[發明專利]基于超表面透射幾何貝爾相位的高效微波渦旋光激發裝置

有效

• 申請號: 201610211830.8
• 申請日: 2016-04-07
• 公開（公告）號: CN105785601B
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 發明（設計）人: 羅偉杰;孫樹林;許河秀;何瓊;周磊
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;盛志范

本發明屬于電磁調控技術領域，具體為一種基于超表面透射幾何貝爾相位的高效微波渦旋光激發裝置。本發明包括入射模塊、轉換模塊和接收模塊；其中：入射模塊使用時域門技術，由圓極化喇叭以脈沖形式將右旋（左旋）圓偏振平面光垂直入射到超表面；轉換模塊為具有完美透射頻率窗口的“旋轉結構”電磁特異介質超表面，通過“旋轉結構”的幾何貝爾相位，實現透射模值和透射相位解鎖，在保持高效透射模值的情況下，對透射相位進行純調控，設計超表面的幾何貝爾相位宏觀序為螺旋梯度，并嵌入到透射光中，從而產生高效渦旋光。本發明相比傳統的渦旋光激發裝置具有透射效率更高、厚度更薄的優點，適用于未來的集成光學領域。

技術領域

本發明屬于電磁調控技術領域，具體涉及一種微波渦旋光激發裝置。

背景技術

電磁波的傳輸行為由背景媒質的介電常數和磁導率決定，然而自然材料的光學參數所覆蓋范圍有限，因此限制了人們對電磁波的調控能力。電磁特異介質的思想就是精心設計某種具有結構共振的“人工的分子和原子”（簡稱“單元結構”），并以某種宏觀序的形式排列成二維、三維陣列，從而實現超越自然材料的“表面”結構（簡稱“超表面”）、“晶體”結構（簡稱“超晶體”）。電磁特異介質大大擴展人們調控電磁波的自由度，具有廣泛的應用前景。

在電磁調控裝置中，純相位調節器件在應用領域充當著一個不可或缺的角色，譬如：聚焦、全息、光柵、渦旋光激發等都是通過純相位調節器件實現。然而，傳統電磁調控裝置中，電磁波的散射模值和相位不能解鎖的問題一直困擾著這個領域（即：當調整相位時，不可避免地會改變模值），這導致純相位調節器件的設計變得異常繁瑣，甚至困難。其困難程度會隨著體系通道數增多而提高，因為沒有一個合適的機制去壓制或者去控制其他通道分出去能量，去鎖定模值。另外，傳統相位調節器件的厚度通常在波長量級以上，這在應用上帶來了諸多不便。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠實現透射率的模值和相位解鎖的微波渦旋光激發裝置，相比傳統的渦旋光激發方法，具有高效、單模、亞波長厚度節省物理空間的優點，為未來的集成光學發展，提供必不可少的光學集成器件。

本發明提出的微波渦旋光激發裝置，包括“三個模塊”，分別是入射模塊、轉換模塊和接收模塊；其中：

所述入射模塊：使用時域門技術，由圓極化喇叭以脈沖形式將右旋（左旋）圓偏振平面光垂直入射到超表面，其中，使用時域門技術，將入射電磁波以波包形式入射，避免渦旋光激發裝置內部形成駐波而影響測量結果的精度。待檢測入射電磁波采用近似平面光形式入射，使入射平面光的等相面（束腰位置）與“旋轉結構”電磁特異介質超表面重合，使其充分感受到超表面的局域幾何貝爾相位的調制。

所述轉換模塊（渦旋光激發裝置）：通過具有完美透射頻率窗口的“旋轉結構”電磁特異介質超表面，使得入射的左旋（右旋）圓偏振平面光幾乎不改變振幅、完美地透過超表面同時，嵌入任意階螺旋相位宏觀序，變成右旋（左旋）圓偏振渦旋光出射。

所述“旋轉結構”電磁特異介質超表面：是由全同的電磁特異介質單元結構周期性地排列的二維陣列，“旋轉結構”電磁特異介質超表面每一個局域的附加的透射相位（在學術上稱為幾何貝爾相位）由局域的特異介質單元結構的主軸幾何轉動角度決定，并且，每一個局域的透射幅度與電磁特異介質單元結構的主軸幾何轉動角度無關，從而實現純相位調節。幾何貝爾相位的應用使得透射率模值和相位解鎖。“旋轉結構”電磁特異介質超表面在工作頻段處（工作頻率為10.5GHz）實現異常透射模式的絕對效率近似100%。

“旋轉結構”電磁特異介質超表面局域電磁響應設計：全同的電磁特異介質單元結構均設計為沿兩個主軸方向完美透射（工作頻率為10.5GHz），因為單元結構的幾何參數全同，所以每一個局域的透射率模值得以保持。每一個單元結構均設計為以各自的中心為原點沿局域的軸方向轉動一定角度，這樣每一個單元結構都能產生不同的局域幾何貝爾相位，從對每一個局域的相位進行獨立調控，由幾何貝爾相位的替代透射率相位的調節，但是嵌入的幾何貝爾相位不是嵌入到線極化基矢上，而是圓極化基矢上。