一种超构表面器件及其设计、制备方法技术

本发明专利技术提供一种超构表面器件及其设计、制备方法，其中，超构表面器件包括至下而上叠置的金属反射层、介质层和具备n重旋转对称性的金属结构层；金属结构层上设置多个单元结构，单元结构包括n个弧形结构，n个弧形结构顶点相接触，相邻两个弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数，其满足广义几何相位调控方程Φ＝

【技术实现步骤摘要】
一种超构表面器件及其设计、制备方法


[0001]本专利技术属于电磁波相位和振幅调控
，具体涉及一种超构表面器件及其设计、制备方法。

技术介绍

[0002]传统光学系统通过组合多个不同面形和材质的曲面光学元件实现波前调控。这些复杂的器件组合使整个光学系统笨重、繁杂，难以满足现代光学平面化、集成化和多功能化的发展趋势。近年来，超构表面作为一种可人为设计和排列亚波长结构的功能膜层器件，又称为二维超构材料，可在亚波长尺度灵活调控光波的相位、偏振、振幅和频率，为光学系统的平面化和小型化提供了新的途径。
[0003]1956年，Pancharatnam最早发现了几何相位，随后Berry将其推广至绝热量子系统中，因此几何相位又被称为PB相位。经过不断的研究发现，旋转组成超构表面的亚波长各向异性结构可产生几何相位，即结构的方向角θ对光相位的调制满足相位方程Φ＝
±
2θ，相位Φ在 0～360
°
内发生变化。最近，提出了更加完善的广义几何相位原理，即当结构具有n(n为奇数)重旋转对称性时，相位方程为Φ＝
±
2nθ。广义几何相位完善了传统几何相位理论，使得亚波长各向异性结构使用小的方向角就可以实现在0～360
°
的相位覆盖。圆二向色性是涉及圆偏振光的二色性，即左旋光的和右旋光的差分吸收，已广泛用于手性光谱仪和手性成像系统中。但广义几何相位超构表面因受限于共轭对称性和结构中的耦合，存在带宽窄、效率低及难以实现圆二向色性等问题。
[0004]因此，如何同时实现广义几何相位调控和宽带圆二向色性，已经成为一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术基于具有多重旋转对称性的结构，提出一种超构表面器件及其设计、制备方法，可同时实现圆二向色性和广义几何相位调控。当左旋/右旋圆偏振光入射时，其在宽带范围内产生了广义几何相位。而与其正交的偏振光入射时，则被高效吸收，表现出圆二向色性。本专利技术的超构表面可替代手性光谱仪、手性成像系统中的部分光学件，满足光学系统集成化以及器件小型化功能多样化的要求。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术一方面所采用的技术方案为：
[0007]一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，超构表面器件包括至下而上叠置的金属反射层、介质层和具备n重旋转对称性的金属结构层；
[0008]金属结构层包括多个单元结构，单元结构包括n个弧形结构，n个弧形结构顶点相接触，相邻两个弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数。
[0009]超构表面由金属反射层、上方的介质层、以及金属结构层组成，通过多层结构增加左旋 /右旋圆偏振光束的偏振转换效率并提高其正交偏振光的吸收率。同时，旋转结构引入广义几何相位实现任意波前调控。
[0010]进一步的，金属反射层选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种；介质层选自硅、二氧化硅、锗、氟化镁、氟化钡、二氧化钛中的任一种；金属结构层选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种。
[0011]进一步的，介质层由一层介质单层组成或两层以上的介质单层层叠组成。
[0012]进一步的，金属反射层(1)的厚度为z>λ0/20；
[0013]介质层厚度为D且λ0/10<D<2λ0；
[0014]金属结构层厚度为H且λ0/10<H<λ0；
[0015]单元结构周期为p且λ0/3<p<λ0；
[0016]其中，λ0为入射光的中心波长。
[0017]进一步的，弧形结构由单条弧线和将其绕端点旋转后的弧线首尾连接组成，旋转角度为α且π/18<α<π/3。
[0018]进一步的，弧线为阿基米德螺线、圆弧线、悬链线中的任一种。
[0019]为制备上述器件，本专利技术所采用的技术方案为：
[0020]在金属反射层上形成介质层；
[0021]在介质层上形成具备n重旋转对称性的金属结构层，n为奇数。
[0022]进一步的，金属结构层的形成包括以下步骤：
[0023]S1、选取弧线为阿基米德螺旋线、圆弧线、悬链线中的任一种；
[0024]S2、将单条弧线绕其端点旋转α后，将单条弧线和其旋转后的弧线首尾连接组成弧形结构；
[0025]S3、将n个弧形结构顶点相接触共同构成单元结构，相邻两个弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数；
[0026]S4、将单元结构旋转θ角且0≦θ≦360
°
/2n，多个单元结构排布组成金属结构层。
[0027]为设计上述兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，本专利技术所采用的技术方案为：一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件的设计方法，该方法包括以下步骤：
[0028]1)设计单元结构；
[0029]2)将单元结构旋转θ角且0≦θ≦360
°
/2n，多个单元结构排布组成金属结构层；
[0030]3)在金属结构层下方依次设置介质层和金属反射层。
[0031]进一步的，步骤1)包括以下步骤：
[0032]S21、选取弧线为阿基米德螺旋线、圆弧线、悬链线中的任一种；
[0033]S22、将单条弧线绕其端点旋转α后，将单条弧线和其旋转后的弧线首尾连接组成弧形结构；
[0034]S23、将n个弧形结构顶点相接触共同构成单元结构，相邻两个弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数。
[0035]进一步的，金属反射层的厚度为z>λ0/20；
[0036]介质层厚度为D且λ0/10<D<2λ0；
[0037]金属结构层厚度为H且λ0/10<H<λ0，
[0038]单元结构周期为p且λ0/3<p<λ0；
[0039]其中，λ0为入射光的中心波长；
[0040]金属反射层选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种；
[0041]介质层选自硅、二氧化硅、锗、氟化镁、氟化钡、二氧化钛中的任一种；
[0042]金属结构层选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种。
[0043]根据上述技术方案，设计的超构表面器件可实现广义几何相位Φ＝
±
2nθ(θ为亚波长结构的方向角，结构具备n重旋转对称性，且为奇数)调控，同时可实现宽带圆二向色性。
[0044]本专利技术的有益效果在于：本专利技术采用新的多重旋转对称性结构，可同时实现广义几何相位调控和宽带圆二向色性。超构表面具备较大的工作带宽，较高的偏振转换效率，且功能多样化等优势，适用于更复杂的应用环境。
附图说明
[0045]图1为本专利技术实施例一的结构示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，其特征在于：所述超构表面器件包括至下而上叠置的金属反射层(1)、介质层和具备n重旋转对称性的金属结构层(5)；所述金属结构层包括多个单元结构，所述单元结构包括n个弧形结构，n个所述弧形结构顶点相接触，相邻两个所述弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数。2.根据权利要求1所述的一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，其特征在于：所述金属反射层(1)选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种；所述介质层选自硅、二氧化硅、锗、氟化镁、氟化钡、二氧化钛中的任一种；所述金属结构层(5)选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种。3.根据权利要求1所述的一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，其特征在于：所述介质层由一层介质单层组成或两层以上的介质单层层叠组成。4.根据权利要求1所述的一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，其特征在于：所述金属反射层(1)的厚度为z>λ0/20；所述介质层厚度为D且λ0/10<D<2λ0；所述金属结构层(5)厚度为H且λ0/10<H<λ0；所述单元结构周期为p且λ0/3<p<λ0；其中，λ0为入射光的中心波长。5.根据权利要求1或2所述的一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，其特征在于：所述弧形结构由单条弧线和将其绕端点旋转后的弧线首尾连接组成，旋转角度为α且π/18<α<π/3。6.根据权利要求5所述的一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，其特征在于：所述弧线为阿基米德螺线、圆弧线、悬链线中的任一种。7.一种如权利要求1～6中任一项所述的超构表面器件的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：在金属反射层(1)上形成介质层；在所述介质层上形成具备n重旋转对称性的金属结...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗先刚，张飞，蒲明博，蔡吉祥，马晓亮，李雄，
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：