本发明涉及信息光学，尤其涉及一种激光定向发射系统的逆向设计方法及其器件。
背景技术：
1、激光定向发射一直以来都是激光领域的重点研究方向之一，广泛地应用于激光通信、激光雷达、激光制造等众多领域，涵盖国防安全、企业生产、社会生活的方方面面，因此具有极其重要的研究意义。目前，激光定向发射系统中通常采用经纬仪、惯性转台结合快速倾斜镜等机械式光束偏转器实现激光光束的精准指向和跟踪，但机械式光束控制器件在实际应用中会不可避免地引入机械抖动，导致激光系统存在质量大、惯性大以及易磨损等问题。
2、针对激光定向发射系统集成化、轻量化发展过程中面临的技术难点，激光定向发射领域的研究重心由传统的机械式光束控制技术向以光学相控阵为基础的非机械式光束控制技术转移，涌现出了一系列非机械式光束控制器件如液晶光学相控阵、液晶棱镜、电光偏转器、微透镜阵列等，各自有着独特的性能和优势，通过主动控制单元进行相位调控，达成出射光场的相位补偿，从而实现激光定向发射。随着激光系统的不断发展和应用普及，对激光定向发射的指向覆盖范围和光束控制精度提出了更高的要求，上述非机械式光束控制技术中介质材料特性、相位控制单位数目和器件空间分辨率成为了激光定向发射系统指向覆盖范围和控制精度进一步提升的限制因素，因此亟待新概念、新原理和新技术的创新与革命。
3、有鉴于此，有必要设计一种激光定向发射系统的逆向设计方法及其器件，以解决上述问题。
技术实现思路
1、针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于针对目前机械式光束控制系统中质量大、惯性大以及易磨损等问题以及非机械式激光定向发射系统集成化、轻量化发展过程面临的技术困境，选取对入射波前具有精密调控能力的超构表面为技术平台，结合机械式电动微位移装置实现对入射波前的联合调控，并通过逆向设计方法将激光定向发射系统的技术指标分解为以超构表面为基础的光学元件的结构参数，从而在保证激光定向发射系统集成化、轻量化的前提下达成出射激光的广域精准指向控制。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种激光定向发射系统的逆向设计方法，包括以下步骤：
3、s1、确定激光定向发射系统的技术指标
4、所述激光定向发射系统的技术指标包括角度覆盖范围 βcover、角度控制精度 βpre、入射光的波长 λinc、入射光的半径 rinc；
5、s2、确定超构表面阵列的排布模式
6、所述超构表面阵列包括按二维周期性排布的若干个尺寸一致的纳米结构单元；
7、s3、优化纳米结构单元的结构参数
8、根据激光定向发射系统中选定的所述入射光的波长 λinc开展超构表面的纳米结构单元设计，然后利用仿真软件仿真优化基于圆偏振光的超构表面阵列中的纳米结构单元，得到优化的纳米结构单元的结构参数；
9、s4、设计激光定向发射系统中基于超构表面的透镜焦距
10、根据步骤s3中仿真优化出的所述纳米结构单元的结构参数和步骤s1中的所述角度控制精度 βpre，计算出基于超构表面的透镜焦距 f；
11、s5、设计激光定向发射系统中基于超构表面的透镜阵列的尺寸
12、根据步骤s4计算出的所述透镜阵列焦距 f以及步骤s1中的所述角度覆盖范围 βcover、所述入射光的半径 rinc，计算出基于超构表面的透镜阵列的尺寸 lmeta，计算公式为：；
13、s6、设计激光定向发射系统中基于超构表面的透镜阵列的相位分布
14、根据步骤s4计算出的所述透镜阵列焦距 f和步骤s5计算出的所述透镜阵列的尺寸 lmeta，计算出基于超构表面的透镜阵列的相位分布；
15、s7：确定超构表面阵列的转向角排布
16、根据步骤s6中计算出的所述透镜阵列的相位分布，计算出几何相位超构表面阵列中各纳米结构单元的转向角 α排布情况。
17、进一步地，步骤s2中，所述纳米结构单元包括基底工作台、设置在所述基底工作台的台面上的纳米砖。
18、进一步地，以平行于所述基底工作台的台面的两条边的方向分别设为 x轴和 y轴，以垂直于 x轴和 y轴的方向设为 z轴，建立 xyz坐标系；其中，所述周期是指相邻两个所述纳米结构单元的几何中心在 x轴和 y轴上的距离；所述纳米砖与所述基底工作台的中心在 xo y平面的投影重合；步骤s3中，所述纳米结构单元的结构参数包括所述纳米砖的参数、所述基底工作台的参数；所述纳米砖的参数包括与所述基底工作台的台面垂直的高 h、与所述高 h垂直的长轴 l和短轴 w；所述基底工作台的参数包括台面的边长 c；所述纳米结构单元的转向角为所述纳米结构单元中的所述纳米砖的长轴 l与 x轴正向的逆时针旋转的夹角。
19、进一步地，步骤s3中，仿真优化的过程包括：利用电磁仿真工具，在左旋圆偏振光垂直入射于所述超构表面阵列中的纳米结构单元上时，以出射右旋圆偏振光的转化效率为优化对象，得到交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低的纳米结构单元的结构参数。
20、进一步地，步骤s4中，所述基于超构表面的透镜阵列由二维周期性排布的超构表面纳米结构单元构成。
21、进一步地，步骤s4中，所述基于超构表面的透镜阵列焦距 f的计算公式为：
22、。
23、进一步地，步骤s6中，所述透镜阵列的相位分布的计算公式为：
24、；
25、式中，透镜阵列内位置坐标 x的取值范围为，位置坐标 y的取值范围为。
26、进一步地，步骤s7中，所述转向角 α的计算公式为：
27、本发明还提供了一种根据上述方法得到的超构表面器件。
28、进一步地，所述超构表面器件与机械式电动微位移装置相结合，通过机械式电动微位移装置动态改变经圆偏振起偏器后的入射光入射至超构表面阵列的空间位置，达成出射光的广域精准指向控制。
29、本发明的有益效果是：
30、1、本发明提供的一种激光定向发射系统的逆向设计方法，根据激光定向发射系统的技术指标输入开展设计，以技术指标为切入点简化了传统正向设计的流程，为激光定向发射系统的设计提供了一种极简的设计方式；此外，通过这种逆向设计方案设计出的激光定向发射系统具有更高的角度覆盖范围和更高的控制精度。
31、2、本发明提供的一种超构表面器件，针对目前机械式光束控制系统中质量大、惯性大以及易磨损等问题以及非机械式激光定向发射系统集成化、轻量化发展过程面临的技术困境，通过选取对入射波前具有精密调控能力的超构表面为技术平台，结合机械式电动微位移装置实现对入射波前的联合调控，并通过逆向设计方法将激光定向发射系统的技术指标分解为以超构表面为基础的光学元件的结构参数，从而在保证激光定向发射系统集成化、轻量化的前提下达成出射激光的广域精准指向控制。
1.一种激光定向发射系统的逆向设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的激光定向发射系统的逆向设计方法，其特征在于：步骤s2中，所述纳米结构单元包括基底工作台、设置在所述基底工作台的台面上的纳米砖。
3.根据权利要求2所述的激光定向发射系统的逆向设计方法，其特征在于：以平行于所述基底工作台的台面的两条边的方向分别设为x轴和y轴，以垂直于x轴和y轴的方向设为z轴，建立xyz坐标系；其中，所述周期是指相邻两个所述纳米结构单元的几何中心在x轴和y轴上的距离；所述纳米砖与所述基底工作台的中心在xoy平面的投影重合；步骤s3中，所述纳米结构单元的结构参数包括所述纳米砖的参数、所述基底工作台的参数；所述纳米砖的参数包括与所述基底工作台的台面垂直的高h、与所述高h垂直的长轴l和短轴w；所述基底工作台的参数包括台面的边长c；所述纳米结构单元的转向角为所述纳米结构单元中的所述纳米砖的长轴l与x轴正向的逆时针旋转的夹角。
4.根据权利要求1所述的激光定向发射系统的逆向设计方法，其特征在于：步骤s3中，仿真优化的过程包括：利用电磁仿真工具，在左旋圆偏振光垂直入射于所述超构表面阵列中的纳米结构单元上时，以出射右旋圆偏振光的转化效率为优化对象，得到交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低的纳米结构单元的结构参数。
5.根据权利要求3所述的激光定向发射系统的逆向设计方法，其特征在于：步骤s4中，所述基于超构表面的透镜阵列由二维周期性排布的超构表面纳米结构单元构成。
6.根据权利要求5所述的激光定向发射系统的逆向设计方法，其特征在于：步骤s4中，所述基于超构表面的透镜阵列焦距f的计算公式为：
7.根据权利要求1所述的激光定向发射系统的逆向设计方法，其特征在于：步骤s6中，所述透镜阵列的相位分布的计算公式为：
8.根据权利要求1所述的激光定向发射系统的逆向设计方法，其特征在于：步骤s7中，所述转向角α的计算公式为：。
9.一种超构表面器件，其特征在于：所述超构表面器件根据权利要求1-8中任意一权利要求所述的激光定向发射系统的逆向设计方法得到。
10.根据权利要求9所述的一种超构表面器件，其特征在于：所述超构表面器件与机械式电动微位移装置相结合，通过机械式电动微位移装置动态改变经圆偏振起偏器后的入射光入射至超构表面阵列的空间位置，达成出射光的广域精准指向控制。
