轨道角动量 OAM 超表面 自旋-轨道角动量耦合结构设计 fdtd仿真 复现2017 OE

轨道角动量 OAM 超表面 自旋-轨道角动量耦合结构设计 fdtd仿真 复现2017 OESpin-to-orbital angular momentum conversion in dieletric metasurface 介绍自旋-轨道角动量转换超表面入射自旋角动量光束即左右旋圆偏振光时经过介质超表面的调制出射光为交叉偏振态的涡旋光束携带轨道角动量相位调控为几何相位 案例包括fdtd模型建模脚本远场涡旋光束的强度和相位计算脚本空间复用超表面设计脚本二氧化钛纳米结构单元仿真等及一份word教程概述本文档旨在详细说明一套用于仿真自旋-轨道角动量Spin-to-Orbital Angular Momentum, SOAM转换超构表面的完整计算建模系统。该系统基于 Lumerical FDTD Solutions 与 MATLAB 联合构建包含三个核心模块纳米柱单元结构参数扫描模块Nanofins超构表面全波电磁仿真模块FDTD Models涡旋光束传播与干涉理论建模模块Matlab Models整套系统复现了 Devlin 等人在 2017 年发表于Optics Express的经典工作实现了对圆偏振入射光通过介质型超构表面后生成携带轨道角动量OAM的涡旋光束的精确建模与分析。1. 纳米柱单元结构仿真模块Nanofins功能目标该模块用于表征单个矩形纳米柱单元在不同旋转角度下的偏振响应特性特别是其对正交偏振分量引入的几何相位Pancharatnam–Berry Phase。工作流程模型构建使用高折射率介质材料如 TiO₂构建亚波长尺度的矩形纳米柱设定其周期、高度、长宽等几何参数确保工作在单模共振区域。参数扫描对纳米柱绕其法向z 轴的旋转角度进行参数化扫描通常 0°–180°步长 10°记录每个角度下透射场中与入射偏振正交分量的-相位响应Lphase-透射效率LT结果可视化通过脚本unit_sweep.lsf自动提取扫描数据并绘制相位与效率曲线验证是否满足“相位随旋转角线性变化、斜率为 ±2”的几何相位规律这是实现自旋-轨道角动量转换的物理基础。**关键点**该模块不直接生成涡旋光而是为后续超构表面设计提供可靠的单元响应数据库。2. 超构表面全波仿真模块FDTD Models功能目标基于单元响应特性构建具有空间变化旋转角分布的超构表面透镜并在 FDTD 中仿真其对圆偏振入射光的转换效果验证出射光是否携带预期拓扑荷数的轨道角动量。核心设计原理超构表面采用六边形蜂窝排布的纳米柱阵列每个纳米柱的旋转角 \(\alpha(\phi)\) 按照方位角 \(\phi\) 编码\[轨道角动量 OAM 超表面 自旋-轨道角动量耦合结构设计 fdtd仿真 复现2017 OESpin-to-orbital angular momentum conversion in dieletric metasurface 介绍自旋-轨道角动量转换超表面入射自旋角动量光束即左右旋圆偏振光时经过介质超表面的调制出射光为交叉偏振态的涡旋光束携带轨道角动量相位调控为几何相位 案例包括fdtd模型建模脚本远场涡旋光束的强度和相位计算脚本空间复用超表面设计脚本二氧化钛纳米结构单元仿真等及一份word教程\alpha(\phi) q \cdot \phi \alpha_0\]其中 \(q\) 为设计参数决定生成的 OAM 拓扑荷数 \(l \pm 2q\)符号由入射光自旋方向决定。模型分类系统包含两类主要模型1单一 OAM 模式生成器对应脚本OAM_polar.lsf支持任意实数 \(q\)如 0.5, 1, 2.5, 5入射右旋圆偏振光RCP出射为左旋圆偏振LCP涡旋光拓扑荷 \(l 2q\)2双 OAM 模式空间复用结构对应脚本OAMpolar2.lsf采用奇偶环交替设计奇数环使用 \(q1 2.5\)偶数环使用 \(q2 5\) 并反向旋转实现双向自旋解复用RCP 入射 → LCP\(l 5\)LCP 入射 → RCP\(l -5\)仿真设置光源两个正交线偏振高斯光束x 与 y 偏振相位差 90°合成圆偏振光基底SiO₂ 玻璃材料TiO₂高折射率、低损耗监视器在超表面后方设置 2D 功率监视器用于远场分析后处理分析通过farfield.lsf脚本执行计算远场三维电场分布分离左右旋圆偏振分量LCP/RCP提取强度分布 \(|E|^2\) 与相位分布 \(\arg(E)\)可视化 OAM 光束的中心暗核与螺旋相位特征**输出验证**相位图呈现 \(l\) 个 \(2\pi\) 螺旋强度图呈环形分布符合涡旋光束理论。3. 涡旋光束理论建模与干涉分析模块Matlab Models功能目标提供独立于仿真的理论验证工具用于生成理想涡旋光束的复振幅场模拟其与参考光平面波、球面波或自身在干涉仪中的干涉图样核心功能涡旋光传播模型基于拉盖尔-高斯光束近似计算不同传输距离下的光强与相位演化球面波干涉模拟涡旋光与球面波干涉产生的螺旋干涉条纹平面波干涉展示倾斜平面波与涡旋光干涉形成的“花瓣”状图案马赫-曾德尔MZ干涉仪模型再现 OAM 光在干涉仪中因相位奇点导致的特征干涉图应用价值该模块不仅用于结果比对还可辅助实验设计——例如预测干涉条纹数量与拓扑荷数的关系为实际光学检测提供理论依据。系统集成与工作流整个仿真系统遵循“自底向上”的设计哲学单元级验证Nanofins→器件级构建与仿真FDTD Models→物理现象级解释与扩展Matlab Models用户可通过修改脚本中的关键参数如q、wavelength、lens_radius快速生成不同功能的超构表面并通过统一的后处理流程获得可发表级别的结果图。总结本系统是一套高度模块化、可复现性强的 SOAM 超构表面研究工具链。它不仅完整实现了从纳米单元设计到系统级光场调控的全流程仿真还通过理论模型提供了物理图像的深度解读。对于从事超构表面、结构光、OAM 通信或量子光学研究的工程师与科研人员该系统具有重要的参考与实用价值。**注**所有模型均基于公开文献参数构建确保结果可与原始论文直接对比适用于教学、科研及器件预研场景。