艾里光束产生装置及焦点位置的调控方法、超构表面系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种艾里光束产生装置及焦点位置的调控方法、超构表面系统。

背景技术

艾里光束具有自聚焦、自愈合，以及传播过程中不发生明显衍射的特点，其被广泛应用于各个领域。然而，相关技术中并无法灵活调整艾里光束焦点的位置，使其应用领域受限。

发明内容

本发明实施例提供一种可调整艾里光束焦点位置的艾里光束产生装置及焦点位置的调控方法、超构表面系统。

本发明实施例的艾里光束产生装置，其特征在于，包括多片叠置的超构表面，所述超构表面用于将入射光调整为艾里光束；每个所述超构表面具有相对设置的入光面和出光面，相邻的其中一个所述超构表面的所述入光面与另一个所述超构表面的所述出光面面对面设置；

至少一个所述超构表面能够绕其轴线可旋转地设置，使得多片所述超构表面的相对转角改变，以调节所述艾里光束的焦点位置。

根据本发明的一些实施方式，每个所述超构表面包括基底以及覆盖在所述基底一侧表面的多个呈阵列布置的纳米天线，多个所述纳米天线用于调控入射光的相位；

所述基底背离多个所述纳米天线的一侧表面形成所述入光面，多个所述纳米天线形成所述出光面；或，所述多个所述纳米天线形成所述入光面，所述基底背离多个所述纳米天线的一侧表面形成所述出光面。

根据本发明的一些实施方式，每个所述纳米天线为多边体或圆柱体。

根据本发明的一些实施方式，每个所述纳米天线为实心结构或空心结构。

根据本发明的一些实施方式，所述艾里光束产生装置包括两片所述超构表面，用于实现所述艾里光束的焦点位置的全平面调控，所述艾里光束产生装置的相位分布满足以下公式：

P

P

P

P

其中，P

根据本发明的一些实施方式，所述艾里光束产生装置包括三片所述超构表面，用于实现所述艾里光束的焦点位置的全空间调控，所述艾里光束产生装置的相位分布满足以下公式：

P

P

P

P

P

P

其中，P

本发明实施例的光学系统，包括上述任一项所述的艾里光束产生装置。

本发明实施例的艾里光束的焦点位置的调控方法，包括：

提供多片叠置的超构表面，所述超构表面用于将入射光调整为艾里光束；每个所述超构表面具有相对设置的入光面和出光面，相邻的其中一个所述超构表面的所述入光面与另一个所述超构表面的所述出光面面对面设置；以及

旋转至少一个所述超构表面，使得多片所述超构表面的相对转角改变，以调节所述艾里光束的焦点位置。

根据本发明的一些实施方式，所述艾里光束产生装置包括两片所述超构表面；所述方法还包括：

按照如下公式设计所述艾里光束产生装置的相位分布，以实现所述艾里光束的焦点位置的全平面调控，

P

P

P

P

其中，P

根据本发明的一些实施方式，所述艾里光束产生装置包括三片所述超构表面；所述方法还包括：

按照如下公式设计所述艾里光束产生装置的相位分布，以实现所述艾里光束的焦点位置的全空间调控，

P

P

P

P

P

P

其中，P

上述发明中的一个实施例至少具有如下优点或有益效果：

本发明实施例的艾里光束产生装置，利用超构表面灵活操控入射光振幅、相位、偏振的特性，通过调整不同超构表面的转角，实现对入射光的不同调制，从而达到灵活操作艾里光斑在空间中的位置。通过旋转超构表面的方式实现艾里光束焦点位置的调节，极大地压缩了空间占比，有利于提高集成度。

附图说明

图1示出的是本发明实施例的艾里光束产生装置的成像光线路径图。

图2示出的是通过旋转超构表面而获得不同艾里光束的焦点位置的示意图。

图3示出的是本发明实施例的超构表面的俯视图。

图4A至图4D示出的是本发明实施例的不同结构的纳米天线的示意图。

图5A至图5F示出的是两片超构表面处于不同转角下，艾里光斑的位置。

其中，附图标记说明如下：

100、艾里光束产生装置

1、超构表面

1a、第一超构表面

1b、第二超构表面

11、入光面

12、出光面

21、基底

221、纳米天线

L、轴线

F1/F2/F3、焦点

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

如图1所示，图1示出的是本发明实施例的艾里光束产生装置100的成像光线路径图。本发明实施例提供一种艾里光束产生装置100，艾里光束产生装置100包括多片叠置的超构表面1，超构表面1用于将入射光调整为艾里光束。每个超构表面1具有相对设置的入光面11和出光面12，相邻的其中一个超构表面1的入光面11与另一个超构表面1的出光面12面对面设置。至少一个超构表面1能够绕其轴线L可旋转地设置，使得多片超构表面1的相对转角改变，以调节艾里光束的焦点位置。

可以理解的是，本发明实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或组件。

本发明实施例的艾里光束产生装置100，利用超构表面1灵活操控入射光振幅、相位、偏振的特性，通过调整不同超构表面1的转角，实现对入射光的不同调制，从而达到灵活操作艾里光斑在空间中的位置。

需要说明的是，本发明实施例的艾里光束产生装置100可应用于多种领域，包括但不限于光信息处理、激光加工、医学领域、生物领域等。

可以理解的是，本发明实施例的艾里光束产生装置100的超构表面1的数量可以为两个、三个或三个以上。

在本实施例中，艾里光束产生装置100包括两个超构表面1，分别为第一超构表面1a和第二超构表面1b。第一超构表面1a具有相对设置的入光面11和出光面12，第二超构表面1b具有相对设置的入光面11和出光面12。入光面11用于接收光线，出光面12用于射出光线。

第一超构表面1a的出光面12与第二超构表面1b的入光面11面对面设置，使得入射光能够依次穿过第一超构表面1a的入光面11和出光面12、第二超构表面1b的入光面11和出光面12。

可以理解的是，多片超构表面1的形状和尺寸可以是相同的，也可以是不同的。在本实施例中，第一超构表面1a和第二超构表面1b均为圆形，且尺寸相同。

多片超构表面1可以是共轴线L设置。在本实施例中，第一超构表面1a和第二超构表面1b的轴线L重合设置，也就是说，第一超构表面1a和第二超构表面1b完全重合。

可以理解的是，超构表面1是由亚波长的微结构通过周期性或非周期性排列构成。

结合图1和图2所示，图2示出的是通过旋转超构表面而获得不同艾里光束的焦点位置的示意图。当入射光入射到本发明实施例的装置后，第一超构表面1a和第二超构表面1b对入射光的相位进行调控，进而将入射光精细调整为艾里光束。当调整第一超构表面1a和第二超构表面1b的相对转角时，本发明的装置对于入射光的调控也随之改变，则艾里光束的焦点位置也会随之改变(图2示出了三个不同的艾里光束的焦点F1/F2/F3)。那么，通过合理设计第一超构表面1a和第二超构表面1b的结构，则可实现艾里光斑在全平面位置的调控。

可以理解的是，调整第一超构表面1a和第二超构表面1b的相对转角可以通过如下方式：例如旋转第一超构表面1a，或旋转第二超构表面1b，再或者，沿着相反方向同时旋转第一超构表面1a和第二超构表面1b。

作为一示例，艾里光束产生装置100包括两片超构表面1，用于实现艾里光束的焦点位置的全平面调控，艾里光束产生装置100的相位分布满足以下公式：

P

P

P

P

其中，P

举例来说，如图5A至图5F示出的是两片超构表面处于不同转角下，艾里光斑的位置。其中，设计参数a＝220，b＝-3876，入射光波长＝532nm。横轴x和纵轴y是平面内的坐标。其中从入射光的方向观察，梯度相位P1是逆时针转，梯度相位P2是顺时针转。

如图5A至图5F，两片超构表面相对转角的绝对值分别为0rad、π/5rad、2π/5rad、3π/5rad、4π/5rad、πrad。由此可以看出，通孔调控两片超构表面的相对转角，可使艾里光斑的位置在全平面内移动。

需要补充说明的是，P1是一个梯度相位，P2是梯度相位和一个产生艾里光斑相位的和。梯度相位可以使光斑在其梯度方向上移动一段距离，距离的大小和常数a有关。艾里光斑的焦点原本在中心，但是两个独立调控的梯度相位便可以使艾里光斑在平面任意方向移动，从而偏离中心一段距离。

作为另一示例，艾里光束产生装置100包括三片超构表面1，用于实现艾里光束的焦点位置的全空间调控，艾里光束产生装置100的相位分布满足以下公式：

P

P

P

P

P

P

其中，P

如图3、图4A至图4D所示，图3示出的是本发明实施例的超构表面的俯视图。图4A至图4D示出的是本发明实施例的不同结构的纳米天线221的示意图。每个超构表面1包括基底21以及覆盖在基底21一侧表面的多个呈阵列布置的纳米天线221，多个纳米天线221用于调控入射光的相位。基底21背离多个纳米天线221的一侧表面形成入光面11，多个纳米天线221形成出光面12。当然，在一些实施方式中，多个纳米天线221形成入光面11，基底21背离多个纳米天线221的一侧表面形成出光面12亦可。

针对不同的入射光波长，在超构表面的不同位置设计不同尺寸和/或不同形状的纳米天线221，通过尺度的差异来达到操控入射波波前的目的。当特定频率的平面电磁波入射到设计好的纳米天线221处，经过纳米天线221的调制，就可以使出射的电磁波获得所需要的相位。与此同时，所设计的纳米天线221结构不能对电磁波的透射具有太过强烈的影响，否则会严重减小超构表面的效率。这样，从相位的角度来讲，超构表面1可以达到对电磁波进行任意调控。

每个纳米天线221可以为任意结构，每个纳米天线221皆可灵活操控入射光的相位。

如图4A所示，纳米天线221为多边体。在本实施例中，纳米天线221为长方体，且该纳米天线221向基底21上的正投影的形状为矩形。当然，该正投影还可以为其他形状，例如三角形、五边形、六边形等。

如图4B所示，纳米天线221为圆柱体，该纳米天线221向基底21上的正投影的形状为圆形。

当然，纳米天线221还可以为圆台形、球形或半球形等，此处不再一一列举。

如图4C所示，纳米天线221还可以包括多个结构构成一个单元。在本实施例中，纳米天线221包括两个长方体结构，两个长方体结构构成一个纳米天线221单元。

上述实施例中的纳米天线221均为实心结构，如图4D所示，纳米天线221也可以为空心结构。作为一示例，纳米天线221为具有空心结构的圆柱形，但不应以此为限，例如纳米天线221还可以为具有空心结构的多边体。

本发明的另一方面，还提供一种光学系统，包括上述任一实施例的艾里光束产生装置100。

由于包括上述任一实施例的艾里光束产生装置100，故本发明实施例的光学系统具有上述任一实施方式的所有优点和有益效果，此处不再赘述。

可以理解的是，本发明实施例的光学系统可以为光信息处理装置、激光加工装置等。

本发明的再一方面，还提供一种艾里光束的焦点位置的调控方法，包括：

提供多片叠置的超构表面1，超构表面1用于将入射光调整为艾里光束；每个超构表面1具有相对设置的入光面11和出光面12，相邻的其中一个超构表面1的入光面11与另一个超构表面1的出光面12面对面设置；

旋转至少一个超构表面1，使得多片超构表面1的相对转角改变，以调节艾里光束的焦点位置。

可以理解的是，本发明提供的各个实施例/实施方式在不产生矛盾的情况下可以相互组合，此处不再一一举例说明。

在发明实施例中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。

发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对发明实施例的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为发明实施例的优选实施例而已，并不用于限制发明实施例，对于本领域的技术人员来说，发明实施例可以有各种更改和变化。凡在发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明实施例的保护范围之内。