[發明專利]基于超穎表面產生實空間與K空間艾里光束陣列的方法

有效

• 申請號: 202110453828.2
• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113193349B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 黃玲玲;雷石偉;王涌天;李曉偉
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38;H01Q21/00
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.基于超穎表面產生實空間與K空間艾里光束陣列的方法，其特征在于：包括如下步驟，

步驟一：采用仿真方法對納米天線進行模擬計算，通過調整納米柱陣列的尺寸與方位角分布，即實現對出射艾里光束的傳播距離、傳播軌跡進行精確有效調控，通過仿真調控結果挑選得到滿足超穎表面組成需求的納米天線；

步驟一實現方法為，

用于產生艾里光束陣列的超穎表面找到具有較高交叉極化轉換效率和覆蓋0-2π傳播相位分布的納米天線；通過仿真設計納米柱單元幾何尺寸，使納米柱在所需波長的光照射下具有半波片功能；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；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；即挑選得到滿足超穎表面組成需求的納米天線；

步驟二：基于步驟一得到的滿足超穎表面組成需求的納米天線，計算在實空間與K空間生成艾里光束陣列的相位分布，通過圓偏復用理論得到納米柱陣列的尺寸與方位角分布，確定編碼生成透射型超穎表面的加工文件；

步驟二實現方法為，

公式(1)與公式(2)分別為K空間與實空間產生艾里光束陣列的相位計算公式；

其中：與分別為K空間與實空間艾里光束的相位分布；a、b分別為常數，確定艾里光束在K空間與實空間的傳播距離與傳播軌跡；k為頻譜面坐標，λ為入射光波的波長，ε、ζ代表實空間的二維坐標；

為了生成陣列艾里光束，采用艾里光束相位與達曼光柵相位相結合的設計方法生成陣列艾里光束；周期內的達曼光柵相位分布采用優化方法；通過將0到2*pi的連續相位劃分為等間隔的目標階數，并將其對應編碼進行優化，充分考慮顯微物鏡視場的大小以保證所有級次能夠被完全探測到并進行優化計算，通過預設的迭代次數以達到收斂條件，得到強度均勻分布的達曼光柵相位；通過將達曼光柵相位與艾里光束相位的線性疊加，得到生成艾里光束陣列所需要的相位分布；

基于復用理論,超穎表面對與入射圓偏光的瓊斯矩陣調制作用如下：

為了使得不同入射的圓偏光，在偏振轉化的同時進行獨立相位調制，P可以看作旋轉矩陣，Λ為對角矩陣, 根據公式(3)加工所需納米柱陣列的寸尺，由所確定的納米天線給出，其中δ_x代表納米天線的長度，δ_y代表納米天線的寬度，方位角分布由給出，即確定每個納米柱單元的尺寸以及旋轉角度，從而編碼生成相應介質超穎表面結構的加工文件；

步驟三：利用步驟二所得的透射型介質超穎表面結構的加工文件，通過微納加工方法，制備寬帶介質超穎表面，實現不同手性圓偏光入射情況下分別在實空間與K空間產生艾里光束陣列。

2.如權利要求1所述的基于超穎表面產生實空間與K空間艾里光束陣列的方法，其特征在于：所述仿真方法采用嚴格耦合波分析方法的RCWA、時域有限差分方法FDTD或有限元方法COMSOL。

3.如權利要求1所述的基于超穎表面產生實空間與K空間艾里光束陣列的方法，其特征在于：采用電子束刻蝕或聚焦離子束的微納加工工藝加工寬帶介質超穎表面。

4.如權利要求1或2所述的基于超穎表面產生實空間與K空間艾里光束陣列的方法，其特征在于：通過不同手性圓偏光入射情況下分別在實空間與K空間產生艾里光束陣列；由于具有兩種偏振工作狀態以及不同空間產生的條件，因此在光學系統中應用能夠變得高效便捷。

5.如權利要求1或2所述的基于超穎表面產生實空間與K空間艾里光束陣列的方法，其特征在于：按照所需波長進行獨立設計，因此具有半波片功能的納米柱陣列實現較高透射效率；同時采用結合達曼光柵的優化設計方法，實現實空間與K空間的陣列艾里光束產生，顯著提高器件的并行工作效率。

6.如權利要求3所述的基于超穎表面產生實空間與K空間艾里光束陣列的方法，其特征在于：由于采用寬帶的設計方法，能夠同時用于多個波段艾里光束的產生；因為電子束刻蝕的高分辨率特性，使得其工作波段在更短波長具有顯著的優勢。