一种基于拓扑绝缘体的等离子体全息超表面及其构建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于拓扑绝缘体的等离子体全息超表面及其构建方法。该超表面包括衬底以及设置在衬底上周期性排布的结构单元；所述结构单元由各向异性的一个或多个具有拓扑绝缘体特性的纳米砖构成。本发明专利技术利用拓扑绝缘体在可见光波段内的宽谱表面等离激元共振，避免了传统金属等离子体超表面极高的欧姆损耗，同时利用拓扑绝缘体在可见光波段内激发的表面等离激元共振和复振幅型全息图设计，实现了整个可见光波段的宽谱偏振无关的全息成像。此外，基于等离子体超表面所设计的纳米结构单元为亚波长级，具有结构简单，体积小，重量轻，集成化程度高的优点。成化程度高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拓扑绝缘体的等离子体全息超表面及其构建方法


[0001]本专利技术涉及微纳光学及其光学全息
，具体涉及一种基于拓扑绝缘体的等离子体全息超表面及其构建方法。

技术介绍

[0002]近些年来，微纳加工技术蓬勃发展，同时伴随着超表面相位调控理论的不断发展，超表面凭借其优良的电磁调控能力以及易于制造的特性，逐渐成为全息成像领域中的研究热点。
[0003]目前，按照构成超表面结构单元的材料进行划分，可以将超表面分为等离子体超表面和介质超表面两大类。其中，等离子体超表面由于表面等离激元效应产生突变相位，可以用来设计超紧凑的光学超表面，实现微纳尺度下各式各样的功能性光学器件，这是传统器件所不能比拟的，如光子自旋霍尔效应，涡旋玻片，全息显示等，都有着非常广阔的应用前景。
[0004]然而，表面等离激元的激发需要满足共振条件，往往受限于金属材料，但金属纳米结构在可见光频率范围内总是表现出较大的寄生损耗，这样的缺点不可避免地限制了光学器件的性能。拓扑绝缘体可以为等离子体超表面器件提供极好的平台。拓扑绝缘体是一种独特的量子材料，在二维绝缘体态上具有拓扑保护的边缘态，或在三维绝缘体态下具有二维的金属表面态，相比于金属，其损耗低，且由于表面态的存在，其支持表面等离激元共振的激发，是等离子体超表面的理想替代材料。此外，由于其独特的能带结构，拓扑绝缘体材料展示了许多令人着迷的电学、热学和光学性质，例如自旋轨道耦合、近红外透明和超宽带的等离激元激发等性质。这种独特的特性使它们在设计包括纳米全息图、超透镜在内的新型光电器件方面具有广阔的前景。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，针对上述的问题，专利技术了一种基于拓扑绝缘体的等离子体全息超表面及其构建方法，利用拓扑绝缘体在可见光波段内激发的表面等离激元共振和纳米砖对入射光的复振幅调控特性，实现了透射模式下交叉偏振光复振幅的连续变化以及独立的恒定相位，进而实现了偏振无关的宽谱全息成像，打破了可见光波段等离子体超表面的金属材料限制，在包括纳米全息图在内的新型光电器件方面具有广阔的前景。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于拓扑绝缘体的等离子体全息超表面，由衬底以及设置在衬底上周期性排布的拓扑绝缘体结构单元组成；所述拓扑绝缘体结构单元由各向异性的一个或多个具有拓扑绝缘体特性的纳米砖构成，所有结构单元的方向角不完全相同，由目标影像全息图的复振幅分布确定。
[0008]所述结构单元的数量与全息图的像素数量对应，结构单元中纳米砖的数量可根据实际需要确定，可以为1个，或者2*2个、3*3
…
n*n个等。每个结构单元内，纳米砖方向角、尺
寸均相同。多个结构单元之间，纳米砖结构尺寸相同，方向角则由其对应像素的复振幅决定。
[0009]所述方向角为纳米砖的长轴和x轴之间的夹角；所述x轴为结构单元周期性排布方向。
[0010]所述的拓扑绝缘体等离子体全息超表面还包括介质衬底，用于支撑等离子体全息超表面结构；具体的，上述的介质衬底在设计工作波段透明，可以为二氧化硅、氧化铝等材料；
[0011]具体的，上述的拓扑绝缘体结构单元在工作波段能够激发表面等离激元共振，可以为碲化锑、硒化铋等材料；所述的拓扑绝缘体具有在三维绝缘体态下存在二维的金属表面态的特殊性质：底部和顶层为拓扑绝缘体表面态，中间层为拓扑绝缘体的体态；所述的拓扑绝缘体表面态和体态具有不同的介电常数。
[0012]具体的，所述纳米砖为结构相同的长方体。
[0013]具体的，上述结构单元的周期为P，为亚波长级；上述纳米砖的长L、宽W和高H均为亚波长级，亚波长的单元结构能够提高能量的利用率，避免高阶衍射造成的能量损失，从而实现高效率高性能的光学器件。
[0014]所述纳米砖对于入射的线偏振光的作用表示为：当入射光为沿x轴方向偏振的线偏振光时，则出射交叉偏振光为沿y轴方向的线偏振光，其复振幅值E
y
为：
[0015][0016]其中，为上述纳米砖的方向角，E
y
和E
x
代表两束线偏振光的复振幅，α
e
是转换系数由结构和材料所决定；当沿x轴偏振的线偏振光入射时，由式(1)可知，复振幅值仅由结构单元的方向角决定；当方向角
[0017]135
°
时，出射交叉偏振光的振幅最大；同时，当方向角在0
°
～90
°
之间时，出射交叉偏振光的相位不变，而当在90
°
～
‑
180
°
之间时，则会产生额外的π相移；因此，通过调控纳米砖的方向角，能点对点地控制光的振幅和相位。
[0018]进一步的，将入射光从x偏振变为y偏振，由式(2)可知，方向角相对于x偏振偏转了90
°
，但出射光仍具有同样的振幅和恒定的相位；而任意偏振光都可以看作是x偏振光和y偏振光的组合，因此，结构单元可在任意偏振态的入射光下工作：
[0019][0020]作为优选，入射光采用线偏振光。
[0021]作为具体优选方案，结构单元的方向角区间选自如下一种：0
°‑
45
°
和135
°‑
180
°
、0
°‑
45
°
和90
°‑
135
°
、45
°‑
90
°
和90
°‑
135
°
以及45
°‑
90
°
和135
°‑
180
°
。
[0022]一种上述任一项所述的基于拓扑绝缘体的等离子体全息超表面的构建方法，包括：
[0023](1)使用电磁仿真软件进行优化，得到工作波长下的偏振转换效率最高的纳米砖结构参数，即得到最佳纳米砖结构参数；
[0024](2)采用Gerchberg
‑
Saxton算法计算得到目标影像对应的全息图的复振幅分布；
[0025](3)采用步骤(1)中优化得到的最佳结构尺寸参数，将步骤(2)中得到的全息图的
复振幅分布编译成结构单元的方位角分布；
[0026](4)根据步骤(1)得到的最佳纳米砖结构参数以及步骤(3)得到的结构单元的方位角分布，加工得到所述基于拓扑绝缘体的等离子体全息超表面。
[0027]步骤(1)中，针对某一个待优化纳米砖结构，固定其方向角为定值，利用电磁仿真软件优化得到所述最佳纳米砖结构参数(即在工作波长下交叉偏振光振幅值最高时，对应的结构参数)；所述方向角为40～50
°
(一般选择45
°
)；所述结构参数包括纳米砖的长L、宽W、高H、以及结构单元的排布周期P(y方向和x方向周期相同)。
[0028]步骤(2)中，根据目标影像的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑绝缘体的等离子体全息超表面，其特征在于：包括衬底以及设置在衬底上周期性排布的结构单元；所述结构单元由各向异性的一个或多个具有拓扑绝缘体特性的纳米砖构成，所有结构单元的方向角不完全相同，由目标影像全息图的复振幅分布确定。2.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体的等离子体全息超表面，其特征在于：所述结构单元的周期为亚波长级；所述纳米砖为结构相同的长方体结构；所述纳米砖的长、宽和高均为亚波长级。3.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体的等离子体全息超表面，其特征在于：所述结构单元的方向角区间选自如下一种：0
°‑
45
°
和135
°‑
180
°
、0
°‑
45
°
和90
°‑
135
°
、45
°‑
90
°
和90
°‑
135
°
以及45
°‑
90
°
和135
°‑
180
°
。4.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体的等离子体全息超表面，其特征在于：所述的介质衬底在设计工作波段透明，选自二氧化硅、氧化铝中的一种或两种。5.根据权利要求1所述的基于拓扑绝缘体的等离子体全息超表面，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨程森，唐伟伟，韩利，李冠海，陈效双，
申请(专利权)人：国科大杭州高等研究院，
类型：发明
国别省市：