[发明专利]偏振阶数可调且可连续变焦的柱矢量光束透镜及构造方法

说明书

本发明提供一种偏振阶数可调且可连续变焦的柱矢量光束透镜，包括两片级联的超表面阵列，每片超表面阵列包括多个纳米砖结构单元，纳米砖结构单元包括工作面以及设置在工作面上的纳米砖；用线偏振光入射级联的两片超表面阵列时产生柱矢量光束；以线偏振光入射时，固定第一片超表面阵列，绕光轴旋转第二片超表面阵列，实现出射柱矢量光束的偏振阶数连续调节和连续变焦；本发明还提供上述柱矢量光束透镜的构造方法，该方法根据偏振阶数调节范围确定纳米砖转向角排布，根据焦距调节范围和精度确定纳米砖尺寸参数的排布。本发明可以实现任意阶数柱矢量光束的产生和连续变焦，解决目前柱矢量光束生成中光学系统复杂、难以连续变焦等问题。

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，具体涉及一种偏振阶数可调且可连续变焦的柱矢量光束透镜及其构造方法。

背景技术

矢量光束是指偏振态在空间非均匀分布的光束。柱矢量光束是矢量光束中最为特殊的一类，其偏振态在横截面上呈轴对称分布。由于坐标原点处偏振奇点的存在，柱矢量光束的光强呈环状分布。目前所采用的用于产生柱矢量光束的主动法和被动法普遍存在的主要缺陷在于光学系统复杂、稳定性差以及成本高等，且对于产生的柱矢量光束的偏振阶数的调节往往涉及多个光学元件的调节。

柱矢量光束由于其偏振特性在激光切割、光信息处理、光学存储、粒子俘获与控制、高分辨成像等领域具有巨大应用价值。在柱矢量光束的实际应用中，需要更简便的方法来产生偏振阶数动态可调的柱矢量光束，同时对柱矢量光束实现在不同距离上的聚焦也是其能够得到广泛应用的一个重要保证。如何能产生偏振阶数动态可调且实现不同距离上的聚焦是目前柱矢量光束的一个研究热点，目前还没有行之有效的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种偏振阶数可调且可连续变焦的柱矢量光束透镜，以解决现有技术中存在的柱矢量光束生成光学系统复杂、装调要求高、稳定性差、成本高、偏振阶数难以动态调节、难以实现连续变焦等技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种偏振阶数可调且可连续变焦的柱矢量光束透镜，其特征在于，包括两片级联的超表面阵列，每片超表面阵列包括多个纳米砖结构单元，所述纳米砖结构单元包括工作面以及设置在工作面上的纳米砖，同一片超表面阵列上的纳米砖结构单元的尺寸参数不尽相同；

采用线偏振光入射级联的两片超表面阵列时产生柱矢量光束；

在以线偏振光入射时，固定第一片超表面阵列，绕光轴旋转第二片超表面阵列，实现出射柱矢量光束的偏振阶数连续调节和连续变焦。

进一步地，在初始状态下，两片超表面阵列上相同位置处对应的纳米砖结构单元的纳米砖转向角相同但纳米砖结构单元的传输相位不同。

进一步地，每个纳米砖结构单元的功能均等效为微纳半波片，且同一片超表面阵列上的所有纳米砖结构单元的纳米砖高度相同，不同纳米砖的边L_x和边L_y有所不同，不同尺寸参数的纳米砖结构单元的传输相位不同。

本发明的另一个目的是提供一种上述的偏振阶数可调且可连续变焦的柱矢量光束透镜的构造方法，包括如下步骤：

1)在工作波长下优化得到功能等效为微纳半波片且具有多台阶传输相位的纳米砖结构单元的多组尺寸参数，每组尺寸参数对应一相位传输值；