术特征：

1.一种基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器，其特征在于：所述产生器包括若干超表面单元结构，每个所述超表面单元结构自上而下依次设置为：第一层为金属长条和二氧化钒方块构成的组合结构，第二层为聚酰亚胺介质层，第三层为金属底板层；所有的超表面单元结构组合成阵列。

2.如权利要求1所述的一种基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器，其特征在于：每一个组合结构中，所述金属长条的高度为1.5-2.5μm，所述二氧化钒块状的高度为3.5-4.5μm，所述金属长条从二氧化钒方块下方穿过。

3.如权利要求1所述的一种基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器，其特征在于：每一个组合结构在阵列中分别设置为不同的相位分布，其相位分布满足公式：

4.如权利要求3所述的一种基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器，其特征在于：每一个组合结构在阵列中分别设置为不同的旋转角度，其旋转角满足公式：

5.如权利要求1所述的一种基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器，其特征在于：所述第二层为介电常数为3.5，损耗角正切为0.0014，厚度为10-13μm的聚酰亚胺pi板材。

6.如权利要求1所述的一种基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器，其特征在于：所述第三层的金属层厚度大于等于0.5μm。

7.如权利要求1所述的一种基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器，其特征在于：所有的超表面单元结构的第二层和第三层分别为整体的块状。

8.如权利要求1所述的一种基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器，其特征在于：所述产生器采用温度作为切换条件，所述温度为二氧化钒的相变温度68℃。

9.如权利要求8所述的一种基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器，其特征在于：所述产生器处于常温条件下时，所述产生器为四分之一波片，当入射光束为圆偏振光时，反射光束为矢量涡旋光束。

10.如权利要求8所述的一种基于相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器，其特征在于：所述产生器的环境温度高于68℃时，所述产生器为半波片，当入射光束为线偏振光时，反射光束为矢量光束。

技术总结
本发明公开了一种太赫兹波段的基于反射型相变超表面的可切换矢量涡旋光束产生器，其在实现四分之一波片和半波片转换的同时，实现矢量涡旋光束和矢量光束的切换：当处于室温时，二氧化钒是绝缘态，此时超表面作为四分之一波片，当圆偏振光入射时，反射光束为矢量涡旋光束；当在高温下二氧化钒是金属态，此时超表面作为半波片，当线偏振光入射时，反射光束为矢量光束；本发明满足了可调超表面在集成光学领域的应用需求，其具有灵活，易于集成和结构紧凑的特点。

技术研发人员：赵鹏飞,姚明亮,鲁金超
受保护的技术使用者：南通智能感知研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19