[發明專利]一種幾何相位元件、及其設計方法和矢量光場產生裝置

有效

• 申請號: 202211000739.3
• 申請日: 2022-08-19
• 公開（公告）號: CN115390239B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 朱智涵;李春宇;于丙石;陳鵬;陸延青
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B5/30;G02B27/28;G02B27/09
• 代理公司: 哈爾濱市航友知識產權代理事務所(普通合伙) 23216
• 代理人: 李紅爽

一種幾何相位元件、及其設計方法和矢量光場產生裝置，涉及光場空間模式變換技術領域，用以解決現有技術無法實現精確的空間復振幅調控的問題。所述方法包括：從目標光場的空間復振幅中提取相位空間二維分布信息及振幅空間二維分布信息；在所提取的所述相位空間二維分布信息上疊加閃耀光柵相位結構獲得相位掩膜版；將所提取的所述振幅空間二維分布信息轉譯為光柵衍射效率分布；將所述光柵衍射效率分布疊加到所述相位掩膜版上得到復振幅掩膜版；將所述復振幅掩膜版作為目標幾何相位空間分布轉譯為幾何相位元件的光軸取向的二維空間分布。生成一種具備空間復振幅調制能力的二元幾何相位元件，實現高效、高精確產生任意矢量光場。

技術領域

本發明涉及光場空間模式變換技術領域，具體涉及一種幾何相位元件、及其設計方法和矢量光場產生裝置。

背景技術

偏振態、振幅及相位呈現空間不均勻分布的傍軸光場稱為矢量空間結構光場，簡稱矢量光場，其在現代光子學研究及應用中具有重要意義。任意矢量光場都可由一對正交標量空間(或稱高階激光)模式與對應正交偏振態的不可分離態(或稱光學自旋-軌道耦合)完備描述。因此，制備矢量光場需要對調控光場在某一對正交偏振態下分別實施獨立的空間復振幅(即振幅及相位)調制。

現有矢量光場的制備方法主要有兩種技術路線。第一種是構建含有空間光調制器(SLM)的偏振干涉儀：干涉儀中的SLM，如硅基液晶(LCoS)或數字微鏡(DMD)，對兩路正交偏振光做空間復振幅調制，最終在偏振干涉儀的輸出端得到任意目標矢量光場。例如2007年《New Journal of Physics》第9卷發表的《Tailoring of arbitrary optical vectorbeams》論證的技術原理。另一種是利用基于幾何相位原理的二元光學元件：基于空間變取向液晶(LC)或介電超表面(Meta-surface)技術制備的空間變取向波片，該元件可對調控光場賦予光學偏振手性依賴的空間幾何相位(即光學自旋-軌道耦合)，此過程等價于對調控光場的左、右旋偏振分量分別施加正交手性波前延遲。即2006年《Physical ReviewLetters》第96卷第16期發表的《Optical Spin-to-Orbital Angular MomentumConversion in Inhomogeneous Anisotropic Media》中所論述原理。

上述兩種技術路線中都存在顯著缺點：方案一需要LCoS或DMD主動式空間光調制設備，成本高且無法實現緊湊、易集成的光學結構；方案二雖然可實現緊湊的透射或反射式二元光學元件，然而其只具備空間相位調制能力，無法實現精確的空間復振幅調控，限制了應用范圍。

發明內容

鑒于以上問題，本發明提出一種幾何相位元件、及其設計方法和矢量光場產生裝置，能夠生成一種具備空間復振幅調制能力的二元幾何相位元件，實現高效、高精確產生任意矢量光場。

根據本發明的一方面，提供一種幾何相位元件設計方法，所述方法包括步驟：

從目標光場的空間復振幅中提取相位空間二維分布信息及振幅空間二維分布信息；

在所提取的所述相位空間二維分布信息上疊加閃耀光柵相位結構獲得相位掩膜版；

將所提取的所述振幅空間二維分布信息轉譯為光柵衍射效率分布；

將所述光柵衍射效率分布疊加到所述相位掩膜版上得到復振幅掩膜版；

將所述復振幅掩膜版作為目標幾何相位空間分布轉譯為幾何相位元件的光軸取向的二維空間分布。

優選地，將所提取的所述振幅空間二維分布信息轉譯為光柵衍射效率分布包括：

將所述目標光場的相位分布函數φ(x,y)作為正一級衍射光場目標相位分布；

根據所述目標光場的振幅分布函數A(x,y)計算閃耀光柵相位深度分布函數M(x,y)∈[0,1]，即