[发明专利]基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件及设计方法

权利要求书

1.基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件，其特征在于，包括：双层超表面结构(1)、基底(2)；所述的双层超表面结构(1)包括：多个第一介质柱(11)、多个第二介质柱(12)、封装介质层(13)；多个所述的第一介质柱(11)周期性设置在基底(2)上并由封装介质层(13)封装形成第一层超表面，多个所述的第二介质柱(12)设置在第一层超表面的上方并暴露在空气中形成第二层超表面；所述的基底(2)的折射率小于介质柱的折射率；所述的第一层超表面实现半波板的功能，用于提高透过第二层超表面的偏振光的偏振转换效率，所述的第二层超表面用于控制入射电磁波的反射透射比率。

2.根据权利要求1所述的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件，其特征在于，工作原理如下：入射RCP圆偏振光，在反射和透射空间同时出现聚焦焦点；改变第一层超表面中的第一介质柱(11)的结晶分数，从而改变第一介质柱(11)的折射率，使第一层超表面对入射电磁波的透射和反射系数发生改变，进而透射和反射空间焦点强度比发生变化；当第一层超表面中的第一介质柱(11)的结晶分数不变时，改变第二层超表面中的第二介质柱(12)的结晶分数，实现透射空间中聚焦焦点的焦距变化。

3.根据权利要求1所述的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件，其特征在于，所述的第二介质柱(12)与第一层超表面中的第一介质柱(11)一一对应、上下对齐。

4.根据权利要求3所述的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件，其特征在于，所述的第一层超表面中的第一介质柱(11)与第二层超表面中的第二介质柱(12)由封装介质层(13)分隔开。

5.根据权利要求1所述的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件，其特征在于，所述的基底(2)的材料采用氟化钙。

6.根据权利要求1所述的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件，其特征在于，所述的第一介质柱(11)、第二介质柱(12)的材料均采用GST相变材料。

7.根据权利要求1所述的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件，其特征在于，所述的封装介质层(13)的材料采用二氧化硅。

8.应用于权利要求1至7任一项所述的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、入射x偏振光和y偏振光对多个第一介质柱(11)的长、宽及高度进行参数化扫描，得到满足|T_XX|＝|T_YY|、条件的第一介质柱(11)作为半波板，设置在基底(2)上并封装在封装介质层(13)中形成第一层超表面；

S2、入射RCP圆偏振光对多个第二介质柱(12)的长、宽及高度进行参数化扫描，得到交叉偏振光透射率、反射率及共极化偏振光透射率、反射率均符合要求的第二介质柱(12)并设置在封装介质层(13)上作为第二层超表面；

S3、通过聚焦公式算出聚焦在不同位置时RCP圆偏振光所需要的相位分布，分别对第一层超表面中的第一介质柱(11)、第二层超表面中的第二介质柱(12)沿光轴方向分别旋转θ₁、θ₂角度，当RCP圆偏振光入射时，透射光束经过双层超表面结构(1)后产生2(θ₂-θ₁)相移，与入射光具有相同螺旋度的分量，而反射光束在第二层超表面发生反射产生2θ₁相移，与入射光具有相反螺旋度的分量。

9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述的聚焦公式的计算过程如下：

为了同时在透射和反射空间聚焦，相移的空间变化必须满足以下条件：

其中，φ_F(x,y)为相移的空间变化，λ为设计波长，F为焦距，x、y为离散的空间坐标；

在反射和透射空间同时聚焦的相变必须满足以下条件：

其中，F₁为反射空间的焦距，F₂为透射空间的焦距；

通过上述公式计算得到空间坐标中每个介质柱所需要的旋转角度。