【技术实现步骤摘要】
(一)本专利技术提供的是一种光学时钟超表面，本专利技术可用于光场调控、偏振检测和光学操纵等领域。
技术介绍
0、(二)
技术介绍
1、光学超表面通过在亚波长尺度上设计纳米结构，实现对光场的精确调控，包括振幅、相位和偏振等多个参数，从而有效地调节光的传输特性，展现出巨大的应用潜力。近年来，光学超表面在光学器件的小型化、集成化和多功能化等领域表现出显著优势，广泛应用于超透镜、全息显示、传感器等新型光学器件的开发中，推动了集成化光学系统的进一步发展。
2、随着微纳制造技术的进步，光学超表面研究逐渐聚焦于提升多功能集成和光场调控的效率与精度。在相位调控、波长复用等方面取得了显著成果，例如，xu等人提出了一种通过偏振复用实现多焦点光镊的超表面，用于微纳颗粒的捕获与操控(journal ofphysics d:applied physics,2024,57(42):425104.)，该工作展示了在多重光学操控任务整合中的优势，但在多焦点同时操控与精确位置控制方面仍有局限；wang团队设计了一种基于遗传算法优化的多功能超透镜，实现了波长复用的高效调控(optical materialsexpress,2021,11(11):3908-3916.)，该设计紧凑易于集成，但在光谱响应方面仍面临挑战；deng等提出了一种基于双元胞结构的宽带超构表面，通过绕行相位调控提升了宽频范围内的光学性能(nano letters,2018,18(5):2885-2892.)，该工作在宽光谱成像中表现优异，但在带宽覆盖和系统复杂性方面仍需优
3、本专利技术提供了一种光学时钟超表面，通过对焦平面上左旋圆偏振光(lcp)和右旋圆偏振光(rcp)的精确聚焦与偏振方向调控，实现了光学时钟效应。本专利技术具有以下显著优势：首先，本专利技术通过改变入射线偏振光的偏振方向灵活控制光斑的旋转，实现了类似时钟的光学运动，提升了光场调控的效率和适用性；其次，本专利技术采用信号函数调制，确保了连续且周期性的相位轮廓，避免了传统超表面多区域设计中的相位不连续问题，从而减少了衍射损耗，提高了光场调控效率；最后，通过调节信号函数的参数即可实现多焦点控制，无需复杂的多区域设计，简化了设计过程，并具备高灵活性，能够精确控制焦点的数量、位置和间距，以适应不同的应用需求；综上所述，本专利技术克服了现有技术在多功能集成、高精度操控及结构复杂性方面的不足，为高精度光学操控提供了一种创新的解决方案。
技术实现思路
0、(三)
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种光学时钟超表面。本专利技术的实现方式如下：该器件主要由多个介质块单元组成，集成在基底上，当具有初始偏振方向的入射线偏振光沿主光轴输入时，经过超表面调制后，在焦平面上产生第一组聚焦光斑簇；将偏振方向旋转一定角度θ1后，入射线偏振光再次经过超表面调制，形成第二组聚焦光斑簇，其中两组光斑之间的相对角度θ2与偏振方向的旋转角度θ1相对应。通过改变入射线偏振光的偏振方向，可以实现输出光斑的同步旋转，模拟时钟指针的协调运动，从而精确控制光场的旋转角度。此外，本专利技术创新性地引入信号调制方法，对超表面的相位轮廓进行调控，以实现多个焦点的精确空间重合及相位干涉的稳定控制。
2、下面将详细阐述一种光学时钟超表面的工作原理。当单元沿x轴的相移与沿y轴的相移满足时，能够同时生成两个由lcp和rcp独立编码的相位轮廓和两者的相位轮廓可以表示为：
3、
4、为了实现光学时钟效应，一方面，lcp和rcp必须在焦平面上精确地聚焦于同一位置，两者的空间重合是确保相干干涉产生的关键；另一方面，相位轮廓的圆对称性是确保旋转过程中光斑形状保持稳定的必要条件，它确保了干涉光斑在旋转时不发生形变，保证了效应的精确性。满足上述条件时，干涉图案会随入射偏振方向的变化产生光斑旋转，从而形成光学时钟效应。因此，为在焦平面上实现光斑的旋转，lcp和rcp两个分量必须在相位上存在差异，此差异由几何相位引入，需要对相位轮廓附加几何相位调制项
5、
6、其中，几何相位调制项由超表面单元的旋转角θ引入，确保lcp和rcp两个分量的几何相位差为π的关键在于调整旋转角θ，以实现相位匹配。lcp和rcp的几何相位调制项之差的表达式为：
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8、通过计算得到旋转角θ，进而得到超表面的相位轮廓，如图2(a)所示，输出光场在焦平面上产生显著的干涉效应，使焦平面上的光斑随入射线偏振光偏振方向旋转，如图2(b)所示。
9、为实现多个焦点的同时聚焦，本专利技术引入信号函数对相位轮廓进行调制。以锯齿波信号函数为例，通过引入周期性的相位跳变的锯齿波信号函数，其相位轮廓如图2(c)所示，使入射线偏振光分解为多个空间频率分量，这些分量在焦平面上产生多个不同位置的衍射级次，形成多个随入射线偏振光偏振方向旋转的焦点，如图2(d)所示。锯齿波信号函数调制后的相位轮廓为：
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11、其中，m(x)和m(y)分别为沿x和y方向的锯齿波信号函数，定义为:
12、
13、其中，a为振幅，决定焦点之间的间距，lx和ly为函数的周期，控制了焦点的数量和位置，φx和φy为相位偏移，用于调整焦点的起始位置。信号函数的引入使得相位在空间上呈现周期性跳变，导致入射线偏振光的空间频率分解，并在焦平面上形成多个焦点。
14、通过信号函数调制的方法，使得超表面的相位轮廓在空间上是周期性且连续的，无需划分多个区域，克服了传统超表面设计中相位不连续带来的衍射损耗，提高了光场的调控效率与灵活性，从而实现多焦点的光学时钟效应；其次，通过调整信号函数的参数，可以灵活控制焦点的数量、位置和间距，从而简化了设计过程，适应不同的应用需求。
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1.本专利技术提供了一种光学时钟超表面，其特征在于：所述超表面(1)由多个单元(101)组成，集成在光学基底(2)上；当具有初始偏振方向(301)的入射线偏振光(3)沿主光轴输入时，经过超表面(1)调制，在焦平面上产生第一组非圆对称的聚焦光斑簇(302)；当偏振方向(301)旋转一定角度θ1后新偏振方向(401)的入射线偏振光(4)，该入射线偏振光(4)经过超表面(1)调制后，在焦平面上产生第二组非圆对称的聚焦光斑簇(402)，其中，两组聚焦光斑簇(302)和(402)之间的夹角θ2与两束入射线偏振光(3)和(4)的偏振方向夹角θ1相对应，通过调控入射线偏振光的偏振方向，实现输出光斑的同步旋转，达到类似时钟指针的协调运动的光学时钟效应，为实现光学时钟效应，所述光学时钟超表面需满足以下条件：一、所述单元(101)沿x轴的相移与沿y轴的相移之差的绝对值满足即单元(101)等效于一个半波片，这一特性确保当入射线偏振光穿过单元(101)时，能够将相位信息分别编码到入射线偏振光的左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆偏振光(RCP)分量上，使LCP和RCP同时获得独立的相位轮廓和当LCP或RCP分
2.根据权利要求1所述的光学时钟超表面，其特征是：所述的光学基底2是透明和半透明材料的一种。
3.根据权利要求1所述的光学时钟超表面，其特征在于：通过在相位轮廓中引入信号函数进行调制，形成多个具有周期性相位跳变的相位轮廓，从而在焦平面上实现多个不同位置的焦点，所述相位轮廓的调制参数包括调制幅度、周期及相位偏移，分别用于控制焦点的数量、位置和间距，其相位轮廓可表示为：
...【技术特征摘要】
1.本发明提供了一种光学时钟超表面，其特征在于：所述超表面(1)由多个单元(101)组成，集成在光学基底(2)上；当具有初始偏振方向(301)的入射线偏振光(3)沿主光轴输入时，经过超表面(1)调制，在焦平面上产生第一组非圆对称的聚焦光斑簇(302)；当偏振方向(301)旋转一定角度θ1后新偏振方向(401)的入射线偏振光(4)，该入射线偏振光(4)经过超表面(1)调制后，在焦平面上产生第二组非圆对称的聚焦光斑簇(402)，其中，两组聚焦光斑簇(302)和(402)之间的夹角θ2与两束入射线偏振光(3)和(4)的偏振方向夹角θ1相对应，通过调控入射线偏振光的偏振方向，实现输出光斑的同步旋转，达到类似时钟指针的协调运动的光学时钟效应，为实现光学时钟效应，所述光学时钟超表面需满足以下条件：一、所述单元(101)沿x轴的相移与沿y轴的相移之差的绝对值满足即单元(101)等效于一个半波片，这一特性确保当入射线偏振光穿过单元(101)时，能够将相位信息分别编码到入射线偏振光的左旋圆偏振光(lcp)和右旋圆偏振光(rcp)分量上，使lcp和rcp同时获得独立的相位轮廓和当lcp或rcp分别作为单一偏振态的入射光时，所述超表面(1)仅在单元...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓洪昌，罗中岳，孙婷婷，张文涛，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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