一种反射式超表面能流分布调控组件及其构建方法技术

本发明专利技术涉及一种反射式超表面能流分布调控组件及其构建方法，方法利用多层膜的反射相位和高反射率调控间隔层中的传输波和超表面中的布洛赫波来精确控制超表面表面的能流分布，从而实现不同反射通道的任意比例控制；该方法包括设计宽度渐变的介质超表面结构、设计介质间隔层、扫描反射相位对实际能流分布的影响及设计符合要求的多层膜。与现有技术相比，通过仿真证明，采用本发明专利技术可以实现结构不同反射通道的任意比例控制，该方法具有设计思路简单，物理图像明确等优点，对于异常反射类超表面的实用化具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种反射式超表面能流分布调控组件及其构建方法
本专利技术涉及电磁波波前调控
，尤其是涉及一种反射式超表面能流分布调控组件及其构建方法。
技术介绍
超表面作为二维形式的超材料，在异常偏折、超透镜成像、全息成像等方面取得了重要进展。异常偏折是超表面对电磁波最基本的调控方式之一，也是许多复杂操作和功能的基础，因此对异常偏折的调控能力的强弱直接影响超表面器件能够实现的功能和性能。由惠更斯原理可知，超表面的反射行为，如不同反射通道的比例等，是由超表面表面处的场分布决定的，而场分布又对应着特定的能流分布，因此对超表面反射行为的调控取决于对能流分布的调控能力。有研究者提出优化金属超表面产生的表面波通道来实现能量的横向转移从而控制能流分布，但由于金属在光频的损耗导致其无法实现完全的调控，例如最高效率的异常反射效率无法超过85％，此外，表面波和结构之间的构效关系不明确导致需要复杂的优化算法。尽管可以使用介质超表面来避免光频的吸收损耗，但在介质超表面体系中如何同时避免透射损耗和实现能量横向转移的精确调控仍然是一个艰巨的挑战。目前尚无有效的方法和结构可以利用全介质超表面同时实现以上两个条件来实现超表面能流分布的精确调控。针对以上问题，如何使用全介质超表面在避免吸收和透射损耗的同时，实现能量横向转移的精确调控，是反射式超表面进一步发展急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种在避免吸收和透射损耗的同时，实现能量横向转移的精确调控的反射式超表面能流分布调控组件及其构建方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种反射式超表面能流分布调控组件，包括自下而上依次设置的基板、多层膜、间隔层和超表面结构，所述超表面结构采用高折射率材料、为柱子宽度渐变的结构，所述间隔层采用低折射率材料，间隔层的厚度大于间隔层介质中四分之一波长，所述多层膜的结构为Sub|(HL)mABCDE|S；其中，(HL)m为高反射率单元，H、A、C和E为多层膜中高折射率材料的厚度，L、B和D为多层膜中低折射率材料的厚度，入射介质S为所述间隔层。进一步地，通过根据所述间隔层和超表面结构，获取最佳反射相位，从而调整所述A、B、C、D和E的厚度值，实现所述反射式超表面的能流分布调控；所述获取最佳反射相位具体为：将间隔层设置在超表面结构下方，利用超表面结构的散射系数和间隔层的参数，在间隔层下界面对传输波保持高反射率以避免透射损耗的同时，扫描反射相位对间隔层中的传输波和超表面中的布洛赫波的影响，最终得到反射相位对实际能流分布的影响，通过和预设的目标能流分布的对比获得所述最佳反射相位。进一步地，所述超表面结构包括多个超表面单元结构，所述超表面单元结构的周期和个数的计算表达式为：Np＝λ/sinθ1式中，N为超表面单元结构的个数，p为超表面单元结构的周期，λ为波长，θ1为出射光的角度，所述出射光的角度的取值范围在30度至90度范围以内。进一步地，所述高折射率材料为Si或TiO2。进一步地，所述低折射率材料为SiO2。进一步地，所述高反射率和反射相位对应于传输波的入射角，所述传输波的入射角的选择表达式为：θ2＝arcsin(mλ/nP),m＝0,±1式中，θ2为传输波的入射角，λ为工作波长，n为间隔层的折射率，P为超表面结构的周期，m为传输波的阶数。进一步地，所述H和L的厚度均为自身的四分之一光学厚度。进一步地，所述基板为熔融石英板或K9玻璃板。进一步地，所述超表面结构、间隔层、多层膜和基板组成的整体组件具有三个反射通道，所述整体组件表面处的能流分布形式为：式中，Sa(x)为整体组件表面处能流，为能流分布一阶振荡的振幅，N为超表面单元结构的个数，p为超表面单元结构的周期，为能流分布一阶振荡的相移，为能流分布二阶振荡的振幅，为能流分布二阶振荡的相移；通过控制Sa(x)的各个系数，调节不同反射通道的比例。本专利技术还提供一种如上所述的一种反射式超表面能流分布调控组件的构建方法，包括以下步骤：构建宽度渐变的反射式超表面结构：利用高折射率材料构成超表面结构，该超表面结构为柱子宽度渐变的结构；构建间隔层：间隔层使用低折射率材料，间隔层的厚度大于间隔层介质中四分之一波长；获取最佳反射相位：将间隔层设置在超表面结构下方，利用超表面结构的散射系数和间隔层的参数，在间隔层下界面对传输波保持高反射率以避免透射损耗的同时，扫描反射相位对间隔层中的传输波和超表面中的布洛赫波的影响，最终得到反射相位对实际能流分布的影响，通过和预设的目标能流分布的对比获得最佳反射相位；构建多层膜：多层膜的结构为Sub|(HL)mABCDE|S；其中，(HL)m为高反射率单元，H、A、C和E为多层膜中高折射率材料的厚度，L、B和D为多层膜中低折射率材料的厚度，入射介质S为所述间隔层；根据所述最佳反射相位调整A、B、C、D和E的厚度值，所述多层膜设置在间隔层下方。进一步地，所述超表面结构包括多个超表面单元结构，所述超表面单元结构的周期和个数的计算表达式为：Np＝λ/sinθ1式中，N为超表面单元结构的个数，p为超表面单元结构的周期，λ为波长，θ1为出射光的角度，所述出射光的角度的取值范围在30度至90度范围以内。进一步地，所述高折射率材料为Si或TiO2。进一步地，所述低折射率材料为SiO2。进一步地，所述高反射率和反射相位对应于传输波的入射角，所述传输波的入射角的选择表达式为：θ2＝arcsin(mλ/nP),m＝0,±1式中，θ2为传输波的入射角，λ为工作波长，n为间隔层的折射率，P为超表面结构的周期，m为传输波的阶数。进一步地，所述H和L的厚度均为自身的四分之一光学厚度。进一步地，所述多层膜的下方设有基板，该基板为熔融石英板或K9玻璃板。进一步地，所述超表面结构、间隔层、多层膜和基板组成的整体组件具有三个反射通道，所述整体组件表面出的能流分布形式为：式中，Sa(x)为整体组件表面处能流，为能流分布一阶振荡的振幅，N为超表面单元结构的个数，p为超表面单元结构的周期，为能流分布一阶振荡的相移，为能流分布二阶振荡的振幅，为能流分布二阶振荡的相移；通过控制Sa(x)的各个系数，调节不同反射通道的比例。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术使用全介质体系可以避免传统金属超表面的吸收问题；通过使用低折射率材料构成的且厚度大于介质中四分之一波长的间隔层来抑制倏逝波的效应，降低结构中横向能流的复杂度，为实现高效、简单的调控奠定基础；利用反射相位对传输波和布洛赫波的控制能力调控超表面表面的能流分布，方法新颖、物理图像清晰、方式简单可控，只需要扫描反射相位找到合适的相位组合就能够实现想要的能流分布，从而实现对应的反射响应。(2)本专利技术使用由下而上依次为基板、多层膜、介质间隔层和介本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种反射式超表面能流分布调控组件，其特征在于，包括自下而上依次设置的基板、多层膜、间隔层和超表面结构，所述超表面结构采用高折射率材料、为柱子宽度渐变的结构，所述间隔层采用低折射率材料，间隔层的厚度大于间隔层介质中四分之一波长，所述多层膜的结构为Sub|(HL)

【技术特征摘要】
1.一种反射式超表面能流分布调控组件，其特征在于，包括自下而上依次设置的基板、多层膜、间隔层和超表面结构，所述超表面结构采用高折射率材料、为柱子宽度渐变的结构，所述间隔层采用低折射率材料，间隔层的厚度大于间隔层介质中四分之一波长，所述多层膜的结构为Sub|(HL)mABCDE|S；其中，(HL)m为高反射率单元，H、A、C和E为多层膜中高折射率材料的厚度，L、B和D为多层膜中低折射率材料的厚度，入射介质S为所述间隔层。


2.根据权利要求1所述的一种反射式超表面能流分布调控组件，其特征在于，通过根据所述间隔层和超表面结构，获取最佳反射相位，从而调整所述A、B、C、D和E的厚度值，实现所述反射式超表面的能流分布调控；
所述获取最佳反射相位具体为：将间隔层设置在超表面结构下方，利用超表面结构的散射系数和间隔层的参数，在间隔层下界面对传输波保持高反射率以避免透射损耗的同时，扫描反射相位对间隔层中的传输波和超表面中的布洛赫波的影响，最终得到反射相位对实际能流分布的影响，通过和预设的目标能流分布的对比获得所述最佳反射相位。


3.根据权利要求1所述的一种反射式超表面能流分布调控组件，其特征在于，所述超表面结构包括多个超表面单元结构，所述超表面单元结构的周期和个数的计算表达式为：
Np＝λ/sinθ1
式中，N为超表面单元结构的个数，p为超表面单元结构的周期，λ为波长，θ1为出射光的角度，所述出射光的角度的取值范围在30度至90度范围以内。


4.根据权利要求1所述的一种反射式超表面能流分布调控组件，其特征在于，所述高折射率材料为Si或TiO2。


5.根据权利要求1所述的一种反射式超表面能流分布调控组件，其特征在于，所述低折射率材料为SiO2。


6.根据权利要求1所述的一种反射式超表面能流分布调控组件，其特征在于，所述高反射率和反射相位对应于传输波的入射角，所述传输波的入射角的选择表达式为：
θ2＝arcsin(mλ/nP),...

【专利技术属性】
技术研发人员：程鑫彬，何涛，王占山，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31