一种光帆构建方法及光帆与流程

本申请涉及光帆，具体而言，涉及一种光帆构建方法及光帆。

背景技术：

1、光具有波粒二象性，以极快的速度运动的光子拥有能量，当飞速前进的光子撞在物体表面时，光子的部分能量便会传递给物体，转化为其前进的动量，与采用风作为动力源的风帆类似，基于上述原理，光也可以作为帆的动力源，采用光作为动力源，产生推动力的帆形结构即为光帆。

2、太空中由于没有空气带来的阻力，即使是光帆产生的这种极其微小的推动力，也能够几乎没有损耗地积累，且无需外加动力源或者借助燃料的化学能，可不断积少成多，为小型航天器提供十分可观的推动速度，因此光帆被认为是未来具有巨大应用潜力的推进技术。在光帆的应用过程中，保持合适的推力达到所需速度的同时，还要求光帆姿态要保持稳定，因此，如何控制推力以及如何控制光帆的姿态成为研究人员关注的重点。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的上述不足，本申请的目的在于提供一种光帆构建方法及光帆。

2、第一方面，本申请实施例提供一种光帆构建方法，所述光帆表面具有超构表面结构，所述超构表面结构由超构表面单元组成，所述方法包括：

3、基于以超构表面结构的几何中心点作为坐标原点的坐标系，确定在满足设定条件下表征所述超构表面结构各位置针对左旋偏振光进行调控后的相位分布和针对右旋偏振光进行调控后的相位分布，和共同构成目标相位分布；所述设定条件包括针对入射的左旋偏振光实现全反射，且针对入射的右旋偏振光实现透射形成贝塞尔光束；

4、获取多个几何参数不同的备选超构表面单元针对左旋偏振光和针对右旋偏振光进行调控后的相位值；

5、根据各备选超构表面单元相位值，从所述备选超构表面单元选取符合所述目标相位分布的目标超构表面单元；

6、将所述目标超构表面单元组合构建成为光帆。

7、在一种可能的实现方式中，所述超构表面结构各位置对针对左旋偏振光的相位分布满足以下约束：

8、的值为0或，且在构建的所述坐标系中，相位分布为0的位置和相位分布为的位置在x方向和y方向上均交错分布；

9、所述超构表面结构各位置对针对右旋偏振光的相位分布满足以下约束：

10、

11、其中，为入射光的中心波长，为贝塞尔光束的圆锥角，x、y为位置坐标。

12、在一种可能的实现方式中，所述超构表面单元由多个介质纳米柱构成的阵列结构组成，所述超构表面结构各位置上所述纳米柱的旋转角度以及沿主轴方向的传输相位满足以下约束：

13、

14、

15、其中，覆盖相位。

16、在一种可能的实现方式中，所述超构表面单元由多个介质纳米柱构成的阵列结构组成；所述超构表面的几何参数包括介质纳米柱的长轴长度l、短轴长度w、高度h、以及超构表面单元结构的周期p中的一种或多种。

17、在一种可能的实现方式中，所述获取多个几何参数不同的备选超构表面单元针对左旋偏振光进行调控后的相位分布和针对右旋偏振光进行调控后的相位分布的步骤，包括：

18、针对不同的超构表面单元的几何参数，通过仿真软件计算与之对应的仿真数据，所述仿真数据包括调控后的相位值，得到各备选超构表面单元针对左旋偏振光进行调控后的相位分布和针对右旋偏振光进行调控后的相位分布。

19、在一种可能的实现方式中，所述介质纳米柱种类为m种，其中m为超构表面单元结构的阶数，m种介质纳米柱结构之间相位差为，。

20、第二方面，本申请实施例还提供一种光帆，所述光帆表面具有超构表面结构，所述超构表面结构由超构表面单元组成；

21、基于以超构表面结构的几何中心点作为坐标原点的坐标系，在满足设定条件下，表征所述超构表面结构各位置针对左旋偏振光进行调控后的相位分布和针对右旋偏振光进行调控后的相位分布，和共同构成目标相位分布；所述设定条件包括针对入射的左旋偏振光实现全反射，且针对入射的右旋偏振光实现透射形成贝塞尔光束。

22、在一种可能的实现方式中，所述超构表面单元由多个介质纳米柱构成的阵列结构组成，所述超构表面结构各位置上所述纳米柱的旋转角度以及沿主轴方向的传输相位满足以下约束：

23、

24、

25、其中，覆盖相位。

26、在一种可能的实现方式中，所述介质纳米柱种类为m种，其中m为超构表面单元结构的阶数，m种介质纳米柱结构之间相位差为，。

27、在一种可能的实现方式中，所述超构表面单元由多个介质纳米柱构成的阵列结构组成，所述介质纳米柱包括至少两种不同的长轴长度l、短轴长度w、高度h或超构表面单元结构的周期p。

28、相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：

29、本申请提供的一种光帆构建方法及光帆，将超表面结构应用在光帆上，并通过设置超构表面单元的参数，调整其针对入射的左旋偏振光和入射的右旋偏振光进行调控后的相位分布，使光帆可以实现自稳定推进，且具有较好的推进动力利用率。

30、另外，通过设置超构表面单元的参数，可以在不对超构表面进行分区的情况下，同时对入射的左旋偏振光和右旋偏振光进行调制，有效地提高了光帆的能量利用率。

技术特征：

1.一种光帆构建方法，其特征在于，所述光帆构建方法用于构建光帆，所述光帆表面具有超构表面结构，所述超构表面结构由超构表面单元组成，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超构表面结构各位置对针对左旋偏振光的相位分布满足以下约束：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述超构表面单元由多个介质纳米柱构成的阵列结构组成，所述超构表面结构各位置上所述纳米柱的旋转角度以及沿主轴方向的传输相位满足以下约束：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超构表面单元由多个介质纳米柱构成的阵列结构组成；所述超构表面的几何参数包括介质纳米柱的长轴长度l、短轴长度w、高度h、以及超构表面单元结构的周期p中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取多个几何参数不同的备选超构表面单元针对左旋偏振光进行调控后的相位分布和针对右旋偏振光进行调控后的相位分布的步骤，包括：

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述介质纳米柱种类为m种，其中m为超构表面单元结构的阶数，m种介质纳米柱结构之间相位差为，。

7.一种光帆，其特征在于，所述光帆表面具有超构表面结构，所述超构表面结构由超构表面单元组成；

8.根据权利要求7所述的光帆，其特征在于，所述超构表面单元由多个介质纳米柱构成的阵列结构组成，所述超构表面结构各位置上所述纳米柱的旋转角度以及沿主轴方向的传输相位满足以下约束：

9.根据权利要求7所述的光帆，其特征在于，所述介质纳米柱种类为m种，其中m为超构表面单元结构的阶数，m种介质纳米柱结构之间相位差为，。

10.根据权利要求7所述的光帆，其特征在于，所述超构表面单元由多个介质纳米柱构成的阵列结构组成，所述介质纳米柱包括至少两种不同的长轴长度l、短轴长度w、高度h或超构表面单元结构的周期p。

技术总结
本申请提供一种光帆构建方法及光帆，涉及光帆技术领域，光帆表面具有超构表面结构，所述方法包括：基于以超构表面结构的几何中心点作为坐标原点的坐标系，确定在满足设定条件下表征超构表面结构各位置的目标相位分布；设定条件包括针对入射的左旋偏振光实现全反射，且针对入射的右旋偏振光实现透射形成贝塞尔光束；获取多个几何参数不同的备选超构表面单元进行调控后的相位值；根据各备选超构表面单元相位值，从备选超构表面单元选取目标超构表面单元；将目标超构表面单元组合构建成为光帆。本申请能够调整光帆针对入射的左旋偏振光和入射的右旋偏振光相位分布，使光帆实现自稳定推进以及最大光力推进，同时，还提高了能量利用率。

技术研发人员：罗先刚,张飞,哈颖丽,刘永健,李兰婷,蒲明博
受保护的技术使用者：天府兴隆湖实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14