[发明专利]一种双完美涡旋光束超表面发生器

说明书

本发明涉及光束超表面发生器，具体为一种双完美涡旋光束超表面发生器，由若干个按照正方形晶格周期性排列的椭圆柱形单元结构构成，所述椭圆柱结构具有相同的高度，不同的横截面积和不同的旋转角度，所述椭圆柱结构的相位覆盖范围为0°～360°，由单层波长量级的电介质微纳结构构成，体积小、质量轻，便于在微小型光学系统中使用；无需重新设计和加工超表面，改变入射光波的手性，就能够实现半径尺寸不同的两束完美涡旋光束之间的切换；由高折射率的非晶硅材料的椭圆柱结构构成，该材料在近红外波段范围内具有较高的折射率且损耗可以忽略，有效提高了超表面发生器的透射效率。

技术领域

本发明涉及光束超表面发生器，具体为一种双完美涡旋光束超表面发生器。

背景技术

涡旋光束是一种具有螺旋形波前且中心光强为零的空心光束。涡旋光束可以用来操纵粒子或者对光通信系统的信息进行编码，因此它在光通信、粒子捕获和成像等领域内具有重要的应用前景。然而，利用传统方法获得的涡旋光束，其亮环半径会随着拓扑电荷值的增大而增大，这使得具有不同拓扑电荷的涡旋光束在同一器件进行耦合和传输等应用时变得非常困难。

为了解决这个问题，人们提出了亮环半径不受拓扑电荷影响的完美涡旋光束，这种光束的亮环尺寸不随拓扑电荷的变化而变化，在光通信、量子光学和激光制造等领域具有特殊的应用。传统的完美涡旋光束的产生需要螺旋相位板、轴棱镜、傅里叶透镜等多个光学元件共同作用，结构复杂，体积庞大，阻碍了完美涡旋光束在小型化和集成化光学系统中的应用。

发明内容

为了解决这一问题，本发明提出了一种双完美涡旋光束超表面发生器，仅利用单层波长量级的电介质微纳结构即可实现，避开了传统方式产生完美涡旋光束需要依赖多个光学器件共同作用的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种双完美涡旋光束超表面发生器，由若干个按照正方形晶格周期性排列的椭圆柱形单元结构构成，所述椭圆柱结构具有相同的高度，不同的横截面积和不同的旋转角度，所述椭圆柱结构的相位覆盖范围为0°～360°，所述椭圆柱结构的透射波相位满足：

其中，

在上述公式中，x和y表示超表面平面内单元结构的中心点坐标；

公式(2)为螺旋相位板的相位公式，m表示拓扑电荷；

公式(3)为轴棱镜的相位公式，d为轴棱镜周期，它控制完美涡旋光束的亮环半径大小；

公式(4)为傅里叶透镜的相位公式，f为透镜的理论焦距，λ为工作波长。

作为优选，所述椭圆柱结构共有八种不同的横截面积，覆盖相位范围0°～360°；所述椭圆柱结构的长轴长度分别为：100nm、140nm、152nm、160nm、268nm、236nm、268nm和284nm，短轴长度分别为：268nm、236nm、268nm、284nm、100nm、140nm、152nm和160nm。

作为优选，所述椭圆柱结构由工作波长为915nm时折射率为3.56的高折射率非晶硅组成。

作为优选，所述高折射率非晶硅采用石英玻璃作为基底。

作为优选，所述椭圆柱结构所在的正方形晶格周期为400nm，所述椭圆柱结构位于其所在正方形晶格的中心处。

作为优选，所述椭圆柱结构高度为715nm。

本发明的双完美涡旋光束超表面发生器可达到如下有益效果：

1)本发明设计的完美涡旋光束发生器由单层波长量级的电介质微纳结构构成，体积小、质量轻，便于在微小型光学系统中使用；