基于超构表面的多通道涡旋光束研究

Multi-channel vortex beams have significant potential applications in areas of modern optical and optics. It can fulfill the improvement of the data storage capacity and safety in the optical communication, and increase the number of rotating objects and particles in detection and trapping. Recently, the investigation on multi-channel vortex beam based on the metasurface not only eliminates the high order interference existed in traditional elements, but also decrease the dimension to subwavelength scale. The merits of multi-channel vortex beam based on metasurface facilitate the development of flat, miniaturization and integration electromagnetic elements. However, the reported multi-channel vortex beam based on metasurface suffers from problems of the low conversion efficiency, background interference, shortages in flexibility and practical application limitations. In this project, we planned to investigate the multi-channel vortex beam based on metasurface, design the new type multi-channel vortex beam rely on high index medium resonance and multi-polarization, and improve the efficiency and reduce the background interference of the element. Simultaneous, this project will expand the research into the area of reconstruction optical, which will enhance the flexibility of multi-channel vortex beam based on metasurface. Our project may promote the progress of micro-optical, MEMS, optical communication and optics.

多通道涡旋光束在现代光学以及光量子学领域具有重要的潜在应用，对信息传输容量与安全性的提高，粒子捕获以及旋转目标探测数量的提升等具有重要的意义。基于超构表面开展多通道涡旋光束研究将消除传统元件存在的高阶衍射干扰，并将器件的尺寸缩小到亚波长量级，促进电磁调控元件的微型化、平板化和集成化。然而，现有涡旋光束超构表面存在转换效率低、背景干扰以及灵活性差、实际应用受限的问题。本项目针对以上问题开展基于超构表面的多通道涡旋光束机理研究，基于高折射率介质共振和偏振复用技术进行新型超构表面结构设计，提高多通道涡旋光束超构表面工作效率和消除背景干扰；同时，项目基于电控超构表面设计方法和高能量密度光源照明技术，开展可重构多通道涡旋光束超构表面机理研究和结构设计，提高多通道涡旋光束调制的灵活性。该项工作的研究对推动微纳光学，MEMS技术，通信技术以及光量子学领域的发展具有重要的科学和现实意义。

多通道涡旋光束在现代光学以及光量子学领域具有重要的潜在应用，对信息传输容量与安全性的提高，粒子捕获以及旋转目标探测数量的提升等具有重要的意义。然而，现有涡旋光束超构表面存在转换效率低、背景干扰以及灵活性差、实际应用受限的问题，在超构表面多通道涡旋光束实现机理和设计等方面还需要深入研究。.针对以上为题，本项目在提出一种基于超构表面的多通道涡旋光束发生器构建方法的基础上，开展结构设计、制备工艺和表征方法研究，重点突破高效率、低背景干扰和可重构涡旋光束超构表面构建机制关键难题。取得研究成果如下：.①基于类F-P腔效应和介质型相位调控单元提出一种高效率、低背景干扰涡旋光束超构表面构建方法，实现了高效率、低背景干扰超构表面结构设计。同时，基于介质型相位调控单元结构设计降低结构耦合对涡旋波前分布的影响；.②基于全息叠加的原理提出了一种基于超构表面的多通道涡旋光束构建方法，并将多个角度的多通道涡旋光束复振幅信息通过单片超构表面进行叠加，实现角度复用的多通道涡旋光束超构表面结构设计；.③提出了基于频率复用、偏振复用、角度复用和动态超构表面的多种可重构涡旋光束发生器实现机制；.④开展了光波段、红外波段和微波段超构表面涡旋光束发生器制备工艺研究，完成光波段角度复用超构表面多通道涡旋光束发生器，红外波段偏振复用超构表面涡旋光束发生器以及微波段高效率频率复用电磁调控超构表面样品制备；.⑤针对制备光波段角度复用超构表面多通道涡旋光束发生器，红外波段偏振复用超构表面涡旋光束发生器以及微波段高效率频率复用电磁调控超构表面样品测试要求开展测试方法研究和系统搭建，完成样品性能表征。.本项目的开展进一步提高了超构表面涡旋光束的效率、设计灵活性和自由度，为推进超构表面在电磁波调控领域的应用和多功能化、智能化功能器件的研究奠定理论和技术基础。在国内外权威期刊发表SCI收录论文5篇，申请发明专利1项，培养硕博研究生7名。