In recent years, metasurfaces have demonstrated a tremendous development potential and applicability in various fields as they have overcome the problems associated with traditional optical devices, including bulkiness and difficulties related to integration. The vortex beam can carry an unlimited amount of orbital angular momentum which can greatly increase the capacity of the communication system and thus attain a tremendous applicability potential in communication and information transmission. In this study, a vortex-focused beam metalens array is designed based on computer-generated holography technology for use in the visible light range. The antenna’s unit structure is arranged according to the phase distribution designed using computer-generated holography technology. The metalens array can convert circularly polarized light into a vortex beam and can focus the vortex beam. At the wavelengths of 420 nm, 550 nm, and 660 nm, the average conversion efficiency exceeds 80%, and the phase distribution is in the range of 0–2π. The metalens array can simultaneously generate and focus the vortex beams. We also studied the focusing effect of different vortex beams, and we analyzed and compared the focal length and full width at half maximum of metalens at different wavelengths and different topological charges. In addition, the focusing of the primary color light by the 3 × 3 metalens array is simulated. The design presented in this study is envisaged to be applied extensively in the fields of optical photography and optical communication systems.

近年来，超表面已经克服了与传统光学装置相关的问题，包括体积大和与集成相关的困难，在各种领域中显示出巨大的发展潜力和适用性。涡旋光束可以携带无限量的轨道角动量，这可以大大增加通信系统的容量，从而在通信和信息传输中具有巨大的应用潜力。在这项研究中，基于计算机生成的全息技术，设计了一种涡旋聚焦束金属阵列，以用于可见光范围。天线的单元结构是根据使用计算机生成的全息技术设计的相位分布进行排列的。金属元阵列可以将圆偏振光转换为涡旋光束并可以聚焦涡旋光束。在420 nm，550 nm和660 nm的波长下，平均转换效率超过80％，并且相位分布在0–2π的范围内。金属元阵列可以同时产生和聚焦涡流束。我们还研究了不同涡旋光束的聚焦效果，并分析和比较了在不同波长和拓扑电荷情况下金属离子的焦距和半峰全宽。此外，还模拟了3×3 Metalens阵列对原色光的聚焦。设想本研究中提出的设计将广泛应用于光学摄影和光学通信系统领域。在660 nm处，平均转换效率超过80％，并且相位分布在0–2π的范围内。金属元阵列可以同时产生和聚焦涡流束。我们还研究了不同涡旋光束的聚焦效果，并分析和比较了在不同波长和拓扑电荷情况下金属离子的焦距和半峰全宽。此外，还模拟了3×3 Metalens阵列对原色光的聚焦。设想本研究中提出的设计将广泛应用于光学摄影和光学通信系统领域。在660 nm处，平均转换效率超过80％，并且相位分布在0–2π的范围内。金属元阵列可以同时产生和聚焦涡流束。我们还研究了不同涡旋光束的聚焦效果，并分析和比较了在不同波长和拓扑电荷情况下金属离子的焦距和半峰全宽。此外，还模拟了3×3 Metalens阵列对原色光的聚焦。设想本研究中提出的设计将广泛应用于光学摄影和光学通信系统领域。我们还研究了不同涡旋光束的聚焦效果，并分析和比较了在不同波长和拓扑电荷情况下金属离子的焦距和半峰全宽。此外，还模拟了3×3 Metalens阵列对原色光的聚焦。设想本研究中提出的设计将广泛应用于光学摄影和光学通信系统领域。我们还研究了不同涡旋光束的聚焦效果，并分析和比较了在不同波长和拓扑电荷情况下金属离子的焦距和半峰全宽。此外，还模拟了3×3 Metalens阵列对原色光的聚焦。设想本研究中提出的设计将广泛应用于光学摄影和光学通信系统领域。