[發明專利]基于透射型介質超穎表面產生矢量光束的方法

有效

• 申請號: 201810192713.0
• 申請日: 2018-03-09
• 公開（公告）號: CN108490603B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發明（設計）人: 黃玲玲;趙睿哲;王涌天
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G02B26/00
• 分類號: G02B26/00;G02B27/28;B81C1/00;G02F1/01
• 代理公司: 11639 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 毛燕

1.基于透射型介質超穎表面產生柱矢量光束的方法，其特征在于：包括如下步驟，

步驟一：用于產生柱矢量光束的超穎表面由相同幾何尺寸、不同方位角的納米柱陣列構成；設計納米柱單元幾何尺寸，使納米柱在特定工作波長的光照射下具有半波片功能，通過旋轉納米柱實現對出射光場偏振方向的調控；所述的幾何尺寸包括納米柱的長軸長度L、短軸長度W、高度H以及超穎表面單元的周期S；

步驟二：通過改變納米柱單元的方位角實現對出射光場偏振方向的調控，在步驟一中確定納米柱單元幾何尺寸之后，需要根據目標柱矢量光束的偏振方向分布，得到納米柱陣列的方位角分布，即確定每個納米柱單元的旋轉位置，從而編碼生成相應介質超穎表面結構的加工文件；

在極坐標系中柱矢量光束的偏振方向分布如公式(2)所示：

Φ(r,φ)＝P×φ+φ₀ (2)

式中：Φ表示柱矢量光束橫截面上任意一點的偏振方向，r和φ表示橫截面上任意一點到中心點的距離和方位角，P為柱矢量光束的階數，φ₀為初始方位角；當φ₀＝0時，公式(2)表示P階徑向偏振光束；當φ₀＝π/2時，公式(2)表示P階角向偏振光束；根據公式(1)(2)可知，納米柱陣列的方位角分布由θ＝Φ/2給出，即確定每個納米柱單元的旋轉角度，從而編碼生成相應介質超穎表面結構的加工文件；

步驟三：利用步驟二所得介質超穎表面結構的加工文件，通過電子束刻蝕的微納加工方法，制備透射型介質超穎表面，當入射線偏振光通過介質超穎表面后即得到目標柱矢量光束。

2.如權利要求1所述的基于透射型介質超穎表面產生柱矢量光束的方法，其特征在于：步驟一具體實現方法為，

用于產生柱矢量光束的超穎表面基于雙折射原理；當入射光束通過單個納米柱單元時，納米柱單元長軸長度L和短軸長度W的尺寸差異導致沿著長軸方向和短軸方向有著不同的有效折射率，當入射光束通過單個納米柱單元時，透射光束在長軸和短軸方向上的分量之間會存在相位差δ，相位差δ導致透射光束的偏振態發生改變；將超穎表面單元結構作為半波片，當線偏振光通過該半波片時；透射光的瓊斯矩陣如公式(1)所示：

式中第一個瓊斯矩陣表示半波片，半波片快軸方向與x軸夾角為θ；當入射光為偏振方向與x軸夾角為α的線偏振光時，透射光的偏振態如公式(1)所示；若入射光束為x方向線偏振光，當其經過半波片后透射光束仍為線偏振光，但透射光束偏振方向與入射光偏振方向相比旋轉了2θ；保持入射光束為x方向線偏振光，通過將半波片在0°-180°范圍內任意旋轉，實現偏振方向在0°-360°范圍內的任意調控。

3.如權利要求1或2所述的基于透射型介質超穎表面產生柱矢量光束的方法，其特征在于：在步驟一中，為了實現基于透射型介質超穎表面產生柱矢量光束，設計納米柱單元幾何尺寸，使納米柱在特定工作波長的光照射下具有半波片功能，通過旋轉納米柱實現對出射光場偏振方向的調控，具體實現方法如下，

在納米柱高度H和周期S固定的情況下，掃描仿真納米柱的長軸長度L和短軸長度W；通過掃描仿真得到沿x軸和y軸方向的線偏振光分別通過不同尺寸納米柱單元后的電場情況；由仿真所得電場數據計算出x方向線偏振光通過不同尺寸的納米柱后的相位φ_x以及透射強度t_xx；同理，在y方向線偏振光入射時，得到對應的相位φ_y以及透射強度t_yy；最終通過從仿真數據中選擇符合φ_x-φ_y＝π條件的納米柱長軸長度L和短軸長度W，從而使納米柱單元在特定工作波長的光照射下具有半波片功能；納米柱單元的長軸和短軸可視為半波片的快軸和慢軸；同時，在滿足條件的L和W的組合當中應選擇所對應透射強度t_xx和透射強度t_yy較高的納米柱單元幾何尺寸；通過旋轉納米柱實現對出射光場偏振方向的調控。