基于超表面产生携带轨道角动量的贝塞尔波束的透镜及方法技术

基于超表面产生携带轨道角动量的贝塞尔波束的透镜及方法，涉及产生携带轨道角动量的贝塞尔波束的技术。为了解决传统的贝塞尔波束的产生方法加工精度要求高、能量的利用率低、集成效果差的问题。该透镜包括m×n个周期性排布的相位突变单元，每个相位突变单元均包括基板和位于基板表面的金属层，金属层包括两部分，一部分为位于基板中央的正方形金属层，另一部分为包围正方形金属层的矩形金属框，金属框一组对边的中央设有缺口，以基板的一边为x轴，缺口中心和基板中心的连线与x轴正向的夹角为θ，圆极化波垂直入射，透射的交叉极化波即为携带轨道角动量的贝塞尔波束。本发明专利技术适用于产生携带轨道角动量的贝塞尔波束。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，涉及产生携带轨道角动量的贝塞尔波束的技术。为了解决传统的贝塞尔波束的产生方法加工精度要求高、能量的利用率低、集成效果差的问题。该透镜包括m×n个周期性排布的相位突变单元，每个相位突变单元均包括基板和位于基板表面的金属层，金属层包括两部分，一部分为位于基板中央的正方形金属层，另一部分为包围正方形金属层的矩形金属框，金属框一组对边的中央设有缺口，以基板的一边为x轴，缺口中心和基板中心的连线与x轴正向的夹角为θ，圆极化波垂直入射，透射的交叉极化波即为携带轨道角动量的贝塞尔波束。本专利技术适用于产生携带轨道角动量的贝塞尔波束。【专利说明】
本专利技术设及产生携带轨道角动量的贝塞尔波束的技术。
技术介绍
贝塞尔波束(bessel)的无衍射聚束传播特性使得其广泛应用于各种光学系统，如 应用于光束牵引、近场探针、平板印刷术、光数据存储等领域，具有无衍射聚束传播特性的 贝塞尔波束与可W大幅度提高光信息储存容量的轨道角动量相结合，已经逐步成为光学通 信和量子通信发展中的一匹黑马。而传统的贝塞尔波束的产生方法是环缝法、全息法或轴 棱锥法，但运些方法的缺点不是对器件的加工精度要求过高，就是对能量的利用率过低，抑 或与其他器件的集成效果不好。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决传统的贝塞尔波束的产生方法加工精度要求高、能量的 利用率低、集成效果差的问题，从而提供基于超表面产生携带轨道角动量的贝塞尔波束的 透镜及方法。 本专利技术所述的基于超表面产生携带轨道角动量的贝塞尔波束的透镜，包括mXn个 周期性排布的相位突变单元，m和n均为正整数； 每个相位突变单元均包括基板和位于基板表面的金属层，金属层包括两部分，一 部分为位于基板中央的正方形金属层，另一部分为包围正方形金属层的矩形金属框，金属 框一组对边的中央设有缺口，W基板的一边为X轴，缺口中屯、和基板中屯、的连线与X轴正向 的夹角为0，其中，X和y分别为W透镜的中屯、为原点、基板中屯、的横坐标和纵坐标，0为贝塞尔 波束顶角值的一半，1为轨道角动量数。[000引本专利技术所述的基于超表面产生携带轨道角动量的贝塞尔波束的方法，圆极化波垂 直入射到所述透镜，透射的交叉极化波即为携带轨道角动量的贝塞尔波束。随着纳米加工技术的发展，出现了与传统材料不同的具有反常性质的超材料，其 中，超表面通过在纳米尺度范围内的人工操作，使得其界面上的相位具有不连续的特点，运 与传统材料分界面上的性质截然不同。在传统光学器件中，对电磁波调控的方法是利用光 在透镜中传输过程中产生的累积相位差，在本专利技术中，通过对人工电磁表面的设计和操作， 在电磁波传播的过程中加入相位突变，人为的改变波的波前、相位和偏振态，使得其达到预 想的传输状态。基于此，本专利技术基于相位不连续人工电磁表面的原理，设计了一种平面结构 的可W产生携带轨道角动量的贝塞尔波束的透镜。通过所设计的相位突变单元对垂直入射 的圆极化电磁波的交叉极化透射分量引入与其分布位置相关的相位突变，并通过将产生满 旋波束所需要的相位分布和产生贝塞尔波束所需要的相位分布进行叠加，使透射场中交叉 极化分量呈现携带轨道角动量的贝塞尔波束传播特性。 本专利技术能使垂直入射的圆极化波在透过透镜之后，交叉极化波透射场的传播状态 为携带着轨道角动量的贝塞尔波束。本专利技术的透镜具有结构平面化，厚度薄，易于与其它器 件集成的特点，本专利技术的能量利用率高。 本专利技术适用于产生携带轨道角动量的贝塞尔波束。【附图说明】 图1是【具体实施方式】一中的庞加莱球的示意图； 图2是【具体实施方式】一所述的基于超表面产生携带轨道角动量的贝塞尔波束的透 镜的结构示意图； 图3是【具体实施方式】二所述的基于超表面产生携带轨道角动量的贝塞尔波束的透 镜的结构示意图； 图4是【具体实施方式】五的交叉极化波透射效率曲线图； 图5是【具体实施方式】一中的轨道角动量数1为1时xoy平面内的相位分布； 图6是【具体实施方式】一中的轨道角动量数1为1时xoy平面内的幅值分布； 图7是【具体实施方式】一中的轨道角动量数1为1时XOZ平面内的幅值分布； 图8是【具体实施方式】一中的轨道角动量数1为3时xoy平面内的相位分布； 图9是【具体实施方式】一中的轨道角动量数1为3时xoy平面内的幅值分布； 图10是【具体实施方式】一中的轨道角动量数1为3时XOZ平面内的幅值分布； 图11是【具体实施方式】一中的携带轨道角动量的贝塞尔波束的xoy平面内的相位分 布； 图12是【具体实施方式】一中的携带轨道角动量的贝塞尔波束的xoy平面内的能量分 布； 图13是【具体实施方式】一中的携带轨道角动量的贝塞尔波束的XOZ平面内的幅值分 布； 图14是【具体实施方式】一中的携带轨道角动量的贝塞尔波束的yoz平面内的幅值分 布；图15是【具体实施方式】五的透镜的工作效率曲线图。【具体实施方式】【具体实施方式】 一:结合图1、图2和图5至图14具体说明本实施方式，本实施方式所 述的基于超表面产生携带轨道角动量的贝塞尔波束的透镜，包括mXn个周期性排布的相位 突变单元，m和n均为正整数； 每个相位突变单元均包括基板1和位于基板表面的金属层2,金属层包括两部分， 一部分为位于基板1中央的正方形金属层，另一部分为包围正方形金属层的矩形金属框，金 属框一组对边的中央设有缺口，W基板的一边为X轴，缺口中屯、和基板中屯、的连线与X轴正 向的夹值责白. 其中，X和y分别为W透镜的中屯、为原点、基板I中屯、的横坐标和纵坐标，e为贝塞尔 波束顶角值的一半，1为轨道角动量数。 采用相位突变单元的原理为： 圆极化波经过引入了相位突变的相位突变单元转化为其交叉极化波时，会对交叉 极化分量引入一个与相位突变单元旋转角度和入射波极化方式相关的相位突变量，相位突 变量的绝对值等于相位突变单元旋转角度的2倍。透镜原点处的相位突变单元的0为0%相 位突变单元相对于透镜原点处的相位突变单元所具有的旋转角度，与该相位突变单元缺口 中屯、和基板中屯、的连线与X轴正向的夹角0值相等，所W W下将相位突变单元相对于透镜原 点处的相位突变单元所具有的旋转角度也用0表示。 如图1所示，庞加莱球上的点表示电磁波的极化状态，庞加莱球可W理解为电磁波 极化状态的集合。赤道上的点表示线极化状态的合集。庞加莱球赤道上经度为如的点，表示 的极化状态为极化角与X轴成4夹角的线极化。庞加莱球上的南北两极点，对于北极点，表示 右旋圆极化，即图1中的对于南极点，表示左旋圆极化，即图1中的庞加莱球上的其 他任一点所表示的电磁波极化状态为楠圆极化。结合庞加莱球，选择具有和00两种旋转角 度的相位突变单元，对应于庞加莱球赤道上经度分别为01和00的两点，当圆极化波分别经过 运两个相位突变单元，转化为其交叉极化波时，其传输状态会引入一个相位突变量，相位突 变量的大小等于在庞加莱球上所经历的闭合曲面面积的一半：(1) 其中S表示所引入的相位突变量，R为球壳的半径，对于庞加莱球，R=I。此相位被 称为化ncharatnam-Berry (P-B)相位，可W归纳为圆极化波通过不同旋转角度的相位突变 单元转化成其交叉极化波时，会对交叉极化波引入大小等于在庞加莱球上形成的球壳面积 一半的相位差。利用P-B相位本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于超表面产生携带轨道角动量的贝塞尔波束的透镜，其特征在于，包括m×n个周期性排布的相位突变单元，m和n均为正整数；每个相位突变单元均包括基板(1)和位于基板表面的金属层(2)，金属层包括两部分，一部分为位于基板(1)中央的正方形金属层，另一部分为包围正方形金属层的矩形金属框，金属框一组对边的中央设有缺口，以基板的一边为x轴，缺口中心和基板中心的连线与x轴正向的夹角为θ，θ=12x2+y2sinβ+12l·a rc tan(y/x)]]>其中，x和y分别为以透镜的中心为原点、基板(1)中心的横坐标和纵坐标，β为贝塞尔波束顶角值的一半，l为轨道角动量数。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：袁乐眙，丁旭旻，张狂，吴群，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23