基于二维电介质超表面的柱矢量光束偏振阶数调控

超表面在柱矢量光束(CVB)产生方面具有效率高、器件精巧等优势,被广泛用于CVB产生及相关应用,但是该方法存在一个比较大的缺点:超表面的结构是固定的,因此生成的CVB的阶数是不可调的。为了解决该问题,在1550 nm波段实验证明了一种通过模式的加减操作来高效调控CVB偏振阶数的方法。通过将两块超表面级联在一起,实现了CVB偏振阶数的减法运算;在两块超表面之间插入一块半波片,通过反转CVB偏振阶数,实现了CVB偏振阶数的加法运算。最终实现了在-8~8范围内以2为步长的CVB偏振阶数调控操作,实验结果与Jones矩阵的计算结果完全吻合。

用宽带超表面产生阵列贝塞尔光束

通过在空间光调制器(SLM)上加载相位图或通过光刻加工微型圆锥状结构可以产生贝塞尔光束阵列。然而,典型空间光调制器具有比波长大一个数量级的像素尺寸,这限制了相位梯度的可用范围,用光刻法加工的微型锥透镜的顶端不是标准的圆锥,这影响了贝塞尔光束的质量。为了克服这些缺点,将复杂的相位图加载到电介质超表面上,设计了一种可以产生阵列贝塞尔光束(在波长700 nm处,NA=0.3)的超表面器件。该器件可以宽波段工作,其单元结构在波长580~800 nm范围内的偏振转换效率均超过57%。利用时域有限差分算法(FDTD)对该器件(厚度为380 nm,直径仅为40μm)进行了仿真,所产生的阵列光束都垂直于超表面器件。所提出的阵列贝塞尔光束发生器具有纳米级别的厚度和几十微米的直径,这对于未来的集成光学领域具有很大的应用前景。

宽带电磁涡旋的设计和实现

提出了基于反射型电介质超表面的宽带电磁涡旋波束发生器,它工作在53～70 GHz频段范围内,相对带宽达到了27.6%。本设计采用折射率较高的电介质元件位于低折射率基板上。超表面能够引起反射波和入射波之间的偏振转换。通过调整高折射率电介质元件的尺寸,可以在反射波与入射波之间获得从0到2π的相移。电介质元件尺寸的进一步适当调整可以使得不同元件之间的相位差在53～70 GHz的带宽内基本不变,从而提供产生宽带毫米波电磁涡旋的能力。应用偏振转换效率和模式频谱等品质因数来定量评估生成的电磁涡旋波束的质量。还研究了更高阶的电磁涡旋波束发生器。实验结果证明了该结构的有效性。