[发明专利]基于变换材料生成涡旋光束的光学器件装置和设计方法

说明书

本发明一种基于变换材料生成涡旋光束的光学器件装置和设计方法，属于变换材料和光学信号处理技术领域。本装置在均匀折射率圆柱体透镜的基础上，输入面变换为圆柱曲面的带形区域，输出面保持不变的共形变换，通过共形变换获得本装置和均匀折射率圆柱体透镜的变换关系，再利用变换材料的方法获得本装置的材料参数和折射率；所述设计方法，包括：1)对圆柱体横截面一半的矩形透镜进行共形变换Z＝exp(aW)得到二维波束弯曲器，变换前后左边界压缩，右边界保持不变；2)旋转二维波束弯曲器360度至三维波束弯曲器透镜。本装置为各向同性材料，有利于工程上的制备，本装置的设计方法在输入平面波的情况下，产生不同偏振态的圆柱矢量波和不同拓扑荷数的轨道角动量。

技术领域

本发明涉及基于变换材料生成涡旋光束的光学器件装置和设计方法，属于光学信号及变换材料技术领域。

背景技术

自2006年以来，J.B.Pendry和U.Leonhardt分别提出变换光学理论，变换光学是一种解决电磁场分布-电磁参数的反问题方法，利用Maxwell方程的形式不变性，将求解波场对应的电磁参数问题转化为几何形状设计和坐标变换参数的计算问题，即可获得相应的解。由变换光学设计、计算得到的材料称为“变换材料”。

偏振是光的一种重要的特性。高斯光束和平面波具有空间均匀偏振方向的特征，而具有偏振涡旋的圆柱矢量波的偏振在光束的中心是不确定的，从而该光束的中心是一个黑暗区域。1972年以来，提出了很多种腔内和腔外产生圆柱矢量波的方法。其中一类是腔内法，即在激光腔内直接添加特殊光学元件产生径向或角向偏振光；另一类是腔外法，如螺旋相位板法等。圆柱矢量波在很多领域中得到了广泛的应用，例如引导和捕捉粒子、粒子加速、提高显微镜的分辨率等方面的应用。轨道角动量与复电场的相结构有关，复电场具有由exp(ilθ)因子定义的螺旋相前，每个光子携带一定数量的轨道角动量lh。由于轨道角动量光束具有相位奇异性，波面呈现螺旋状，其空间剖面呈现甜甜圈式的环形，中心处强度为零。轨道角动量在许多领域的潜在应用引起了人们的极大兴趣。比如轨道角动量可以用来编码光子态；可以在生物科学和微观力学等领域实现光学操纵、捕获和镊子；轨道角动量所携带的量子信息等等。现如今携带OAM的光束可以通过很多种方法进行生成，如：天线阵列、螺旋相位板(SPP)、计算全息法、不均匀双折射装置称为“q”板、空间光调制器、超表面等等。但是这些方法需要多个系统光学元件才能完成生成涡旋光束，系统的成本和复杂性也随之增加。2018年。有研究基于变换光学的方法生成OAM，将抛物线的天线压缩为圆柱形的扁平圆，圆柱形的扁平物理域模拟一个反射后能产生涡旋光束的梯度虚拟域，但该方法产生的扁圆柱形本质上是各向异性的，这样的材料很难获得。因此后期采用各向同性的简单光学器件装置生成获得涡旋光束是十分必要的，本发明利用平面波可以产生出圆柱矢量波和不同拓扑荷数的轨道角动量。

本发明对均匀折射率的圆柱体透镜进行共形变换，变换后的透镜将输入的平面波转换为圆柱矢量波或轨道角动量，提出了一种基于变换材料(Transformation Material)生成圆柱矢量波和轨道角动量的光学器件装置和设计方法。

发明内容

本发明的目的是针对均匀折射率的圆柱体透镜在输入平面波情况下不能改变其相位分布和偏振分布的问题，提出了一种基于变换材料生成涡旋光束的光学器件装置和设计方法。该方法对均匀折射率的圆柱体透镜进行共形变换，对变换后透镜的输入面输入平面波时，平面波的偏振分布和相位分布发生变化，从而生成圆柱矢量波和不同拓扑荷数的轨道角动量；

本发明的核心思想是：利用变换介质的性质对光波进行轨迹的控制，从而引导光波按照预设的路径在光学器件中传播，当预先知道平面波在所述光学器件装置中的处理效果，即明确该光学器件的光场分布，再利用变换材料的方法确定装置的介质参数，进而达到预期的光场分布。

所述基于变换材料生成涡旋光束的光学器件装置和设计方法，包括基于变换材料生成涡旋光束的光学器件装置和装置的设计方法；其中，基于变换材料生成涡旋光束的光学器件装置，简称本装置，本装置的设计方法，简称本方法；