[发明专利]几何相位元件及其光轴设计方法和任意矢量光场产生装置

权利要求书

1.一种几何相位元件的光轴设计方法，所述几何相位元件包括微元阵列，其特征在于，所述光轴设计方法包括：

获得目标空间光强分布与目标空间二值相位分布，所述二值相位包括第一相位和第二相位；

获得所述微元阵列对应的琼斯矩阵，作为第一琼斯矩阵；

确定待调控入射光场的偏振态，作为待调控偏振态，以获得所述待调控偏振态对应的琼斯矩阵，作为第二琼斯矩阵；

确定所述微元阵列中对应微元的快慢轴之间的相对相位差值；

根据第一琼斯矩阵、所述微元阵列中对应微元的快慢轴之间的相对相位差值以及第二琼斯矩阵，获得调控后出射光场的琼斯矩阵，作为第三琼斯矩阵；

通过对所述第三琼斯矩阵进行偏振滤波，获得所述调控后出射光场的电矢量；根据所述目标空间光强分布与所述调控后出射光场的电矢量，基于所述微元阵列中的微元坐标，获得所述微元阵列中每个微元对应的光轴第一指向和光轴第二指向；其中，所述光轴第二指向减去所述光轴第一指向的差为π/2；以及

针对所述微元阵列中对应第一相位的微元，将该微元对应的光轴第一指向作为该微元的光轴指向；针对所述微元阵列中对应第二相位的微元，将该微元对应的光轴第二指向作为该微元的光轴指向；

所述第一琼斯矩阵为：

；

其中，δ表示对应微元的快慢轴之间的相对相位差值；

当取δ等于半波相位、且待调控偏振态为水平线偏振时，获得的第三琼斯矩阵为：

；

其中，E_out表示调控后出射光场的琼斯矩阵；φ(x,y)表示所述微元阵列的光轴指向分布，x、y分别表示所述微元阵列中微元的横坐标和纵坐标；

对所述第三琼斯矩阵进行水平方向分量的偏振滤波，得到调控后出射光场的电矢量为：

；

其中，E_h-out表示经过水平方向分量偏振滤波的所述调控后出射光场的电矢量；

用I(x, y)表示所述目标空间光强分布，根据I(x, y)= E²_h-out 计算每个微元对应的光轴第一指向和光轴第二指向。

2.根据权利要求1所述的光轴设计方法，其特征在于，所述微元阵列的材料为液晶或介电超表面。

3.根据权利要求1或2所述的光轴设计方法，其特征在于，通过对所述第三琼斯矩阵进行偏振滤波、获得所述调控后出射光场的电矢量的步骤还包括：

对所述第三琼斯矩阵进行竖直方向分量的偏振滤波，得到调控后出射光场的电矢量为：

；

其中，E_v-out表示经过竖直方向分量偏振滤波的所述调控后出射光场的电矢量。

4.一种几何相位元件，所述几何相位元件包括微元阵列，其特征在于，所述微元阵列中各微元的光轴指向按照如权利要求1-3中任一项所述的光轴设计方法确定。