[發明專利]基于點光源照射的多功能超構表面光器件及其設計方法

有效

• 申請號: 202010930519.5
• 申請日: 2020-09-07
• 公開（公告）號: CN111965749B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 包燕軍
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G02B5/32
• 分類號: G02B5/32
• 代理公司: 西安知誠思邁知識產權代理事務所(普通合伙) 61237
• 代理人: 麥春明

1.基于點光源照射的多功能超構表面光器件的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，任取K幅全息圖像，將其全都分成M×N個像素單元，分別給K幅全息圖像的各像素單元添加隨機相位分布k為表示全息圖像數目的變量，1≤k≤K，m、n分別為像素單元在各全息圖像中的行和列，1≤m≤M，1≤n≤N；

步驟2，建立第k幅全息圖像的復光場矩陣A_k，A_k中第m行、第n列的元素為第k幅全息圖像第m行、第n列像素單元的復光場為第k幅全息圖像第m行、第n列像素單元的振幅，exp為指數函數，i為虛數；

步驟3，根據第k幅全息圖像復光場矩陣A_k，計算第k幅全息圖像對應的超構表面復光場矩陣B_k，B_k中第m行、第n列元素為將超構表面同樣分成M×N個像素單元，分別為第k幅全息圖像對應的超構表面第m行、第n列像素單元的振幅和相位；

步驟4，產生第k幅全息圖像的點光源照射到超構表面第m行、第n列像素單元的復光場計算扣除點光源復光場后超構表面的復光場矩陣B′_k，B′_k中第m行、第n列元素

其中分別為B_k中第m行、第n列元素扣除點光源復光場后的振幅、相位，λ_k為生成第k幅全息圖像的點光源的波長，r^mn為點光源到超構表面第m行、第n列像素單元的距離，為超構表面第m行、第n列像素單元的平面坐標，(x_d,y_d)為點光源的平面坐標，d為點光源到超構表面的垂直距離，取值范圍為50～200μm，所述點光源為量子點、熒光分子或直徑≤1μm的小孔；

步驟5，根據求解B′_k中各元素對應的超構表面納米棒轉角獲得第k幅全息圖像對應的超構表面納米棒轉角矩陣中第m行、第n列元素為σ為幾何相位的自旋符號，左旋光入射、右旋光探測時σ＝1，右旋光入射、左旋光探測時σ＝-1；

步驟6，重復步驟2～步驟5獲得K幅全息圖像對應的K個超構表面納米棒轉角矩陣計算轉角與K個納米棒轉角矩陣中第m行、第n列元素的方差和最小，得到第m行、第n列元素為的超構表面納米棒轉角矩陣

步驟7，令超構表面的振幅為1，則超構表面第m行、第n列像素單元的自身復光場為求產生第k幅全息圖像的點光源入射后超構表面第m行、第n列像素單元的復光場分別為產生第k幅全息圖像的點光源入射后超構表面第m行、第n列像素單元的振幅、相位；

將產生第k幅全息圖像的點光源入射后超構表面復光場組成二維矩陣C_k，計算C_k對應的第k幅全息圖像復光場矩陣D_k，D_k中第m行、第n列的元素為分別為C_k對應的第k幅全息圖像第m行、第n列像素單元的振幅和相位，令保持相位不變，得到更新后第k幅全息圖像第m行、第n列像素單元的復光場

步驟8，重復步驟2～步驟7共200次，輸出步驟6中的最終超構表面納米棒轉角矩陣中第m行、第n列元素為取M×N個納米棒排布在介質襯底上形成超構表面，超構表面上第m行、第n列納米棒的最終轉角為中心間距為400nm，在垂直距離超構表面d處設置點光源構成光器件；

所述介質襯底為石英襯底、玻璃襯底或藍寶石襯底，所述納米棒使用Si、TiO₂、GaN或GaAs制成，其長度為200～400nm，寬度為40～100nm，高度為100～600nm。

2.根據權利要求1所述的基于點光源照射的多功能超構表面光器件的設計方法，其特征在于，所述步驟2根據第k幅全息圖像的復光場矩陣A_k計算對應超構表面復光場矩陣B_k的公式如下：

其中l為全息圖像與超構表面的垂直距離，(x,y)為全息圖像的平面坐標，(x₀,y₀)為超構表面的平面坐標。

3.根據權利要求1所述的基于點光源照射的多功能超構表面光器件的設計方法，其特征在于，所述步驟7根據超構表面復光場矩陣C_k計算對應的第k幅全息圖像的復光場矩陣D_k的公式如下：

其中l為全息圖像與超構表面的垂直距離，(x,y)為全息圖像的平面坐標，(x₀,y₀)為超構表面的平面坐標。