[发明专利]一种二维波动体系内轨道角动量的单源产生方法及产生装置

说明书

本发明公开了一种二维波动体系内轨道角动量的单源产生方法及产生装置，包括确定二维腔体的几何形状、轨道角动量的目标阶数、波源的位置和工作频率，设置腔体的反射边界和自由边界；根据理论推导的判据计算整个边界所需要的连续相位分布，再根据波源与腔体的位置关系，补偿由于传播距离差异而引入的相位延迟，并设计相应的微结构功能单元作为腔体边界条件任意操控的实际实现手段。本发明实现了线动量到轨道角动量的直接高效转化，对于任意形状、任意大小的非规则腔均可使用本发明进行边界设计并高效地引入轨道角动量。

技术领域

本发明涉及物理学领域，特别是涉及一种二维波动体系内轨道角动量的单源产生方法和产生装置。

背景技术

具有螺旋形相位位错的涡旋场所携带的轨道角动量由于其独特的物理性质在近年来受到了极大的关注。以一典型特征为例，携带轨道角动量的声/光/电子镊子和扳手通过波-物质的相互作用可以对微小粒子无接触的施加一个扭转的力矩进而实现物质的旋转和捕获操控，在生物物理和医学治疗等领域表现出巨大的应用潜力。此外，充当信息载体的轨道角动量为信号的多路复用和分解提供了一个全新的自由度，有效的扩充了声波、光波和无线电波通信中的信道容量。不同于三维自由空间，二维体系中的轨道角动量由于其独特的物理属性在面上操控和光子芯片等领域展现出更大的优势。然而，一个空间维度的减少并没有导致轨道角动量产生方法的简化，现有方法根据入射源所在的空间维度可以分为面外产生和面内产生两种。面外产生通常需要一个三维的涡旋束垂直的照射在目标平面上，然而这个附加的维度不可避免的导致了系统设计和器件封装的复杂化，不利于高密度平面器件的集成。不需要三维涡旋的面内产生办法则依赖于大量呈圆周排列的可独立操控的换能器阵列，通过有源相控阵技术实现轨道角动量的面内直接引入。该方法对器件的电路系统、换能器单元的数目以及器件的几何对称性都存在严格的约束。

现有的基于环形有源换能器阵列的轨道角动量的面上产生方法需要大量可独立操控的换能器单元，成本高控制电路复杂，且由于现有单元的横向尺寸一般在波长量级以上，整体器件的尺寸很大且可能在边缘处伴随混叠效应，使得在高能耗的同时有效涡旋场的转化效率反而较低。此外，轴对称的规则外形也限制了其在实际复杂环境下的兼容和应用。更为关键的是，这种环形换能器阵列编址螺旋相位引入轨道角动量的方式需要全方向的波矢分量，因此通常器件的入射源都为一会聚的柱面波，这导致其无法直接应用于自由空间和仅携带单向线动量的物理场背景下。

发明内容

发明目的：本发明的目的之一是提供一种二维波动体系内轨道角动量的单源产生方法，在二维波动体系内通过操控紧凑型非规则腔的边界条件以实现线动量到轨道角动量的直接高效转化，从而突破现有机制对系统几何对称性和换能器单元数目的高度依赖；本发明的目的之二是提供一种二维波动体系内轨道角动量的单源产生装置。

技术方案：本发明的一种二维波动体系内轨道角动量的单源产生方法，包括如下步骤：

(1)确定二维腔体的几何形状、轨道角动量的目标阶数、波源的位置和工作频率，其中，波源可以是声源或光源；本发明中的二维波动体系可以是声学领域，也可以是光学领域等一切经典波领域。

(2)设置腔体的反射边界和自由边界；反射边界指入射到该边界的波束会产生一个反向的波矢，能量全部被反射，例如在声学中通常用声学硬边界来实现声波的全反射；自由边界又称无反射边界，即在此边界处波束可以自由的通过，不产生物理反射。

(3)计算极坐标系(r，θ)下整个边界所需要的连续相位分布Φ：

上式中，θ’为自由边界所对应的圆心角，m和k分别对应轨道角动量的拓扑荷数和波矢，为m阶贝塞尔函数一阶导数的零值点。

(4)根据波源与腔体的位置关系，补偿由于传播距离差异而引入的相位延迟。