[發明專利]一種用于產生柱矢量光束的連續變焦透鏡及其設計方法

有效

• 申請號: 202011158827.7
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112255711B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 鄭國興;梁聰玲;陶金;余少華
• 申請（專利權）人: 武漢郵電科學研究院有限公司
• 主分類號: G02B3/00
• 分類號: G02B3/00;G02B1/00;G02B26/02;G02B27/00;G06F30/10
• 代理公司: 武漢智權專利代理事務所(特殊普通合伙) 42225
• 代理人: 孟歡

本申請涉及一種用于產生柱矢量光束的連續變焦透鏡及其設計方法，該連續變焦透鏡包括級聯的第一片超構表面和第二片超構表面，第一片超構表面包括若干各向異性納米磚結構單元，所有各向異性納米磚結構單元具有不同尺寸參數、不同朝向角，且不同尺寸參數的各向異性納米磚結構單元的傳輸相位不同；第二片超構表面包括若干各向同性納米磚結構單元，所有各向同性納米磚結構單元具有不同尺寸參數、相同朝向角，且不同尺寸參數的各向同性納米磚結構單元的傳輸相位不同。本申請的用于產生柱矢量光束的連續變焦透鏡，不僅可產生任意偏振階數的柱矢量光束，而且可實現柱矢量光束的連續變焦。

技術領域

本申請涉及微納光學技術領域，特別涉及一種用于產生柱矢量光束的連續變焦透鏡及其設計方法。

背景技術

柱矢量光束是矢量光束中最為特殊的一類，其偏振態在橫截面上呈軸對稱分布。由于坐標原點處存在偏振奇點，因此其光強呈環狀分布。柱矢量光束由于其偏振特性在激光切割、光信息處理、光學存儲、粒子俘獲與控制、高分辨成像等領域具有巨大應用價值。在柱矢量光束的實際應用中，需要更簡便的方法來產生柱矢量光束，同時對柱矢量光束實現在不同距離上的聚焦也是其能夠得到廣泛應用的一個重要保證。

超構表面材料能夠在亞波長尺度對光波電磁場的振幅、相位和偏振態等進行靈活有效的精確調控，并且具有尺寸小、重量輕、加工方便等優勢，已被廣泛應用于光學的各個領域，超構表面對光波的調控作用，能夠實現連續變焦，因此在連續變焦透鏡中會應用到超構表面。

相關技術中，連續變焦透鏡中雖然能夠實現連續變焦，但是無法產生柱矢量光束；現有技術中產生柱矢量光束的光學系統又非常復雜，裝調要求高，穩定差，難易實現連續變焦。

因此，亟需一種既可產生柱矢量光束，又可實現連續變焦的裝置，以滿足當前光學設計的需求。

發明內容

本申請實施例提供一種用于產生柱矢量光束的連續變焦透鏡及其設計方法，以解決相關技術中無法產生柱矢量光束的同時實現連續變焦的技術問題。

第一方面，提供了一種用于產生柱矢量光束的連續變焦透鏡，其包括：

第一片超構表面，其包括若干各向異性納米磚結構單元，所有各向異性納米磚結構單元具有不同尺寸參數、不同朝向角，且不同尺寸參數的各向異性納米磚結構單元的傳輸相位不同；

第二片超構表面，其包括若干各向同性納米磚結構單元，所有各向同性納米磚結構單元具有不同尺寸參數、相同朝向角，且不同尺寸參數的各向同性納米磚結構單元的傳輸相位不同；同時，

所述第一片超構表面和第二片超構表面級聯且可沿光軸相對旋轉，級聯后的所述第一片超構表面和第二片超構表面用于對垂直入射的線偏振光進行偏振調制后輸出柱矢量光束，且所述第一片超構表面和第二片超構表面被配置為根據所述第一片超構表面和第二片超構表面的相對旋轉位置使得透過所述第一片超構表面和第二片超構表面的柱矢量光束聚焦在不同位置，以實現連續變焦。

一些實施例中，所述各向異性納米磚結構單元的朝向角φ的計算公式為：

式中，n為柱矢量光束的偏振階數，θ₁為極坐標系下該各向異性納米磚結構單元的中心位置對應的極角，表示對π的取模運算。

一些實施例中，所述第一片超構表面和第二片超構表面均包括若干橫截面為正方形結構的工作面，各向異性納米磚結構單元或各向同性納米磚結構單元均對應設置在一個工作面上；

所述柱矢量光束的偏振階數n滿足條件：

式中，C為工作面的邊長，r_max為所述第一片超構表面的最大半徑。

一些實施例中，所述各向異性納米磚結構單元的傳輸相位的計算公式為：