基于超表面透射几何贝尔相位的高效微波涡旋光激发装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于电磁调控技术领域，具体为一种基于超表面透射几何贝尔相位的高效微波涡旋光激发装置。本发明专利技术包括入射模块、转换模块和接收模块；其中：入射模块使用时域门技术，由圆极化喇叭以脉冲形式将右旋（左旋）圆偏振平面光垂直入射到超表面；转换模块为具有完美透射频率窗口的“旋转结构”电磁特异介质超表面，通过“旋转结构”的几何贝尔相位，实现透射模值和透射相位解锁，在保持高效透射模值的情况下，对透射相位进行纯调控，设计超表面的几何贝尔相位宏观序为螺旋梯度，并嵌入到透射光中，从而产生高效涡旋光。本发明专利技术相比传统的涡旋光激发装置具有透射效率更高、厚度更薄的优点，适用于未来的集成光学领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电磁调控
，具体涉及一种微波涡旋光激发装置。
技术介绍
电磁波的传输行为由背景媒质的介电常数和磁导率决定，然而自然材料的光学参数所覆盖范围有限，因此限制了人们对电磁波的调控能力。电磁特异介质的思想就是精心设计某种具有结构共振的“人工的分子和原子”（简称“单元结构”），并以某种宏观序的形式排列成二维、三维阵列，从而实现超越自然材料的“表面”结构（简称“超表面”）、“晶体”结构（简称“超晶体”）。电磁特异介质大大扩展人们调控电磁波的自由度，具有广泛的应用前景。在电磁调控装置中，纯相位调节器件在应用领域充当着一个不可或缺的角色，譬如：聚焦、全息、光栅、涡旋光激发等都是通过纯相位调节器件实现。然而，传统电磁调控装置中，电磁波的散射模值和相位不能解锁的问题一直困扰着这个领域（即：当调整相位时，不可避免地会改变模值），这导致纯相位调节器件的设计变得异常繁琐，甚至困难。其困难程度会随着体系通道数增多而提高，因为没有一个合适的机制去压制或者去控制其他通道分出去能量，去锁定模值。另外，传统相位调节器件的厚度通常在波长量级以上，这在应用上带来了诸多不便。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够实现透射率的模值和相位解锁的微波涡旋光激发装置，相比传统的涡旋光激发方法，具有高效、单模、亚波长厚度节省物理空间的优点，为未来的集成光学发展，提供必不可少的光学集成器件。本专利技术提出的微波涡旋光激发装置，包括“三个模块”，分别是入射模块、转换模块和接收模块；其中：所述入射模块：使用时域门技术，由圆极化喇叭以脉冲形式将右旋（左旋）圆偏振平面光垂直入射到超表面，其中，使用时域门技术，将入射电磁波以波包形式入射，避免涡旋光激发装置内部形成驻波而影响测量结果的精度。待检测入射电磁波采用近似平面光形式入射，使入射平面光的等相面（束腰位置）与“旋转结构”电磁特异介质超表面重合，使其充分感受到超表面的局域几何贝尔相位的调制。所述转换模块（涡旋光激发装置）：通过具有完美透射频率窗口的“旋转结构”电磁特异介质超表面，使得入射的左旋（右旋）圆偏振平面光几乎不改变振幅、完美地透过超表面同时，嵌入任意阶螺旋相位宏观序，变成右旋（左旋）圆偏振涡旋光出射。所述“旋转结构”电磁特异介质超表面：是由全同的电磁特异介质单元结构周期性地排列的二维阵列，“旋转结构”电磁特异介质超表面每一个局域的附加的透射相位（在学术上称为几何贝尔相位）由局域的特异介质单元结构的主轴几何转动角度决定，并且，每一个局域的透射幅度与电磁特异介质单元结构的主轴几何转动角度无关，从而实现纯相位调节。几何贝尔相位的应用使得透射率模值和相位解锁。“旋转结构”电磁特异介质超表面在工作频段处（工作频率为10.5GHz）实现异常透射模式的绝对效率近似100%。“旋转结构”电磁特异介质超表面局域电磁响应设计：全同的电磁特异介质单元结构均设计为沿两个主轴方向完美透射（工作频率为10.5GHz），因为单元结构的几何参数全同，所以每一个局域的透射率模值得以保持。每一个单元结构均设计为以各自的中心为原点沿局域的轴方向转动一定角度，这样每一个单元结构都能产生不同的局域几何贝尔相位，从对每一个局域的相位进行独立调控，由几何贝尔相位的替代透射率相位的调节，但是嵌入的几何贝尔相位不是嵌入到线极化基矢上，而是圆极化基矢上。优选的电磁特异介质单元结构由ABA三层层叠而成：通过琼斯矩阵理论和对称性分析，要求单元结构具有镜面对称性的，在工作频率处满足条件：、，和为沿着两个晶轴方向的透射系数。通过等效媒介理论分析，对A层和B层的相对介电常数进行遍历法寻找合适解，发现等于的组合（即，对于A层：在两个偏振方向，相对介电常数均为正数；对于B层：在一个偏振方向，相对介电常数为正数，在另一个偏振方向，相对介电常数为负数），在设计和实验上比较容易满足条件、。具体地，A层结构可为金属条结构（即把覆铜板均匀介质层上的铜箔刻成长方形的条状结构），B层结构可为金属条结构和金属圈结构的组合（即把覆铜板均匀介质层上的铜箔刻成镂空的圆圈状结构，圆圈中间为长方形的条状结构），可以满足条件、。“旋转结构”电磁特异介质超表面宏观序设计：几何贝尔相位宏观序被设计为阶螺旋相位梯度，即电磁特异介质单元结构的主轴方向绕局域z轴转动一定角度，其中，为任意整数，为全局坐标，该角度沿着角向线性增大。在更加广阔的应用场景中，可以不限定，根据实际需要设计不同的几何贝尔相位宏观序，譬如：可设计为抛物线相位宏观序，实现光聚焦；设计为全息相位宏观序，实现光全息成像；设计为复式相位宏观序，实现光多功能器件；等等。所述接收模块：由电偶极子探针、金属支架和可编程的步进电机自组装而成的电场空间分布3维扫描测量仪，主要用于测量透过涡旋光激发装置而产生左旋（右旋）圆偏振涡旋光的电场空间分布。进一步还包括：校准实验：不放入“旋转结构”电磁特异介质超表面（转换模块），而让入射电磁波无阻碍通过，电偶极子探针放在入射电磁波光路中间接收信号，校准左旋（右旋）圆极化喇叭。检测实验：放入“旋转结构”电磁特异介质超表面（转换模块）。可编程步进电机带动电偶极子探针扫描涡旋光电场分布x分量（y分量）。本专利技术突破了传统的电磁特异介质单元结构（Meta-atom）的电磁响应设计（Design/Fabrication）的透射率的模值和相位不能解锁的问题，应用几何贝尔相位（GeometricalBerryPhase），将透射率的模值和相位解锁。在保持高效模值不变的情况下，实现纯透射相位调节，并且，设计了几何贝尔相位宏观序为1阶、2阶和3阶螺旋梯度的超表面3块，将平面光高效地转换成具有±1阶、±2阶和±3阶螺旋相位结构的涡旋光。本专利技术所述的透射率的模值和相位解锁方案，继而涡旋光激发装置的功能实现，跟具体的电磁波工作频段无关，微波（Micro-Wave）乃至光波(Optics)均可实现，本专利技术可以在相关的科研(Science)和工程(Engineering)领域（譬如：集成光学、光学通讯和量子光学领域）将有巨大的应用前景，实现涡旋光的高效制备。附图说明图1.高效微波涡旋光激发装置的原理示意图。其中，（a）为“转换模块”将平面光转换成涡旋光的效果示意图。（b）为“入射模块”、“转换模块”、“接收模块”之间的连接关系。图2.通过等效媒介理论，研究满足条件(和)的电磁特异介质单元结构的电磁响应参数。其中:（a）研究ABA等效媒介模型在不同的相对介电常数与透射模值之间的关系（相图）。白色曲线为透本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超表面透射几何贝尔相位的高效微波涡旋光激发装置，其特征在于包括三个模块，分别是入射模块、转换模块和接收模块；其中：所述入射模块，使用时域门技术，由圆极化喇叭以脉冲形式将右旋（左旋）圆偏振平面光垂直入射到超表面；其中，待检测入射电磁波采用近似平面光形式入射，使入射平面光的等相面与“旋转结构”电磁特异介质超表面重合；所述转换模块，通过具有完美透射频率窗口的“旋转结构”电磁特异介质超表面，使得入射的左旋（右旋）圆偏振平面光几乎不改变振幅、完美地透过超表面同时，嵌入任意阶螺旋相位宏观序，变成右旋（左旋）圆偏振涡旋光出射；所述“旋转结构”电磁特异介质超表面，是由全同的电磁特异介质单元结构周期性地排列的二维阵列，“旋转结构”电磁特异介质超表面每一个局域的附加的透射相位即几何贝尔相位由局域的特异介质单元结构的主轴几何转动角度决定，并且，每一个局域的透射幅度与电磁特异介质单元结构的主轴几何转动角度无关，从而实现纯相位调节；所述接收模块，是由电偶极子探针、金属支架和可编程的步进电机自组装而成的电场空间分布3维扫描测量仪，主要用于测量透过涡旋光激发装置而产生左旋（右旋）圆偏振涡旋光的电场空间分布。

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面透射几何贝尔相位的高效微波涡旋光激发装置，其特征在于包括三
个模块，分别是入射模块、转换模块和接收模块；其中：
所述入射模块，使用时域门技术，由圆极化喇叭以脉冲形式将右旋（左旋）圆偏振平面
光垂直入射到超表面；其中，待检测入射电磁波采用近似平面光形式入射，使入射平面光的
等相面与“旋转结构”电磁特异介质超表面重合；
所述转换模块，通过具有完美透射频率窗口的“旋转结构”电磁特异介质超表面，使得
入射的左旋（右旋）圆偏振平面光几乎不改变振幅、完美地透过超表面同时，嵌入任意阶螺
旋相位宏观序，变成右旋（左旋）圆偏振涡旋光出射；
所述“旋转结构”电磁特异介质超表面，是由全同的电磁特异介质单元结构周期性地排
列的二维阵列，“旋转结构”电磁特异介质超表面每一个局域的附加的透射相位即几何贝尔
相位由局域的特异介质单元结构的主轴几何转动角度决定，并且，每一个局域的透射幅度
与电磁特异介质单元结构的主轴几何转动角度无关，从而实现纯相位调节；
所述接收模块，是由电偶极子探针、金属支架和可编程的步进电机自组装而成的电场
空间分布3维扫描测量仪，主要用于测量透过涡旋光激发装置而产生左旋（右旋）圆偏振涡
旋光的电场空间分布。
2.根据权利要求1所述的基于超表面透射几何贝尔相位的高效微波涡旋光激发装置，
其特征在于，所述转换模块中，超表面局域电磁响应设计如下：全同的电磁特异介质单元结
构均设计为沿两个主轴方向完美透射，其工作频率为10.5GHz，由于单元结构的几何参数全
同，每一个局域的透射率模值得以保持；并且，每一个电磁特异介质单元结构均设计为以各
自的中心为原点沿局域的轴方向转动一定角度，这样每一个单元结构都能产生不同的
局域几何贝尔相位，从而对每一个局域的相位进行独立调控，由几何贝尔相位的调节
替代透射...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伟杰，孙树林，许河秀，何琼，周磊，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31