[发明专利]复合非线性超表面及其二次谐波左右旋相位独立调控方法

说明书

本发明公开了复合非线性超表面及其二次谐波左右旋相位独立调控方法，超表面自下而上包括衬底层；非线性介质层；超表面结构层，包括多个呈周期性排列的金属超构原子；金属超构原子具有三重旋转对称性，包括Y形结构和分别与Y形结构的三条臂端部连接的三段圆弧结构；圆弧结构具有内弧和外弧，外弧所对应半圆心角与内弧所对应半圆心角之间具有预设的角度差；所述多个金属超构原子具有相同或不同的面内旋转角以引入自旋相关的非线性几何相位调控，多个金属超构原子中的圆弧结构具有相同或不同的内弧所对应半圆心角以引入自旋无关的传输相位调控，该超表面能够在圆偏振态基波的泵浦下实现二次谐波左右旋相位的独立调控，对非线性光学系统有重要意义。

技术领域

本发明属于电磁波相位调控的技术领域，尤其涉及一种复合非线性超表面及其二次谐波左右旋相位独立调控方法。

背景技术

超表面是一类由空间变化的亚波长单元结构组成的平面光学元件，可以对光波的相位、振幅、偏振等多个参数进行调控，在成像、全息、光学加密、量子信息等领域具有重要意义。然而在现有非线性超表面中，相位调控大多依赖单独的非线性几何相位或传输相位，这限制了波前调控的灵活性。

类比于线性光学中的几何相位，在非线性超表面的研究中也引入了几何相位的概念。以圆偏振光照射超表面时，产生的与基频光相同或相反圆偏振态的n次谐波携带的相位为(n-1)σθ和(n+1)σθ，即非线性几何相位。其中，σ＝±1表示入射基频光的左旋圆偏振态和右旋圆偏振态，θ表示超构原子旋转角。由此可见，左右旋圆偏振基频光分别入射时，超表面上产生的谐波携带的几何相位相反，难以复用；同一旋向的基频光入射时，产生的不同旋向谐波的几何相位之间也存在关联，不能完全独立调控。而仅依靠结构尺寸改变引入的传输相位没有自旋选择性，为了提高非线性光场独立调控的自由度，一般需要多个超原子联合调控。例如，目前仅基于非线性几何相位调控实现矢量全息的非线性超表面联合了4个超原子组成超级单元，以独立调控非线性谐波的相位、振幅、偏振等参量，这大大增加了结构设计的复杂性和像素尺寸，也降低了调控精度。因此，基于单个超原子实现非线性谐波左右旋相位的独立调控对于多维非线性光场的调控具有重要意义。

在线性光学系统中，可以通过结合几何相位和传输相位打破自旋-轨道相互作用对称性，实现左右旋相位的独立调控。但大多数情况，为了降低偏振转换效率波动，传输相位只能通过离散改变结构尺寸实现分立调控，这降低了相位调控精度。然而，在非线性光学系统中，由于超构原子结构尺寸的改变容易影响频率转换的共振增强条件，进而导致谐波振幅随结构尺寸变化更敏感。因此，非线性几何相位和传输相位的协同调控目前尚难以实现。

发明内容

针对非线性几何相位和传输相位协同调控所存在的上述问题，本发明提供一种复合非线性超表面及其二次谐波左右旋相位独立调控方法，其基于复合非线性超表面提出自旋解耦的相位调制方法，实现了二次谐波左右旋相位的独立调控。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一方面提供了一种复合非线性超表面，自下而上包括：

衬底层；非线性介质层；超表面结构层，包括多个呈周期性排列的金属超构原子；所述金属超构原子具有三重旋转对称性，包括Y形结构和分别与所述Y形结构的三条臂端部连接的三段圆弧结构；所述圆弧结构具有内弧和外弧，并且所述外弧所对应半圆心角与内弧所对应半圆心角之间具有预设的角度差；

其中，所述超表面结构层的多个金属超构原子具有相同或不同的面内旋转角以引入自旋相关的非线性几何相位调控，所述多个金属超构原子中的圆弧结构具有相同或不同的内弧所对应半圆心角以引入自旋无关的传输相位调控，所述复合非线性超表面能够在圆偏振态基波的泵浦下实现二次谐波左右旋相位的独立调控。

进一步地，所述金属超构原子呈周期性排列包括采用六角晶格形式排列，结构周期为p且pλ₀/2，其中，λ0为圆偏振态基波的波长，位于近红外或中红外波段。