为了提高通信系统的传输速率，自旋角动量(Spin angular momentum, SAM) 和轨道角动量(Orbital angular momentum, OAM)的调制已经被广泛用于扩展量子 信息、光通信和信号处理的范围，因此 SAM 和 OAM 探测具有重要研究意义。 传统的 OAM 检测方法需要复杂的光路导致装置笨重，与器件小型化和系统集成 化的发展趋势相悖，还存在诸多难题，OAM 模式识别仍然面临巨大的挑战。超 构表面作为一种通用的波前整形平台应运而生，具有超轻超薄、高度集成的优点， 为解决上述问题提供了机遇。

    目前的超构表面检测涡旋光束器件仅仅能够检测 10 以内的 OAM 模式，仅 仅适用于特定波长下工作，并且功能单一。本论文针对以上问题，设计两个几何 相位型和复合相位型超构表面器件实现多功能涡旋光束检测，论文的主要内容： 1、设计了一种基于角向-二次相位的光子动量变换(Photonic momentum transformation, PMT)超构表面器件，实现了左旋涡旋光探测。文中提出了一种用 于任意 OAM 模式识别的光学变换方式，将具有不同模式的 OAM 光束转换为在 远场焦平面的旋转聚焦，通过焦点的方位角测量实现 OAM 模式的辨别。数值模 拟显示可以测量高达±100 阶的单个任意 OAM 模式，并且可以以五个步长的间 隔同时测量 41 个模式叠加的 OAM 光束。并且对 480nm、532nm、580nm 以及 633nm 波长进行验证，实验结果证明设计的 PMT 超构表面具有宽带 OAM 识别 的能力。该系统为设计紧凑型 OAM 通信系统开辟了一条新途径。

2、设计了一个结合传输相位和几何相位的复合相位超构表面器件，通过非 对称光子自旋实现了 SAMs 和 OAMs 同时识别。不同自旋状态的 OAM 光束入 射到超构表面后分别聚焦在上下两个独立的区域，计算焦平面上焦点的方位角的 坐标实现 OAM 模式的识别。通过实验证明设计的复合相位 PMT 超构表面在宽 带内可实现 SAMs 和 OAMs 的同时测量。进一步实验研究证明，该器件具有检 测相同相位和偏振奇异性的圆柱涡旋矢量光束(Cylindrical vortex vector beam, CVVB)的能力。提出的超构表面器件在全角动量的测量以及相位和偏振奇异性检 测中具有广泛的应用前景。

第 1 章 绪论...........................................................................................1

1.1 引言..........................................................................................................................1

1.2 超构材料与超构表面的背景以及发展状况.......................................................2

1.3 超构表面涡旋光束生成器.....................................................................................5

1.4 涡旋光束检测.........................................................................................................9

1.4.1 传统检测涡旋光束的方法..........  ....................................................................9

1.4.2 基于超构表面的涡旋光束检测 ...................................................................13

1.5 论文主要研究目标...............................................................................................18

1.6 论文主要内容及结构 ..........................................................................................18

第 2 章 超构表面的基本理论与加工表征..............................................................21

2.1 引言........................................................................................................................21

2.2 典型的相位调制理论与方法..............................................................................21 

2.2.1 传输相位基本原理与等效折射理论..............................................................21

 2.2.2 几何相位基本原理与偶极子天线模型........................................................23   

 2.2.3 复合相位基本原理 .........................................................................................25

2.3 光学对称变换原理...............................................................................................26

2.4 超构表面的加工与表征 ......................................................................................28

2.5 本章小结 ...............................................................................................................31

第 3 章 基于几何相位超构表面的涡旋光束检测...................................................33

3.1 研究意义 ...............................................................................................................33

3.2 PMT 超构表面的设计原理..................................................................................34

3.3 单元结构与全模设计 ..........................................................................................39

3.4 仿真与实验结果......................................................................................................41

3.5 本章小结 ...............................................................................................................59

第 4 章 基于复合相位超构表面的 SAM 和 OAM 同时检测 .............................61

4.1 引言........................................................................................................................61

4.2 单元结构与全模设计 ..........................................................................................61

4.3 仿真与实验结果...................................................................................................65

4.4 本章小结 ...............................................................................................................77

第 5 章 总结与展望 ...................................................................................................79

5.1 主要研究成果.......................................................................................................79

5.2 未来工作展望.......................................................................................................80

参考文献.......................................................................................................................81

致谢...............................................................................................................................87

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果........................................89