CN108732653A - 一种基于超表面同时调控全息光场位相与偏振的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面同时调控全息光场位相与偏振的方法，方法包括：通过G‑S算法确定图片的像素点的位相信息，并将位相信息编码到超表面结构上，利用水平偏振光束与竖直偏振光束，激发已被位相信息编码的超表面结构上的纳米狭缝，得到两个不同偏振方向的双环形全息光场，调整水平偏振光束与竖直偏振光束的入射角度，使得两个不同偏振方向的双环形全息光场相叠加，随后通过编码加入附加传播位相，实现多种偏振态的调控，从而实现了对位相与偏振态的同时调控。

Description

一种基于超表面同时调控全息光场位相与偏振的方法

技术领域

本发明涉及微纳光领域，尤其涉及一种基于超表面同时调控全息光场位相与偏振的方法及装置。

背景技术

超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料，可通过亚波长尺寸的周期单元的强烈光学响应改变局部光场位相和振幅，从而实现亚波长尺寸的周期单元的波前调制。因其具备超薄、低损耗、平面化、易于加工等优势，在量子通信、三维成像、光束整形以及大容量的信息储存等方面具有很大的应用价值。

目前，基于超表面实现位相与偏振态调控的方法有很多种，但都只能针对位相、偏振态中的单个参量进行调控，很难实现对位相与偏振态的同时调控。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种基于超表面同时调控全息光场位相与偏振的方法及装置，旨在解决现有技术中存在的大部分器件无法实现对位相与偏振态的同时调控的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于超表面同时调控全息光场位相与偏振的方法，所述方法包括：

此外，为实现上述目的，本发明还提供了一种基于超表面同时调控全息光场位相与偏振的装置，所述装置包括：

本发明提出的一种基于超表面同时调控全息光场位相与偏振的方法，通过G-S算法确定图片的像素点的位相信息，并将位相信息编码到超表面结构上，利用水平偏振光束与竖直偏振光束，激发已被位相信息编码的超表面结构上的纳米狭缝，得到两个不同偏振方向的双环形全息光场，调整水平偏振光束与竖直偏振光束的入射角度，使得两个不同偏振方向的双环形全息光场相叠加，通过编码加入附加传播位相，对叠加后的双环形全息光场的位相与偏振进行调控。与现有技术相比，通过上述方案得到两个不同偏振方向的双环形全息光场，通过编码加入附加传播位相，不仅能够对叠加后的双环形全息光场的位相进行调控，还可以对双环形全息光场的偏振态进行调控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的一种基于超表面同时调控全息光场位相与偏振的方法的流程示意图；

图2为基于超表面同时调控全息光场位相与偏振的方法的设计原理示意图；

图3为图1中的步骤S101的细化步骤流程示意图；

图4为仿真模拟实验结果图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

请参阅图1及图2，图1为本发明第一实施例提供的一种基于超表面同时调控全息光场位相与偏振的方法的流程示意图，图2为基于超表面同时调控全息光场位相与偏振的方法的设计原理示意图，具体的：

步骤101、通过G-S算法确定图片的像素点的位相信息，并将所述位相信息编码到超表面结构上；

进一步的，请参阅图3，为本发明第一实施例中的步骤101的细化步骤的流程示意图，包括：

步骤301、对图片进行离散化处理，得到若干像素点；

其中，为满足迂回位相编码防止溢出将若干像素点的数值限制在-π到π之间。

步骤302、改变纳米狭缝在超表面结构中的位置，使得所述纳米狭缝与所述像素点一一对应；

在本发明实施例中，超表面结构中的每个周期单元中都包含一个十字型的纳米狭缝，基于传统迂回位相原理，通过改变纳米狭缝在超表面结构中的相对位置，进行位相调制。其中，对于单个纳米狭缝来说，其相位定义为纳米狭缝中心位置与单元周期边界位置的函数，该函数表述为，

其中，当一束光入射到相邻的两个亚波长狭缝时，会在每个狭缝处发射衍射，分别产生一个等相位的次波，当在某个固定角度θ接受衍射光波时，两个次波面会产生D sinθ的光程差,也就是的位相差，当时,两狭缝等位相。当n＝1时，我们将D定义为一个周期并周期性的扩展狭缝结构，那么光波经每个狭缝衍射到θ角度都是等位相的.

其中，当单元狭缝阵列的初始位置位于狭缝中心处，初始相位为0，通过调节纳米狭缝偏离中心位置距离d(中心位置左边相位为负值，右边为正值)， 取值范围为-π到π，从而实现整个2π全位相的调制。

之后，利用G-S算法及得到的纳米狭缝位相公式确定并改变所述纳米狭缝在所述超表面结构中的位置，使得所述纳米狭缝与所述像素点一一对应

步骤303、通过G-S算法确定所述像素点的位相信息，并将所述位相信息编码到所述超表面结构上。

在本发明实施例中，对图片进行位相编码时用到了G-S相位恢复迭代算法，相位恢复迭代算法需要利用光场的衍射模型，对输入光场进行衍射计算，得到输出光场的强度分布，然后将计算得到的输出面的光场强度与目标场数据进行比较，以输出面的光场强度与目标场强之间的误差最小为准则，通过搜索或者迭代的方式找到符合目标场强数据的分布。

其中，利用G-S位相恢复算法将离散化的位相信息编码到所述超表面结构上。

其中，为验证位相编码，利用简单涡旋光束进行编码，由于涡旋光束位相可由涡旋光束公式直接得出，此处不做详细描述，涡旋光束公式为在进行取相位值时，只需对涡旋光束公式取angle便可以得到需要的位相值，若想要进一步改变偏振态，则需要在对旋光束公式取angle后，加或减掉某个固定的相位值，为满足这些数值扔在-π到π之间，则需要加入判断语句(让大于π的值减掉2π，，小于-π的值加上2π)。

步骤102、利用水平偏振光束与竖直偏振光束，激发已被位相信息编码的超表面结构上的纳米狭缝，得到两个不同偏振方向的双环形全息光场；

在本发明实施例中，不同取向的狭缝会对不同偏振态的光束产生不同的响应，当垂直方向的线偏振光束入射时，会激发水平方向的狭缝，而水平方向的线偏振光束入射则会激发竖直方向的狭缝，并同时在水平和竖直两个方向产生不同方向的全息光场。

其中，激发超表面结构上的十字纳米狭缝由两束正交偏振光束分别激发。

步骤103、调整所述水平偏振光束与所述竖直偏振光束的入射角度，使得两个不同偏振方向的双环形全息光场相叠加；

在本发明实施例中，通过改变水平偏振光束与所述竖直偏振光束的入射角度，使水平和竖直两个方向的全息光场在远场中心处相叠加。

步骤104、通过编码加入附加传播位相，对叠加后的双环形全息光场的位相与偏振进行调控。

在本发明实施例中，在已被位相信息编码的超表面结构上的纳米狭缝上加入所述附加传播位相，对叠加后的双环形全息光场的位相与偏振进行调控。

在本发明实施例中，水平偏振光束与所述竖直偏振光束入射可产生相对应偏振方向的全息光场，两个不同偏振方向的双环形全息光场相叠加时，只能形成线偏光场。例如，在超表面编码涡旋光束公式可写成：

从上述超表面编码涡旋光束公式中，可知最后可以得到一个45度线偏涡旋光束。

而对于圆偏或者复杂偏振的光束，就需要引入传播位相才可以实现任意的偏振态调控，如在上述超表面编码涡旋光束公式基础上产生圆偏的涡旋光只需在水平或竖直方向引入位相差，公式如下：

公式最后得到一个右旋的涡旋光束，对于这个附加的传播位相，在编码时只需要在已被位相信息编码的超表面结构上的纳米狭缝上加入附加传播位相，对位相值直接加减，然后加入判断语句防止位相值溢出，就可以将相位值限制在-π到π之间，对叠加后的双环形全息光场的位相与偏振进行调控。

在本发明实施例中，通过G-S算法确定图片的像素点的位相信息，并将位相信息编码到超表面结构上，利用水平偏振光束与竖直偏振光束，激发已被位相信息编码的超表面结构上的纳米狭缝，得到两个不同偏振方向的双环形全息光场，调整水平偏振光束与竖直偏振光束的入射角度，使得两个不同偏振方向的双环形全息光场相叠加，通过编码加入附加传播位相，对叠加后的双环形全息光场的位相与偏振进行调控。与现有技术相比，通过上述方案得到两个不同偏振方向的双环形全息光场，通过编码加入附加传播位相，不仅能够对叠加后的双环形全息光场的位相进行调控，还可以对双环形全息光场的偏振态进行调控。并且，因为双环形全息光场的内环和外环的参数是可独立可调，因此，可以实现对双环形全息光场的内环光场的偏振态和外环光场的偏振态的独立调控。

其中，为实现双环形全息光场的内环光场的偏振态和外环光场的偏振态的独立调控，在设计超表面时，超表面也相应的设计为环形的结构。在进行编码时，外环形图案编码在超表面的外环结构中，内环图案编码在超表面的内环结构上，这样双环形全息光场的内环和外环的参数是可独立可调，因此可实现双环偏振态独立可调。

其中，图2中，①、②代表的为两束斜入射的光束，③、④表示分别由①、②光束激发，在水平与竖直方向产生的全息光场，⑤、⑥表示通过改变①、②两束光的入射角度使两个全息光场平移至中心处，⑦表示水平与竖直全息光场在中心处进行叠加。

进一步的，参阅图4所示的仿真模拟实验结果图，图右侧代表偏振方向示意图，分别得到E、Es、Ep三种结果，第一横行内环为圆偏，外环为45度线偏；第二横行内外环都是圆偏；第三横行内外环都是45度线偏。仿真模拟实验结果图显示，可以较好的实现对偏振态的调控。

进一步的，所述纳米狭缝为十字形纳米狭缝。

在本发明实施例中，因为超表面结构采用纳米狭缝，该结构不仅能够降低超便面设计与加工的复杂程度，而且分别对水平和竖直偏振响应，实现偏振复用增大数据传输容量。

Claims (5)

1.一种基于超表面同时调控全息光场位相与偏振的方法，其特征在于，所述方法包括：

通过G-S算法确定图片的像素点的位相信息，并将所述位相信息编码到超表面结构上；

利用水平偏振光束与竖直偏振光束，激发已被位相信息编码的超表面结构上的纳米狭缝，得到两个不同偏振方向的双环形全息光场；

调整所述水平偏振光束与所述竖直偏振光束的入射角度，使得两个不同偏振方向的双环形全息光场相叠加；

通过编码加入附加传播位相，对叠加后的双环形全息光场的位相与偏振进行调控。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过G-S算法确定图片的像素点的位相信息，并将所述位相信息编码到超表面结构上，包括：

对图片进行离散化处理，得到若干像素点；

改变纳米狭缝在超表面结构中的位置，使得所述纳米狭缝与所述像素点一一对应；

通过G-S算法确定所述像素点的位相信息，并将所述位相信息编码到所述超表面结构上。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述改变纳米狭缝在超表面结构中的位置，使得所述纳米狭缝与所述像素点一一对应，包括：

利用预设的纳米狭缝位相公式确定并改变所述纳米狭缝在所述超表面结构中的位置，使得所述纳米狭缝与所述像素点一一对应；

其中，所述纳米狭缝位相公式为

其中，表示相邻两个纳米狭缝的位相，D表示相邻两个纳米狭缝之间的距离，sinθ表示衍射角度，λ表示波长。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过编码加入附加传播位相，对叠加后的双环形全息光场的位相与偏振进行调控，包括：

在已被位相信息编码的超表面结构上的纳米狭缝上加入所述附加传播位相，对叠加后的双环形全息光场的位相与偏振进行调控。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米狭缝为十字形纳米狭缝。