【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电磁超表面，具体涉及一种表面波远场辐射空间矢量演化光束耦合器。
技术介绍
1、纳米科学与技术的迅速进步，使得在微纳尺度下对光的传输及操控成为可能，这推动了光学器件向片上化、小型化和多功能化方向的发展，特别是在光子集成芯片领域得到了越来越多的关注。光子集成芯片是由一系列微纳尺度的光控元件集成在一块基片上形成的微型光学系统，与传统的三维光学器件对自由空间传输光的调控不同，光子集成芯片主要调控局域在二维界面上或波导结构中的近场光。这种近场光包括金属-介质界面或二维材料界面上的表面等离激元模式、金属微结构界面上的人工表面等离激元以及介质波导体系中的波导模式。这些光场能量被局域在波长甚至亚波长尺度下的本征局域电磁波模式统称为表面波(surface waves,sw)。由于表面波具有局域场增强和亚波长分辨率等特性，在增强光学非线性效应、光学传感和超分辨成像等领域具有广泛应用。然而，表面波的能量局域于近场区域，难以在远场直接观测和分析，因此需要借助扫描近场光学显微镜等侦测装置。然而，这些方法面临系统复杂、探测条件苛刻等挑战。因此，为了更好的收集近场光信息，常常需要将近场表面波模式解耦合为远场传输波模式。
2、实际上，在集成光学应用中，高效地将近场表面波解耦合至远场传输波，同时灵活调控波前和偏振态，是一个至关重要的课题。早期研究提出了使用光栅等布拉格衍射器件来实现近场表面波到远场传输波的辐射调控。然而，受到此类器件的周期性影响，会产生高阶衍射模式，从而降低工作效率。此外，利用此类器件解耦合难以实现对远场辐射偏振态的灵活
技术实现思路
1、本专利技术旨在设计一种tm模式表面波入射下的远场辐射空间矢量演化光束耦合器。以克服传统耦合器在远场辐射调控中的多模式、效率低、偏振态单一等问题。
2、本专利技术设计的近场表面波远场辐射空间矢量演化光束耦合器，简称sw-pw空间矢量演化光束耦合器。通过设计超表面相位分布，实现近场-远场辐射调控，包括对辐射波前调控以及辐射偏振态调控。本专利技术采用电磁超表面(meta-surface)，理论上能实现任意复杂波前和任意线偏振态的同时调控，进而构造出具有特殊矢量演化功能光场分布。本专利技术采用相位梯度调控电磁波波前的物理思想，通过人工超构单元(meta-atom)的的几何设计，构造出具有波前及偏振态同时调控的pancharatnam-berry相位梯度超表面，这种超表面能实现近场表面波(包括表面等离激元、人工表面等离激元、波导表面波等)以任意波前及任意线偏振模式辐射到空间任意方向及位置。
3、首先，为了在表面波-传输波体系下实现任意的线偏振态辐射场，本专利技术基于复合式的超构表面设计，将两排独立的超构原子作为一个周期，使其能单独的辐射出左旋圆偏振光(lcp)和右旋圆偏振光(rcp)，再通过独立调控二者之间的相位差实现任意线偏振态的合成。此外，为了实现sw-pw空间矢量演化光束耦合器，还分别对lcp与rcp的相位分布进行独立设计，为更直观的展示出矢量演化的特性，在此选择径向方向相位对称的无衍射贝塞尔光束。通过调整lcp与rcp沿着径向方向的相位差，便能实现合成光场沿着纵向方向偏振态逐渐演化的特性。为实现此耦合器的功能特征，需要设计合适的物理体系，并且结合数值仿真和实验进行验证。
4、所述物理体系，即基于超表面的近场表面波到远场辐射矢量演化光束耦合器，由电磁几何相位超表面区域和表面波本征区域拼接组成；其中，所述超表面区域是由超表面原胞(也称人工超构单元)进行二维延拓而成的阵列，阵列中每行或每列的超表面原胞按照计算所需要的相位分布旋转排列；其中奇数行设计为产生左旋圆偏振态的贝塞尔光束，偶数行设计为产生右旋圆偏振态的贝塞尔光束，且在径向方向上两者的相位分布满足梯度相位差变化(对排列方式要有正确的描述)；其中，所述超表面原胞为金属微结构-介质薄膜-金属薄层的三层结构；所述表面波本征区域由一系列本征原胞二维延拓排列而成，所述本征原胞为所述超表面原胞中去掉上层的金属微结构后的结构，即为由介质薄膜、金属薄膜组成的双层结构；本征区域用于支持表面波无损耗传输；超表面原胞与本征原胞的尺寸相同，均为正方形。
5、所述人工超构单元中，金属微结构为金属铜，介质薄膜为各向同性的均匀介质，金属薄层为完整的金属层。
6、所述超表面原胞具有二重旋转对称几何形状(即旋转180度后与原来形状重合),所述超表面原胞按相位分布旋转排列,其旋转角度是指具有二重旋转对称几何形状的金属微结构的左右对称轴与y方向的夹角；表面波沿着x轴传播，从表面波本征区域入射到电磁几何相位超表面区域。本专利技术中，超表面区域的大小为n×n，n为超表面原胞数。
7、在仿真及实验中，本专利技术选取n＝70作为测试样品，且根据贝塞尔光束径向对称干涉的特性，最终将整个超构表面区域设计成圆形区域。
8、本专利技术中，所述近场tm表面波包括：表面等离激元，人工表面等离激元，波导表面波。
9、具体地，本专利技术设计的人工超构单元的上层金属微结构几何要求满足二重对称性，为“i”字形结构，其上下两端的横杠中间为折角形状，上下两端的折角结构尺寸长度和宽度相同，中间竖杆的线宽相同，中间的竖杆为对称轴；其几何参数：设l1为工字形上下两横杠外侧距离，l2为上下折角横杠的长度，w为线宽，d为介质厚度，h为金属厚度，θm为横杠偏折的角度；p为人工超构单元周期(结构尺寸)；这些几何参数可以根据具体对象的实际需求，通过优化得到最佳具体数值。
10、本专利技术中，首先，通过数值仿真和微波实验表征人工超构单元和本征结构的物理性质，包括：(1)人工超构单元的反射相位；(2)本征结构的表面波色散曲线。接着，基于人工超构单元设计出具有周期性边界条件的两排人工超构原子，其相位梯度均为ξ＝-1.07k0，以保证表面波远场辐射光场垂直于超构表面出射；随后通过改变两排超构原子之间的相位差原则上能实现任意线偏振态的光场出射，在此，我们分别展示了四种不同的情况；接着，对表面波从近场辐射到远场形成空间矢量演化光束这一物理过程进行数值模拟获得电场分布；为了验证数值模拟的正确性，制作了相关样品并进行了实验验证；理论预测、数值模拟和实验三者吻合。
11、本专利技术设计的基于超表面的近场表面波远场辐射空间矢量演化光束耦合器，具有如下特点：
12、(1)能够实现tm模式的表面波转换成任意线偏振态的传输波并且辐射到远场的任意方向；
13、(2)通过设计超构表面不同的相位梯度，能够实现表本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于超表面的近场表面波远场辐射空间矢量演化光束耦合器，其特征在于，通过设计电磁超表面相位分布，实现近场-远场辐射调控，包括对辐射波前调控以及辐射偏振态调控，进而构造出具有特殊矢量演化功能光场分布；通过人工超构单元的几何设计，构造出具有波前及偏振态同时调控的P-B相位梯度超表面，这种超表面能实现近场表面波包括表面等离激元、人工表面等离激元、波导表面波以任意波前及任意线偏振模式辐射到空间任意方向及位置；
2.根据权利要求1所述的近场表面波远场辐射空间矢量演化光束耦合器，其特征在于，所述人工超构单元中，金属微结构为金属铜，介质薄膜为各向同性的均匀介质，金属薄层为完整的金属层。
3.根据权利要求2所述的近场表面波远场辐射空间矢量演化光束耦合器，其特征在于，人工超构单元的上层金属微结构满足二重对称性，具体为“I”字形结构，其上下两端的横杠中间为折角形状，上下两端的折角结构尺寸长度和宽度相同，中间竖杆的线宽相同，中间的竖杆为对称轴；其几何参数：设l1为工字形上下两横杠外侧距离，l2为上下折角横杠的长度，w为线宽，d为介质厚度，h为金属厚度，θm为横杠偏折的角度
4.根据权利要求3所述的近场表面波远场辐射空间矢量演化光束耦合器，其特征在于，几何相位的计算如下：
5.根据权利要求4所述的近场表面波远场辐射空间矢量演化光束耦合器，其特征在于，人工超构单元的三层结构中：
...【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的近场表面波远场辐射空间矢量演化光束耦合器，其特征在于，通过设计电磁超表面相位分布，实现近场-远场辐射调控，包括对辐射波前调控以及辐射偏振态调控，进而构造出具有特殊矢量演化功能光场分布；通过人工超构单元的几何设计，构造出具有波前及偏振态同时调控的p-b相位梯度超表面，这种超表面能实现近场表面波包括表面等离激元、人工表面等离激元、波导表面波以任意波前及任意线偏振模式辐射到空间任意方向及位置；
2.根据权利要求1所述的近场表面波远场辐射空间矢量演化光束耦合器，其特征在于，所述人工超构单元中，金属微结构为金属铜，介质薄膜为各向同性的均匀介质，金属薄层为完整的金属层。
3.根据权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙树林，金相宇，王卓，何琼，周磊，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：
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