一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面

本发明属于可调电磁超构器件领域。

背景技术：

1、电磁超材料技术是对无源微纳结构材料的电磁响应进行工程设计的一种手段，可以实现对电磁波场振幅、相位和偏振等属性的单一或多重调控。可调材料的应用极大地丰富和推动了太赫兹可调器件的发展，近年来，微纳加工工艺的快速发展与新效应极大地推动了太赫兹调制器件的小型化与集成化，以实现器件更加复杂的功能。一方面这些光束独特的衍射特性和光场分布还有待研究，能很好地弥补太赫兹技术在实际应用中存在的不足，另一方面，人们需要高质量，多样化的结构光束产生器件，特别是定制化的工程设计方案以及可调结构光束器件还有待设计。

2、结合几何相位超表面的传统涡旋光束产生器件是使用最多的涡旋光束产生方式，但是存在不具有可调性的问题，当超表面图案被最终确定下来时，该超表面能够调制形成的光场分布也随之确定，无法改变。专利号为cn202111561164.8的“一种双完美涡旋光束超表面发生器”中实现了光学波段完美涡旋光束的产生，并不具有可调谐性，不能实现涡旋光束和完美涡旋光束的切换，而且采用全介质超表面方案加工难度较大。专利号为cn202010648859.9的“一种相位可控的超薄亚太赫兹涡旋矢量光束生成器的设计方法”中使用了双层金属层加介质层的方法生成太赫兹涡旋矢量光束，但需要两次光刻，并且存在对准问题，加工过程有待进一步优化，并且该方案也不具备可调谐性。使得定制化的工程设计方案的系统冗余度小，实现其他功能则需要对器件进行重新设计。若想实现多功能则需要数量众多的器件并且系统复杂。

3、使用液晶的折射率梯度工程可以构建丰富的太赫兹波段相位调控器件，但是由于相位调制范围限制了液晶厚度的下限。较大的厚度结合液晶的弹性特性与电效应直接限制了液晶层的相位采样精度，因而难以采用单一图案化电极驱动液晶层形成较高精度结构光束。采用均匀电极液晶层对于超表面的调制能力有限，无法完成复杂光场超构表面的调制。专利号为cn201821491010.x的“一种液晶移相器及基于其的电磁波调控透镜”利用折射率梯度进行相位调控需要与之配套的较为复杂的多路液晶电控电路，实际进行调控时误差较大，会导致调控光场出现畸变。

技术实现思路

1、本发明是为了解决在超表面图案被确定后不具有可调性，而采用折射率梯度又存在液晶厚度受限的问题，现提供一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面。

2、一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，包括依次层叠设置的金属超表面、固定相位液晶移相部分和电控液晶移相部分；

3、所述金属超表面用于将左旋圆偏振光调制成右旋圆偏振光；

4、所述固定相位液晶移相部分用于将所述右旋圆偏振光调制成y偏振光；

5、所述电控液晶移相部分用于在受到电压驱动时使液晶随电场发生偏转，进而调整所述y偏振光经过所述电控液晶移相部分后生成光束中l阶涡旋光束与完美涡旋光束的比例，l为拓扑荷数。

6、进一步的，上述电控液晶移相部分包括：图案化透明电极层、均匀透明电极层、两层一号聚酰亚胺取向层和电控液晶层，

7、所述两层一号聚酰亚胺取向层分别固定在所述电控液晶层两侧，所述图案化透明电极层和均匀透明电极层分别固定在所述两层一号聚酰亚胺取向层的外侧。

8、进一步的，上述图案化透明电极层包括：图案化电极、电极导线和矩形电极，

9、所述图案化电极包括多个同心嵌套固定的圆环电极和一个位于同心圆环中心的圆形电极，所述电极导线将所有圆环电极和圆形电极与所述矩形电极相连。

10、进一步的，上述图案化透明电极层为30nm～100nm厚的pedot:pss太赫兹透明电极层；

11、所述均匀透明电极层为30nm～100nm厚的pedot:pss太赫兹透明电极层。

12、进一步的，上述固定相位液晶移相部分包括：两层二号聚酰亚胺取向层和固定液晶层，所述两层二号聚酰亚胺取向层分别固定在所述固定液晶层的两侧。

13、进一步的，上述电控液晶层和所述固定液晶层均为向列液晶层，

14、当双折射率为0.35时，所述电控液晶层的厚度为200um、且液晶双折射相移为π；所述固定液晶层的厚度为100um、且液晶双折射相移为π/2。

15、进一步的，上述一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，还包括三层石英基底，其中一层石英基底位于固定相位液晶移相部分和电控液晶移相部分之间，剩余两层石英基底金属超表面和电控液晶移相部分外侧。

16、进一步的，上述石英基底为厚度是500um熔融石英基底。

17、进一步的，上述金属超表面为谐振条结构，谐振条的长为30um～40um，宽为10um，单元周期为50um～60um。

18、进一步的，上述谐振条结构遵循的相位分布如下式：

19、

20、其中，d为相位参数，phase表示相位分布，exp(·)表示指数函数，i为虚数单位，为极坐标角度。

21、本发明所述的一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面有益效果如下：

22、本发明面向太赫兹结构光束调制器件小型化与集成化需求，仅由双层液晶盒结构与额外的一层超表面即可实现，加工工艺较为简单，提升了器件的集成度，具有可调性且生成的涡旋光束的精度高。即采用较为简单的结构实现了涡旋光束转换，能够简化相关光学系统。

23、本发明利用图案化刻蚀工艺制备太赫兹图案化透明电极层，并在通电后实现特定的光场分布。需要的驱动电路简单，器件制备工艺与半导体工艺兼容，费用低，切换效率高。

24、本发明控制方法简单，无需复杂电路设计，采用单一供电电压就可以完成复杂光场超构表面的调制。

技术特征：

1.一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，其特征在于，包括依次层叠设置的金属超表面、固定相位液晶移相部分和电控液晶移相部分；

2.根据权利要求1所述的一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，其特征在于，所述电控液晶移相部分包括：图案化透明电极层、均匀透明电极层、两层一号聚酰亚胺取向层和电控液晶层，

3.根据权利要求2所述的一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，其特征在于，所述图案化透明电极层包括：图案化电极、电极导线和矩形电极，

4.根据权利要求3所述的一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，其特征在于，所述图案化透明电极层为30nm～100nm厚的pedot:pss太赫兹透明电极层；

5.根据权利要求2所述的一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，其特征在于，所述固定相位液晶移相部分包括：两层二号聚酰亚胺取向层和固定液晶层，所述两层二号聚酰亚胺取向层分别固定在所述固定液晶层的两侧。

6.根据权利要求5所述的一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，其特征在于，所述电控液晶层和所述固定液晶层均为向列液晶层，

7.根据权利要求1或5所述的一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，其特征在于，还包括三层石英基底，其中一层石英基底位于固定相位液晶移相部分和电控液晶移相部分之间，剩余两层石英基底金属超表面和电控液晶移相部分外侧。

8.根据权利要求7所述的一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，其特征在于，所述石英基底为厚度是500um熔融石英基底。

9.根据权利要求1或5所述的一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，其特征在于，所述金属超表面为谐振条结构，谐振条的长为30um～40um，宽为10um，单元周期为50um～60um。

10.根据权利要求9所述的一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，其特征在于，所述谐振条结构遵循的相位分布如下式：

技术总结一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，涉及可调电磁超构器件领域。本发明是为了解决在超表面图案被确定后不具有可调性，而采用折射率梯度又存在液晶厚度受限的问题。本发明所述的一种用于涡旋光束转换的可调电磁超构表面，包括依次层叠设置的金属超表面、固定相位液晶移相部分和电控液晶移相部分；金属超表面用于将左旋圆偏振光调制成右旋圆偏振光；固定相位液晶移相部分用于将所述右旋圆偏振光调制成y偏振光；电控液晶移相部分用于在受到电压驱动时使液晶随电场发生偏转，进而调整所述y偏振光经过电控液晶移相部分后生成光束中l阶涡旋光束与完美涡旋光束的比例。技术研发人员：李立,刘辰翔,王宇,田浩,王冠超,闫飞,周子靖受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17