基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面及其设计方法，具有定向整流功能的片上超表面能实现对多个入射角(

【技术实现步骤摘要】
基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面及其设计方法


[0001]本专利技术属于微纳光学
，具体涉及一种基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面及其设计方法。

技术介绍

[0002]近年来，人们越来越关注一种可以在新的自由度上操纵光的超表面，即片上(2D)超表面。片上二维超表面为光学操作创造了一个新的自由度，它可以很容易地实现许多在复杂三维(3D)超表面难以实现的功能。光与片上二维元表面相互作用的最新发展和进展可以实现许多新颖的片上功能和应用，包括片上超透镜，片上光束转向，模式多路复用、解复用，模式转换器，Airy光束，无衍射传播等等。利用亚波长纳米天线阵列引起的相移的空间变化，这种二维超表面可以调制片上波面的形状和方向，最终实现任意平面内的光学操纵。
[0003]光整流是光学转向领域的一个长期挑战，它是指在同一输出方向上操纵和合并具有多个方向波振器的光束，基于传统光学很难实现。据我们所知，具有这种波束整流功能的片上超表面还没有被研究或演示过，因为操纵多个不同的入射波矢量并使它们以相同的出射波矢量出去是相当困难的。典型的光整流装置是利用部分反射/透射镜，它可以组合两个正交传播波，但成本至少50％的光能。零折射率材料可以实现光从任意角度入射沿一个角度出射的功能，但目前只支持对红外波段的光进行调制。片上光学定向整流超表面可以对可见光波段内不同角度入射表面波的整流，实现一种类似零折射率的现象。片上光子器件易于制造，兼容性好，集成度高。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的不足，本专利技术提供了一种基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面及其设计方法。片上定向整流技术实现了
±
20
°
内斜入射的表面波都沿0
°
出射，且在60nm的带宽下都能工作。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面，其特征在于：
[0007]由四种结构构成：金属基底层，电介质波导层，一列半椭圆形金属微纳结构和一列等腰梯形金属微纳结构组成的整流层；
[0008]所述一列半椭圆形金属微纳结构是对平面波进行的第一次整流，且平面波入射方向垂直于半椭圆的长轴方向；
[0009]所述一列梯形金属微纳结构，每两个梯形作为一个整流单元，它们的大边相接且沿大边对称，这列梯形金属微纳结构是平面波进行的第二次整流。
[0010]所述金属基底层，电介质波导层和两列金属微纳结构层按照顺序依次排布。
[0011]作为优选方案，所述金属基底为银基底。
[0012]进一步地，所述电介质波导为二氧化硅波导。
[0013]更进一步地，所述两列金属半椭圆型和金属等腰梯形整流微纳结构均为银纳米结构。
[0014]第二方面，本专利技术提供一种设计如上述基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面的方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0015]S1：确定半椭圆形微结构的长短轴尺寸工作波长，使这个波长下的表面波沿
±
20
°
范围内斜入射后聚焦在其长轴范围内；
[0016]S2：同时优化两列微结构间的距离和第二列等腰梯形微结构的大小边尺寸使其满足沿法向方向出射的相位梯度。
[0017]本专利技术中的片上光学整流超表面，由四种结构构成：金属底层，电介质波导层，一列半椭圆形金属微纳结构和一列等腰梯形金属微纳结构组成的整流层，金属基底层，电介质波导层和两列金属微纳结构层按照顺序依次排布；金属底层，电介质波导层和金属微纳结构分别为，银基底，二氧化硅波导和银微结构；半椭圆形结构与表面波的作用方式为表面波垂直于长轴入射；梯形结构与表面波的作用方式为经过半椭圆形结构作用后的表面波沿平行于等腰梯形大边的方向与等腰梯形结构相互作用。
[0018]本专利技术中具有定向整流的片上超表面的应用为：滤光功能的波带片用于实现多角度表面波的整流实现类似零折射率的作用。
[0019]与传统的光整流器件以及片上光转向器件相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：
[0020](1)通过两个级联的片上纳米结构之间的等离子体相互作用，可以让入射角度范围为+/
‑
20
°
的斜入射表面波在500nm左右的可见波长内沿0
°
方向传播。
[0021](2)与传统超表面的多层制造和对准困难相比，这种片上超表面方案仅通过一次光刻工艺就能够在多个片上纳米结构层之间进行相干耦合、级联和对准。
[0022](3)本专利技术设计的片上多角度定向整流，可以60nm带宽内的保持这种定向整流功能，这种超表面对片上光学的模式复用/解复用,多路信息混合处理等有重要作用。
附图说明
[0023]图1是本专利技术中具有定向整流作用的超表面结构俯视示意图；
[0024]图2是本专利技术中具有定向整流作用的超表面结构侧视示意图；
[0025]图3是本专利技术中500nm表面波沿10
°
入射时只有半椭圆形结构作用下的整流仿真效果图；
[0026]图4是本专利技术中500nm表面波沿10
°
入射时只有等腰梯形结构作用下的整流仿真效果图；
[0027]图5是本专利技术中500nm表面波沿10
°
入射时半椭圆形结构和等腰梯形结构共同作用下的整流仿真效果图；
[0028]图6是本专利技术中500nm表面波沿0
°
，10
°
，15
°
，20
°
入射时半椭圆形和等腰梯形结构共同作用下的整流仿真效果图；
[0029]图7是本专利技术中500nm表面波沿20
°
入射在波长分别为440nm,500nm,560nm,620nm四个不同波长下的整流仿真效果图。
[0030]图中：r1为半椭圆形结构的短轴；r2为半椭圆形结构的长轴；w1为等腰梯形结构的
短边；w2为等腰梯形结构的长边；h为等腰梯形结构的高，；t1为顶层半椭圆形和等腰梯形纳米微结构的厚度；t2为中间层SiO2的厚度；t3为底层银的厚度。
具体实施方式
[0031]为了更清楚的说明本专利技术结构以及其实现的功能，以下结合具体实施例和附图对本专利技术的技术方案作进一步详细阐述。
[0032]实施例1
[0033]本实施例为一种片上光学定向整流超表面的具体设计过程。
[0034]作为实施例，首先确定整流超表面为片上超表面，如图1
‑
2所示，由半椭圆形银结构作为整流结构的第一层，等腰梯形银结构作为整流结构的第二层，二氧化硅作为光波导用于传播可见光波段的光源，银基底层用于确保光在可见光波导中传播时不会沿
‑
z方向泄露。第一层周期为3.2μm半椭圆形银结构的可以在500nm波长下对不同角度入射的表面波在片上进行聚焦，其中图3表征了半椭圆形银结构对表面波的波前本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面，其特征在于：由四种结构构成：金属基底层，电介质波导层，一列半椭圆形金属微纳结构和一列等腰梯形微纳结构组成的整流层；所述一列半椭圆形金属微纳结构是对平面波进行的第一次整流，且平面波入射方向垂直于半椭圆的长轴方向；所述一列梯形微纳结构，每两个梯形作为一个整流单元，它们的大边相接且沿大边对称，这列梯形微纳结构是平面波进行的第二次整流；所述金属基底层，电介质波导层和两列金属微纳结构层按照顺序依次排布。2.根据权利要求1所述的基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面，其特征在于：所述金属基底为银基底。3.根据权利要求1或2所述片的基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面，其特征在于：所述电介质波导为二氧化硅波导。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：李仲阳，杨睿，时阳阳，万帅，王泽静，郑国兴，李子乐，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：