- 文献综述（或调研报告）：
前言：
本毕业设计的题目是《基于超表面保形变换的涡旋光场探测技术》。涡旋光场是一类等相位面呈螺旋状的光束，具有一定的轨道角动量（OAM）。利用光的OAM来编码信息是显著提高光通信网络带宽的重要方法。对不同OAM态的区分是提取信息和提高带宽的重要技术。传统的光学器件由于自然材料的介电常数范围限制了对光场的调控，而人工材料构建的超表面可以通过自己编排表面材料的结构，实现对光场相位的有效调整，从而实现对多态涡旋光场OAM态的有效分离。
正文：
1967年，Boivin等人在研究光波能流时发现能流中有一个涡旋存在，该涡旋环绕着焦平面处的一条线进行旋转，这个发现表明了光束中也存在着涡旋。1981年，Baranova等人也发现了涡旋，此涡旋存在于散斑场中[1]。1981年Cullet等人将这种类似超流体涡旋的形态命名为“光学涡旋”。Allen等人在20世纪九十年代初发现螺旋相位光束可以被exp(ilϕ)来描述，其中每个光子都带有lћ的轨道角动量（OAM）[2-4] 。此结论为光学涡旋轨道角动量的应用提供了理论上的依据，并引发了人们的研究兴趣。之后首次利用光学涡旋实验对微小粒子操控的实例是He等人在1995年观察到光子的轨道角动量传给了粒子,这意味着OAM光可以对照射的物体产生力矩作用，可以无接触地对物体进行操作。1996年Simpson用光学涡旋轨道角动量对微小粒子实现了转动操作，并将这种操作称为“光学扳手”(Optical Spanners)[5]。除了在粒子操纵方面的应用，光学涡旋在原子冷却、光学计算、生物医学和量子通信等方面也得到了相应的应用。
由于螺旋相位光束中每个光子携带的轨道角动量lћ中的拓扑荷数l可以取任意整数且没有限制范围，OAM光存在着潜在的巨大携带信息的能力[6-7]。OAM叠加态的储存以及频率变换过程中与OAM态的变化有关的实验工作，也为OAM光编码信息提供了可靠的基础[8-9]。对不同的OAM态的区分是提取信息和提高带宽技术的重要技术。2010年Berkhout等人提出了一种使用两个静态光学元件实现了同时多状态OAM光分离的方法[10]。其中第一个光学元件实现了笛卡尔坐标到对数极坐标的转化，把螺旋相位光转化成一个横向相位梯度变化的光束。第二个光学元件则实现了相位补偿。最后他们使用一个透镜把各个状态的OAM光聚焦到不同的横向位置上。2012年Orsquo;Sullivan提出了一种改进Berkhout的方法，他将对数极坐标转换与全息光束分离相结合，减少了光束之间的串扰，实现了更可观的光束分离[11]。之后Mirhosseini又于2013年提出了一种使用一系列统一的光学转换元件的方法，实现了从72%到92%以上的分离效率的大幅度提高[12]。2017年C.Wan提出了一种更加紧凑、高分辨率的光学轨道角动量分类器[13]。这个分类器由一个位于瞳孔平面的二次扇出映射器和一个位于傅里叶平面上的双相位矫正器组成，并使用了反射空间光调制器和直角棱镜把空间进行折叠和连接，这为高分辨率的OAM分离器提供了微型化和集成的可能。而国内的研究与国外仍有差距，大多都以验证性实验论文为主要内容。
2014年M.Khorasanineja等人认为为了实现对光极化控制，区分线性极化的同时也需要区分左旋和右旋偏振，他们利用了一种在玻璃基板上的无定型硅纳米组成的亚基结构实现手性的光束分离功能[14]。这启发了人们对光学元件材料的相关探索，运用一些特殊的材料的光学特性能更有效的实现一些功能。2015年D.Wen等人使用了超表面材料实现了更加简单而紧凑的极化光线的分类[15]。他们通过具有空间变化方向的纳米棒组成的元面，把一束完全极化的光束所分解出的左圆偏振光束和右圆偏振光束向两个方向进行引导，再通过测量折射光斑强度和入射偏振态的椭圆率以及偏手性来确定入射光的极化信息。在这个实验里超材料的多维灵活性起对实验步骤的简单化以及实验效果的提高起到了很大的作用。
传统的光学器件依靠光通过介质传输时的相位延迟积累来实现对光波前的控制，如透镜、棱镜、光栅、螺旋相位波片等。由于传统的光学器件对光束控制的机制，使得人们对光束的控制受到很大限制。超材料是具有天然材料所不具备的物理性质的人工复合结构。通过对材料的关键物理尺寸上的结构进行有序的设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超越自然界固有性质的超常材料功能。超材料是亚波长尺寸上的材料，相对传统光学器件的大尺寸，超材料在集成化上有无限的可能。而且由于超材料的特殊性，它可以提供任意的介电常数和磁导率值，这也为操控光束提供了更多的自由度，如均匀超材料可以实现负折射。根据广义Snell定律[17]，光束的折射角和反射角是与超表面相位的不连续梯度有关的，因此寻找一种合适的超材料并设计其结构和梯度，可以更加灵活地控制出射光的相移和方向，从而实现光束分离器的功能。光学天线对不同偏振方向的入射光也有不同的响应特性，因此借助光学天线阵列，即超表面也可以实现对光束偏振态的控制。2016年Khorasaninejad在其论文中提到一种由二氧化钛为材料的超表面可以制作成高数值孔径（NA）的镜头，其衍射极限聚焦于可见光范围内，且能提供高达170倍的放大率的同时图像质量也非常好[18]。论文中表明二氧化钛（TiO2）具有低表面粗糙度、对可见光吸收少以及超高效折射系数的特性，是一种理想的超表面材料。
综上所述，本毕业设计论文将采用最经典的使用两个光学元件实现入射光的坐标变化以及相位补偿的方法，从而实现多OAM光的状态分离。本论文将使用二氧化钛作为超表面并设计其尺寸和梯度排列，实现天线阵列对两个光学元件进行替换。
参考文献：
[1] N. B. Baranova, A. V. Mamaev, N. F. Pilipetskii, V. V. Shkunov and B. Ya. Zelrsquo;dovich, J. Op. Soc. Am. 73, 525 (1983).
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