一种基于超构表面的超薄衍射光学元件制造技术

本发明专利技术公开了一种基于超构表面的超薄衍射光学元件，包括衍射光学元件本体，所述衍射元件本体为超薄平面结构，所述超薄平面结构的基底是玻璃材料，一面有二维纳米结构，所述二维纳米结构是不同方向排布的金属纳米棒，所述纳米棒的尺寸是纳米量级，方向角

Ultrathin diffractive optical element based on superstructure surface

The invention discloses an ultra-thin diffractive optical element based on a superstructure surface, including a diffractive optical element body. The diffractive element body is an ultra-thin planar structure. The substrate of the ultra-thin planar structure is glass material, and one side has a two-dimensional nanostructure. The two-dimensional nanostructure is a metal nanorod arranged in different directions. The size of the nanorods is nanometers and direction angles.

【技术实现步骤摘要】
一种基于超构表面的超薄衍射光学元件
本专利技术涉及一种基于超构表面的超薄衍射光学元件，属于光学

技术介绍
1967年，前苏联物理学家V.G.Veselago提出一个大胆的猜想：如果某种材料同时具有负介电常数ε和负磁导率μ，那么其折射率将为负值，且材料中的电场、磁场和波矢之间满足左手定则，称之为“左手材料”或“负折射率材料”。直到2001年，美国物理学家D.R.Smith利用金属线和金属开口谐振环首次构造出微波波段的负折射率材料，第一次用实验验证了左手材料的存在。此时，Veselago提出这种特性奇特的材料不仅是指左手材料，应该是可以被设计成具有任意值的介电常数ε和磁导率μ的复合功能材料，可实现自然界中不存在的电磁参数或电磁特性，如逆斯涅耳定律、反多普勒效应和反契伦科夫辐射效应等。在1999年9月，来自德州大学的RodgerM.Walser教授首次将这种自然中不存在的新型人工结构材料为“超构材料”(Meta-materials)，意思是指对电磁波的操控具有超出常规结构的极限特性。超构材料是典型的基于亚波长结构(也称人工原子或超原子，Meta-atom)构建的人工结构材料，通常是指体三维超构材料，但是由于三维加工问题和金属损耗问题(尤其是在光波段)严重影响了其进一步发展。如果将三维超构材料压缩到二维，则有可能解决以上问题。基于这一构想，今年来形成了一个新兴的研究领域是“超构表面”。超构表面逐渐形成相对独立的学科，同时又与表面等离子体光学、超构材料学等学科相互交融，具有平面化、易加工、设计灵活等优点，将工作波段扩展到光学波段，并增大了带宽。目前的衍射元件都是基于折衍射定律设计构建的，因而对波长变化敏感，并且为了解决现有技术中存在对称像问题，提高衍射系效率，必须增加量化台阶数，造成加工复杂，精度降低。因此，基于二维超构表面对光波段的操控特性，开发一种的全新的衍射光学元件，对于扩展波段、提高效率、简化加工工艺、节约成本、促进实用化是具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是提供一种基于超构表面的超薄衍射光学元件，简化结构和制作工艺，降低成本，消除对称像，实现宽带清晰成像。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于超构表面的超薄衍射光学元件，包括衍射光学元件本体，所述衍射元件本体为超薄平面结构，所述超薄平面结构的基底是玻璃材料，一面有二维纳米结构，所述二维纳米结构是不同方向排布的金属纳米棒，所述纳米棒的尺寸是纳米量级，方向角决定了纳米棒对光的相位调制，所述纳米棒的方向角对光相位的调制满足相位方程相位Φ在0～2π内发生变化，正负由入射光和透射光的偏振方向决定，入射光和透射光分别为右旋圆偏振和左旋圆偏振，则相位为正，入射光和透射光分别为左旋圆偏振和右旋圆偏振，则相位为负。优选地，所述金属纳米棒的方向角在0～π内变化。优选地，所述金属纳米棒的尺寸为：长度为140nm，宽带为60nm，高度为100nm。优选地，所述衍射元件的像素周期为200nm。优选地，所述金属纳米棒的材质是金、银。优选地，所述衍射光学元件的入射光为圆偏振，波长为380～780nm。优选地，所述衍射光学元件的基底为石英，在波长632.8nm的折射率为1.457。优选地，所述衍射光学元件的基底的厚度为0.6mm。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术通过控制金属纳米棒的构型和分布，可在宽带内实现三维彩色成像。(2)本专利技术利用纳米棒结构调控相位，可实现任意相位变化，具有很大的灵活性。(3)本专利技术在实现光波相位调制的基础上，大大简化了衍射光元件的结构，促进了光学器件的集成化。附图说明图1是本专利技术的一种基于超构表面的超薄衍射光学元件结构示意图。图2是本专利技术的金属纳米棒的示意图。图3是本专利技术的实施例一的衍射成像示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术及实施例作进一步描述：参见图1所示，一种基于超构表面的超薄衍射光学元件，包括衍射光学元件本体，本体为平面结构，结构的一侧是金属纳米棒结构，纳米棒的方向角不同，用于调控入射光的相位。光波前相位调制和纳米棒方向角的关系满足方程在0～π内变化。Φ的正负由入射光的偏振性决定，入射光和出射光分别为右旋圆偏振和左旋圆偏振，则相位为正，入射光和出射光分别为左旋圆偏振和右旋圆偏振，则相位为负。参见图2所示，组成衍射元件的纳米棒结构，纳米棒的长度为L，宽度为D，高度为H，方向角为整个单元的尺寸为周期Λ。纳米棒结构包括基底1，材质是石英，金属纳米棒2，材质是金或银。方向角决定了纳米棒单元对光相位变化的影响。参见图3所示，本专利技术的实施例中的金属纳米棒的材质是金，长度L＝140nm，宽带D＝60nm，高度H＝100nm，周期Λ＝200nm。基底是石英，厚度为0.6mm。图中，右旋圆偏振入射光3，波长为632.8nm，出射光4，偏振方向为左旋圆偏振光，衍射图样5，衍射元件对光波前相位的调制为在0～π变化，Φ在0～2π内变化。由于本专利技术的衍射元件是宽波段(380～780nm)的，因此本专利技术不仅限于实施例中的波长。另外，通过设计金属纳米棒的方向角和排布方式，可以产生任意的衍射图样。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超构表面的超薄衍射光学元件，其特征在于：包括衍射光学元件本体，所述衍射元件本体为超薄平面结构，所述超薄平面结构的基底是玻璃材料，一面有二维纳米结构，所述二维纳米结构是不同方向排布的金属纳米棒，所述纳米棒的尺寸是纳米量级，方向角

【技术特征摘要】
1.一种基于超构表面的超薄衍射光学元件，其特征在于：包括衍射光学元件本体，所述衍射元件本体为超薄平面结构，所述超薄平面结构的基底是玻璃材料，一面有二维纳米结构，所述二维纳米结构是不同方向排布的金属纳米棒，所述纳米棒的尺寸是纳米量级，方向角决定了纳米棒对光的相位调制，所述纳米棒的方向角对光相位的调制满足相位方程相位Φ在0～2π内发生变化，正负由入射光和透射光的偏振方向决定，入射光和透射光分别为右旋圆偏振和左旋圆偏振，则相位为正，入射光和透射光分别为左旋圆偏振和右旋圆偏振，则相位为负。2.根据权利要求1所述的基于超构表面的超薄衍射光学元件，其特征在于：所述金属纳米棒的方向角在0～π内变化。3.根据权利要求1所述的基于超构表面的超薄衍射光学元件，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张满，付小芳，唐勇，邓启凌，史立芳，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51