本發(fā)明涉及可調(diào)諧超表面，具體來(lái)說(shuō)涉及一種基于級(jí)聯(lián)超表面的雙功能可調(diào)諧光學(xué)器件及設(shè)計(jì)方法
背景技術(shù)：
1、可調(diào)諧光學(xué)器件在光通信、自適應(yīng)成像、光學(xué)計(jì)算及傳感探測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)可調(diào)諧光學(xué)器件往往受限于體積龐大、集成度低、響應(yīng)速度受限以及制造工藝復(fù)雜等問(wèn)題，難以滿足現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)對(duì)緊湊化、高速調(diào)控及高精度調(diào)諧的需求。超表面作為由亞波長(zhǎng)尺度人工結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的超薄光學(xué)元件，突破了傳統(tǒng)器件的物理限制，憑借其卓越的光場(chǎng)調(diào)控能力，為可調(diào)諧光學(xué)器件提供了一種全新的解決方案。目前，超表面可調(diào)諧光學(xué)器件已成功應(yīng)用于多個(gè)重要領(lǐng)域，例如可變焦距透鏡、可變階數(shù)渦旋光束發(fā)生器及可變偏折角超表面等，為光學(xué)調(diào)控技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。
2、盡管超表面可調(diào)諧光學(xué)器件在光學(xué)調(diào)控領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，現(xiàn)有技術(shù)仍面臨功能單一、調(diào)諧方式受限等挑戰(zhàn)。當(dāng)前大多數(shù)可調(diào)諧超表面器件僅能實(shí)現(xiàn)單一光學(xué)功能，缺乏多功能協(xié)同能力，難以滿足復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的多樣化需求。此外，現(xiàn)有超表面調(diào)控方法主要依賴離散狀態(tài)切換，例如基于相變材料的突變調(diào)控或有限狀態(tài)調(diào)整，難以實(shí)現(xiàn)高精度、平滑的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。因此，如何設(shè)計(jì)一種兼具多功能集成、高精度調(diào)控與連續(xù)可調(diào)能力的光學(xué)超表面器件，已成為該領(lǐng)域亟待解決的核心問(wèn)題之一。
3、也就是說(shuō)，目前基于相變超表面的偏振器件存在的以下技術(shù)問(wèn)題：
4、(1)功能單一，難以多功能集成：當(dāng)前大多數(shù)超表面可調(diào)諧光學(xué)器件僅能實(shí)現(xiàn)單一光學(xué)功能，缺乏多功能協(xié)同能力，難以適應(yīng)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的需求。
5、(2)調(diào)諧方式受限，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)：目前許多超表面調(diào)控方法依賴離散狀態(tài)的切換，例如相變材料在晶態(tài)與非晶態(tài)之間的突變，或某些調(diào)控機(jī)制導(dǎo)致的有限狀態(tài)調(diào)整，難以實(shí)現(xiàn)高精度、平滑的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷并實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
2、本文提出了一種集成了雙功能的可調(diào)諧光學(xué)超表面器件及設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)基于級(jí)聯(lián)超表面，充分利用其對(duì)光波調(diào)控的高自由度，以機(jī)械調(diào)諧的方式，通過(guò)調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)超表面的相對(duì)位移實(shí)現(xiàn)了雙功能如變焦透鏡與光束動(dòng)態(tài)掃描的連續(xù)可調(diào)。
3、進(jìn)一步的，基于廣義斯涅爾定律，超表面可以對(duì)入射光的相位進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)波前的精確控制以達(dá)到預(yù)期功能諸如聚焦或者偏折等。具體而言，通過(guò)精確設(shè)計(jì)雙層超表面各自結(jié)構(gòu)單元的尺寸，使超表面的初始相位分布滿足目標(biāo)功能所需的相位輪廓。隨后，將兩種功能集成至x、y兩個(gè)正交偏振態(tài)下，通過(guò)調(diào)節(jié)雙層超表面之間的相對(duì)水平位移，實(shí)現(xiàn)高精度的連續(xù)功能調(diào)諧。
4、進(jìn)一步的，級(jí)聯(lián)超表面的總相位在x偏振下應(yīng)符合動(dòng)態(tài)的功能相位1。在本發(fā)明中，x偏振下的功能1以光束動(dòng)態(tài)掃描功能為例，即在級(jí)聯(lián)超表面發(fā)生相對(duì)位移時(shí)超表面應(yīng)具備不同的偏折相位，使不同位移下超表面可以使光發(fā)生與位移相關(guān)的、不同程度的偏折。為了達(dá)到預(yù)期的動(dòng)態(tài)偏折相位，上下兩層超表面相位相反且各自符合以超表面的xy平面中納米柱所處坐標(biāo)為自變量的特定二次函數(shù)輪廓。在此狀態(tài)下，級(jí)聯(lián)超表面之間的相對(duì)位移調(diào)控的是光束動(dòng)態(tài)掃描角度的變化，超表面整體將扮演空間光束動(dòng)態(tài)掃描器。
5、相應(yīng)地，在y偏振光入射條件下，級(jí)聯(lián)超表面的總相位應(yīng)符合動(dòng)態(tài)的功能相位2。在本發(fā)明中，y偏振下的功能2以變焦透鏡功能為例，即在級(jí)聯(lián)超表面發(fā)生相對(duì)位移時(shí)超表面應(yīng)具備不同的聚焦相位，使不同位移下超表面可以使光發(fā)生與位移相關(guān)的、不同焦距的聚焦效果。為了達(dá)到預(yù)期的動(dòng)態(tài)聚焦相位，本發(fā)明所設(shè)計(jì)超表面對(duì)入射光所表現(xiàn)出來(lái)的相位響應(yīng)需符合alvarez透鏡的相位輪廓(一種特定的二元三次函數(shù))，且上下兩層的相位輪廓需符合兩片鏡片發(fā)生過(guò)位置偏移之后的alvarez透鏡，以保證在無(wú)位移狀態(tài)下超表面就可以對(duì)入射光起到聚焦光束的作用。在y偏振光入射時(shí)，級(jí)聯(lián)超表面之間的相對(duì)位移調(diào)控的是焦距變化，在此狀態(tài)下，超表面整體表現(xiàn)為連續(xù)可變焦的超透鏡。
6、進(jìn)一步的，所述超表面使用傳播相位進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)結(jié)合上下兩層超表面的相位公式，與不同尺寸的納米柱的相位使用優(yōu)化算法進(jìn)行匹配。
7、進(jìn)一步的，在對(duì)所設(shè)計(jì)的級(jí)聯(lián)超表面相位與納米柱相位進(jìn)行匹配時(shí)，超表面在x、y偏振下相位的權(quán)重相等并大于超表面在x、y偏振下的透射率權(quán)重。
8、依托前述技術(shù)方案，本發(fā)明相較現(xiàn)有技術(shù)，在以下方面體現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)：
9、1、本發(fā)明相較于其他基于超表面的可調(diào)諧光學(xué)器件，在功能集成度方面顯著提升，突破了傳統(tǒng)超表面器件單一或有限調(diào)控能力的局限性。該器件具備雙功能調(diào)諧特性，能夠在雙層超表面的相對(duì)位移控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦焦距或者光束動(dòng)態(tài)掃描角度的任意控制，從而滿足多場(chǎng)景、高性能的光學(xué)應(yīng)用需求。
10、2、本發(fā)明所研究的可調(diào)諧光學(xué)器件具備連續(xù)、高精度的動(dòng)態(tài)調(diào)諧特性，能夠突破傳統(tǒng)固定光學(xué)器件的局限性，實(shí)現(xiàn)靈活可控的光場(chǎng)調(diào)制。其核心調(diào)控機(jī)制基于雙層超表面結(jié)構(gòu)，通過(guò)精確調(diào)節(jié)兩層超表面的相對(duì)位移，可在亞波長(zhǎng)尺度上對(duì)光學(xué)特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦焦距或光束動(dòng)態(tài)掃描角度的同步、連續(xù)可調(diào)。這一特性使得器件能夠在不依賴額外光學(xué)元件的情況下，實(shí)現(xiàn)高效的光束操控，為超緊湊光學(xué)系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)成像、自適應(yīng)光學(xué)和光通信等領(lǐng)域提供了全新的技術(shù)方案。
1.一種基于級(jí)聯(lián)超表面的雙功能可調(diào)諧光學(xué)器件及設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述可調(diào)諧光學(xué)器件由上下兩層超表面級(jí)聯(lián)而成，上下兩層超表面的基底與單元晶胞陣列以空氣間隔為軸上下對(duì)稱。所述可調(diào)諧光學(xué)器件由上到下排布依次為上層基底，不同尺寸的上層若干納米柱、空氣間隔、不同尺寸的下層若干納米柱、下層基底。級(jí)聯(lián)超表面的總相位在偏振態(tài)1下表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)的功能相位1，在偏振態(tài)2下表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)的功能相位2。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于級(jí)聯(lián)超表面的雙功能可調(diào)諧光學(xué)器件及設(shè)計(jì)方法，其特征在于，調(diào)諧方式為機(jī)械調(diào)諧，通過(guò)控制雙層超表面之間的相對(duì)位移來(lái)調(diào)控雙功能，且所述可調(diào)諧光學(xué)器件在兩種偏振態(tài)下的功能相位都是與位移相關(guān)的動(dòng)態(tài)相位。
3.一種基于級(jí)聯(lián)超表面的雙功能可調(diào)諧光學(xué)器件及設(shè)計(jì)方法，其特征在于，當(dāng)入射光為x偏振光時(shí)，所述可調(diào)諧光學(xué)器件可以實(shí)現(xiàn)-90°～90°的180°全方位光束動(dòng)態(tài)掃描；入射光為y偏振光時(shí)，所述可調(diào)諧光學(xué)器件為可定制最高焦距的變焦透鏡。
4.如權(quán)利要求3所述的一種基于級(jí)聯(lián)超表面的雙功能可調(diào)諧光學(xué)器件及設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述級(jí)聯(lián)超表面的總相位在x偏振下應(yīng)符合動(dòng)態(tài)的偏折相位，即在級(jí)聯(lián)超表面發(fā)生相對(duì)位移時(shí)超表面應(yīng)具備不同的偏折相位，使不同位移下超表面可以使光發(fā)生與位移相關(guān)的、不同程度的偏折，上下兩層超表面相位相反且各自符合以超表面的xy平面中納米柱所處坐標(biāo)為自變量的特定二次函數(shù)輪廓。
5.如權(quán)利要求3所述的一種基于級(jí)聯(lián)超表面的雙功能可調(diào)諧光學(xué)器件及設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述級(jí)聯(lián)超表面的總相位在y偏振表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)的聚焦相位即alvarez透鏡的相位輪廓(一種特定的二元三次函數(shù))，可以在不同相對(duì)位移時(shí)實(shí)現(xiàn)不同焦距的聚焦效果。在y偏振光正入射情況下，級(jí)聯(lián)超表面之間的相對(duì)位移調(diào)控的是焦距變化，在此狀態(tài)下，超表面整體表現(xiàn)為連續(xù)可變焦的超透鏡。
6.如權(quán)利要求3所述的一種基于級(jí)聯(lián)超表面的雙功能可調(diào)諧光學(xué)器件及設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在處于y偏振光正入射、無(wú)位移狀態(tài)的條件下，上下兩層的相位輪廓需符合兩片鏡片發(fā)生過(guò)位置偏移之后的alvarez透鏡，以保證在無(wú)位移狀態(tài)下超表面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的聚焦作用。
7.如權(quán)利要求3所述的一種基于級(jí)聯(lián)超表面的雙功能可調(diào)諧光學(xué)器件及設(shè)計(jì)方法，其特征在于，通過(guò)控制相對(duì)位移由負(fù)轉(zhuǎn)正實(shí)現(xiàn)-90°～90°的光束動(dòng)態(tài)掃描，而變焦透鏡功能的調(diào)節(jié)只能通過(guò)控制一個(gè)方向的相對(duì)位移，在相反的相對(duì)位移下超表面所實(shí)現(xiàn)的聚焦焦點(diǎn)變?yōu)榉瓷淇臻g下的焦點(diǎn)。
8.一種基于級(jí)聯(lián)超表面的雙功能可調(diào)諧光學(xué)器件及設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述可調(diào)諧光學(xué)器件的雙功能切換由光源后所添加的線偏振器所實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)控制線偏振器的偏振角，使經(jīng)過(guò)的入射光在x、y偏振光狀態(tài)下出射，本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的可調(diào)諧光學(xué)器件即可在光束動(dòng)態(tài)掃描、變焦透鏡兩個(gè)功能之間自由切換。