[發明專利]一種基于超表面的艾里光束發生器

有效

• 申請號: 202010620366.4
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111766647B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 文靜;陳磊;張大偉
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00;G02B5/00
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發明公開了一種基于超表面的艾里光束發生器，涉及光學技術領域，包括一束入射光和用于將入射光轉換為艾里光束的超表面器件；其中對于基于幾何相位設計的艾里光束發生器，所述入射光為圓偏振光；對于基于傳播相位設計的艾里光束發生器，所述入射光可為任意偏振光；在所述的超表面器件上加載立方相位和菲涅爾透鏡相位可產生單個艾里光束，通過額外加載達曼光柵相位可以產生艾里光束陣列。和以往緊貼著超表面產生艾里光束的器件比起來，本發明可設計出在超表面后方任意距離處產生艾里光束的器件；和傳統的基于空間光調制器方法產生的艾里光束相比，本發明所設計的器件具有更高的相位精度從而能夠產生具有更長無衍射距離的艾里光束。

技術領域

本發明涉及光學技術領域，尤其涉及一種基于超表面的艾里光束發生器。

背景技術

超表面由周期性排布的微結構組成，其中每個微結構的厚度和周期都小于工作波長。因此，超表面一般被稱為二維超材料。它的制造工藝與現有的納米加工技術相兼 容，這使得超表面具有低成本批量制造的潛力。相對于傳統的光學系統，超表面可以 在亞波長尺寸內控制電磁波波前，這對于未來的集成光學領域具有很大的應用前景。

通過空間光調制器和物鏡來產生艾里光束需要龐大的傅里葉變換系統，使用超表面來直接產生艾里光束大大的簡化了光路。除此之外，我們設計的艾里光束發生器可 以獲得更大的無衍射距離。目前基于超表面產生的艾里光束可以獲得較小的光斑尺寸， 然而這些光束都大部分都從超表面處開始產生。

因此，本領域的技術人員致力于開發一種基于超表面的艾里光束發生器，使得設計的艾里光束不僅具有緊湊的聚焦光斑尺寸和距離可控的焦長，還具有更長無衍射距 離。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明提供了一種基于電介質超表面的艾里光束發生器。該器件大大簡化了傳統產生艾里光束所需要的龐大的傅里葉變換系統，并且所 產生的艾里光束在具有緊湊的聚焦光斑尺寸和距離可控的焦長，同時還具有更長的無 衍射距離。

為實現上述目的，本發明提供了一種基于電介質超表面的艾里光束發生器，包括一束入射光和用于將入射光轉換為艾里光束的超表面器件；其中對于基于幾何相位設 計的艾里光束發生器，所述入射光為圓偏振光，且可以寬波段工作；對于基于傳播相 位設計的艾里光束發生器，所述入射光為任意偏振光。

進一步地，所述超表面器件包括二氧化硅基底和電介質納米微結構陣列。

進一步地，所述電介質納米微結構包括長方體狀或圓柱狀，相鄰的所述電介質納米微結構單元的距離為亞波長，所述加載相位的電介質納米微結構需要滿足奈奎斯特 采樣定理。

進一步地，所述長方體狀電介質納米微結構通過改變長方體的旋轉角度來調控相位。

進一步地，所述圓柱體狀電介質納米微結構通過改變圓柱體的直徑來調控相位。

進一步地，對于產生單個艾里光束，各所述電介質納米微結構的中心處對應的相位需要滿足公式(1)：

其中，項為立方相位，項為菲涅爾透鏡相位，(x,y)為 各所述電介質納米微結構中心所對應的空間位置，f為菲涅爾透鏡的焦距，x₀為艾里光束主瓣寬度的一半，λ為波長。

進一步地，對于產生艾里光束陣列，各所述電介質納米微結構的中心處對應的相位需要滿足公式(2)：

其中為達曼光柵相位。

進一步地，所述公式中的參數b₁和f需要滿足公式(3)：