CN105866981A - 宽带电磁波相位调控的方法和超表面亚波长结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带电磁波相位调控的方法和一种超表面亚波长结构。本发明利用亚波长结构作为超表面的基本单元，按照预定相位所决定的规则排列形成阵列，在0到2π之间产生空间连续和频谱消色差的几何相位分布，从而实现相位在二维平面内的连续调控。本发明的相位调控方法和设备的工作带宽可覆盖整个电磁频谱，根据这种亚波长结构所产生的相位分布可设计多种光学器件，如反射聚焦/成像元件、透射聚焦/成像元件、棱镜、轨道角动量产生器等。作为相位调控的扩展，本发明也可实现其他新型的电磁波功能，例如宽带吸收以及雷达散射截面缩减。

Description

宽带电磁波相位调控的方法和超表面亚波长结构

技术领域

本发明属于光场调控技术领域，特别涉及一种利用超表面亚波长结构进行宽带电磁波相位调控的方法和超表面亚波长结构。

背景技术

相位调控在各种光学元件中起着关键作用。特别是在包括平面透镜、分束器、棱镜等的平面光子器件中，在平面内实现光学相位[0,360°]范围调节是相关技术的核心技术。

传统的相位调控技术包括以下几种：

1.改变光学材料的面型和厚度d(如传统曲面光学透镜和微透镜)，Φ＝kd，通过厚度变化实现相位调控；

2.在厚的(d～λ)金属薄膜上制备纳米尺寸的小孔，通过调节小孔的尺寸来改变相位延迟。例如中国发明专利CN201310312163.9“基于人工电磁材料的表面等离激元透镜”描述了这种技术；

3.在厚的金属膜层或介质材料上制备亚波长小孔，通过改变等效折射率实现梯度折射率分布，从而调节相位延迟。例如中国发明专利CN200710176013.4“一种三维亚波长金属结构透镜”、中国发明专利CN200810104602.6“一种深度调制三维亚波长金属结构透镜”和中国发明专利CN201410317149.2“一种具有振幅和相位调控的亚波长孔结构阵列”描述了这种技术；

4.在厚度远小于波长(d<<λ)的金属薄膜或介质材料上制备离散的金属天线或纳米棒，通过旋转金属天线或纳米棒，实现非均匀的几何相位分布。例如中国实用新型专利201520096254.8“一种透射式硅纳米阵列光分束器”描述了这种技术。

在上述第2、3、4种技术中，通常是一个单元结构对应一个相位分布，所形成的相位分布是离散性的，并且很难实现宽带性能。

传统振幅型衍射元件存在高阶的衍射级次，无法实现对相位的调控；而传统相位型衍射光学元件也是通过厚度改变来实现相位调控，使得元件的尺寸、重量都很大，不能满足当前各种应用走向高效集成化和一体化的趋势。

近年来，作为一种二维超材料，基于亚波长结构的超表面结构被证实可以实现电磁波振幅、相位和偏振态的全面调控。利用超表面辅助的反射和折射定律，波前可以被任意调制。超表面结构丰富独特的物理特性及其对电磁波的灵活调控能力使其在隐身技术、天线技术、微波和太赫兹器件、光电子器件等诸多领域具有诱人的应用前景。但是，随着研究的深入，亚波长结构超表面的带宽问题成为限制其实际应用的重要障碍。

发明内容

本发明提出了一种利用超表面亚波长结构进行宽带电磁波相位调控的方法和超表面亚波长结构。本发明的通过亚波长结构产生的相位分布决定于表面结构形式。

本发明提供了一种利用超表面亚波长结构进行宽带电磁波相位调控的方法，包括以下步骤：(1)对预先定义的空间变化的相位分布函数进行积分，得到一条曲线；(2)由所述曲线所限定的闭合区域限定了所述亚波长结构基本单元的形状，所述亚波长结构充当超表面的基本单元，按照预定相位所决定的规则排列形成亚波长结构阵列；以及用圆偏振光照射所述超表面亚波长结构，产生具有所述空间变化的相位的光束。

根据本发明的另一个方面，还提出了一种超表面亚波长结构，包括：由多个亚波长结构基本单元，其中所述亚波长结构基本单元按照预定相位所决定的规则排列而形成超表面亚波长结构阵列，其中所述亚波长结构基本单元的形状由以下曲线限定：(1)对预先定义的空间变化的相位分布函数进行积分，得到一条曲线；(2)由所述曲线所限定的闭合区域限定了所述亚波长结构基本单元的形状。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的单个亚波长结构即可在[0,2π]范围产生的线性相位分布，结合亚波长结构的光学和拓扑 特性，本发明能够在纳米量级的单膜层中控制光子，可在平面内实现任意的相位分布，并且能够在超宽频谱范围(覆盖红外、太赫兹、微波等波段)工作，带宽远远超过传统结构形式，可用于构建超薄、轻量化的光学器件。

附图说明

图1为圆偏振光垂直入射在本发明实施例的亚波长结构的示意图；

图2为单个亚波长结构的扫描电镜图(SEM)；

图3为圆偏振光通过单个亚波长结构产生自旋-霍尔效应的光强测试图；

图4为圆偏振光通过单个亚波长结构产生自旋-霍尔效应的光强仿真图；

图5为本发明实施例的另一个超表面亚波长结构样品的扫描电镜图(SEM)；

图6为本发明实施例的通过亚波长结构阵列使光束发生偏折的衍射示意图；

图7为本发明实施例的产生聚焦光束的超表面亚波长结构样品的设计图；

图8为本发明实施例的产生聚焦光束的超表面亚波长结构样品的相位示意图；

图9为本发明实施例的产生聚焦光束的超表面亚波长结构样品的测试图；

图10为本发明实施例的产生贝塞尔光束的另一种超表面亚波长结构样品的扫描电镜图；

图11为右旋圆偏振光RCP透过贝塞尔产生器的强度分布图；

图12为本发明实施例的产生OAM光束的超表面亚波长结构样品的设计图；

图13为本发明实施例的另一种超表面亚波长结构样品的扫描电镜图；

图14为本发明实施例的在不同波长和偏振下，距离样品表面几微 米的强度图案。

具体实施方式

现在对本发明的实施例提供详细参考，其范例在附图中说明，图中相同的数字全部代表相同的元件。为解释本发明下述实施例将参考附图被描述。

以下结合附图，对本发明的实施进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面的实施例，下面的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，应包括权利要求书中的全部内容；而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求书中的全部内容，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

本发明的一个方面提供了一种利用超表面亚波长结构进行宽带电磁波相位调控的方法，包括以下步骤：(1)对预先定义的空间变化的相位分布函数进行积分，得到一条曲线；(2)由所述曲线所限定的闭合区域限定了所述亚波长结构基本单元的形状，所述亚波长结构充当超表面的基本单元，按照预定相位所决定的规则排列形成亚波长结构阵列；以及用圆偏振光照射所述超表面亚波长结构，产生具有所述空间变化的相位的光束。

优选地，所述亚波长结构基本单元在每一个周期内曲线是完全连续的。

优选地，通过将所述曲线沿着光轴平移小于入射电磁波波长的距离Δ(0～λ)得到两条曲线，并通过将两条曲线的端点连接在一起形成闭合区域，所述闭合区域限定了所述亚波长结构基本单元的形状。

优选地，每一个所述亚波长结构基本单元的平移距离Δ<λ，水平长度Λ>λ，其中λ是入射电磁波的波长。

优选地，所述亚波长结构的基本单元或周期性阵列使圆偏振光产生角度为θ＝σarcsin(λ/Λ)的偏折，其中σ＝±1代表左旋和右旋圆偏振。

优选地，所述亚波长结构阵列按照预定义的相位排布使平行光束聚焦，用于光学成像。

优选地，所述亚波长结构阵列按照预定义的相位排布使平行光束通过此结构产生带有轨道角动量OAM的光束。

优选地，所述亚波长结构阵列按照预定义的相位排布使平行光束通过此结构产生高阶贝塞尔(HOBB)光束。

优选地，通过将所述亚波长结构进行尺寸缩放用于其他波段电磁波。

根据本发明的另一个方面，还提出了一种超表面亚波长结构，包括：由多个亚波长结构基本单元，其中所述亚波长结构基本单元按照预定相位所决定的规则排列而形成超表面亚波长结构阵列，其中所述亚波长结构基本单元的形状由以下曲线限定：(1)对预先定义的空间变化的相位分布函数进行积分，得到一条曲线；(2)由所述曲线所限定的闭合区域限定了所述亚波长结构基本单元的形状。

优选地，将所述曲线沿着光轴平移小于入射电磁波波长的距离Δ(0～λ)得到两条曲线，并通过将两条曲线的端点连接在一起形成闭合区域，所述闭合区域限定了所述亚波长结构基本单元的形状。

优选地，在厚度30nm<Tg<300nm的薄膜上制备所述亚波长结构基本单元。

优选地，所述薄膜是金属或介质。

优选地，所述金属为：金、银、铜、铝、铬、镉、金合金、银合金、铜合金、锌合金或铝合金。

优选地，所述介质为以下半导体材料中的一种或多种：单晶硅、多晶硅、锗、二氧化硅或砷化镓。

优选地，所述亚波长结构的基材在不同的波段使用不同的材料。

优选地，所述基材在光波段工作所用的材料包括：石英、有机玻璃、硅片等介质材料。

优选地，所述基材在微波段工作所用材料包括如FR4的微波介质材料。

优选地，所述基材在红外、太赫兹波段工作所用材料包括：硅、锗等红外介质材料。

优选地，所述基材具有平面结构或曲面结构。

优选地，在膜层上制备所述亚波长结构。

优选地，所述亚波长结构包括孔或孔的互补结构。

下面结合具体的结构详细地描述本发明的超表面亚波长结构的工作原理。

单个超表面亚波长结构产生自旋 - 霍尔效应

本发明实施例的具体步骤如下：

(1)首先确定可产生自旋-霍尔效应的线性相位分布Φ(x)＝2πx/Λ；

(2)对上述相位分布函数积分可得亚波长方程如下：

$y=\frac{\mathrm{\&Lambda;}}{\mathrm{\&pi;}}ln\left(\right|\sec \left(\mathrm{\&pi;}x/\mathrm{\&Lambda;}\right)\left|\right),---\left(1\right)$

其中，Λ是一个曲线的水平长度。将该曲线沿y轴平移小于波长的距离Δ，得到的亚波长结构如图1所示。由所述曲线所限定的闭合区域限定了所述亚波长结构基本单元的形状。具体地，将原曲线和移动后的曲线的端点固定在一起，沿y轴将所述曲线平移小于波长的距离Δ，从而得到所述亚波长结构。

(3)通过聚焦离子束(FIB)在120nm厚的金(Au)薄膜上制备一个亚波长样品(图2)，基底材料为1mm厚的石英。所述亚波长样品具有由上述封闭曲线限定的形状。

(4)如图2所示样品在圆偏振光(CPL)照射下，产生了一个线性几何相位，Ф(x)＝2σξ(x)，ξ(x)为曲线切线与x轴之间的夹角，在左右端点之间变化从-π/2到π/2，其中σ＝±1表示左和右旋圆偏振(LCP和RCP)，请参照图3和图4。图3为圆偏振光通过单个亚波长结构产生自旋-霍尔效应光强测试图。图4为圆偏振光通过单个结构产生自旋-霍尔效应光强仿真图。由此说明本发明提供的方案能够实现自旋-霍尔效应。

利用亚波长结构阵列产生光束的偏折

本实施例具体步骤如下：

(1)确定可产生光束偏折的线性相位分布Φ(x)＝k_ax

(2)对上述相位分布函数积分可得曲线方程如下：

$y=-\frac{2\mathrm{\&sigma;}}{k_a}ln\left(\right|cos\left(k_{a}x/2\right)\left|\right)---\left(2\right)$

其中，k_a是结构产生的沿x方向的波矢量，选择σ＝1，将该曲线沿y轴平移Δ，得到如图1所示的亚波长结构。

(3)将得到的亚波长结构排列成线性阵列(图5)，沿x方向的周期P_x＝2μm，沿y方向周期P_y＝Δ＝200nm。通过聚焦离子束(FIB)在120nm厚的金(Au)薄膜上制备一个样品，基底材料为1mm厚的石英。

(4)如图6a和6c所示，样品在CPL(λ＝632.8nm)的照射下，得到光束偏转角分别为±18.5°，与公式θ＝σsin^-1(λ/P_x)所得到的理论值±18.45°相当。

(5)如图6b所示,当线性偏振(LP)光束照射在亚波长结构中时，LCP和RCP对称地偏折。

上述实验结果说明本发明提供的方案能够产生光束的偏折。

利用亚波长结构阵列产生聚焦光束

本实施例具体步骤如下：

(1)确定可产生聚焦光束的相位分布：

其中，k＝2π/λ是真空中的波数。设计参数为拓扑荷l＝2，f＝40μm。透镜的内、外半径为10.6和20.8μm。

(2)对上述相位分布函数进行积分，将该曲线沿y轴平移Δ，得到亚波长结构，并将得到的亚波长结构按照图7的设计过程排列成阵列，在厚度为120nm的金薄膜上制作一个亚波长样品(图8)，基底材料为1mm厚的石英。

(3)如图9所示，样品在RCP(σ＝-1，λ＝632.8nm)照明下，产生了聚焦光束。

利用亚波长结构阵列产生贝塞尔光束

本实施例具体步骤如下：

(1)确定可产生贝塞尔光束的相位分布：

其中，k_r为贝塞尔光束的横向波矢量，设计参数为k_r＝karcsin(λ/Λ)，Λ＝2μm，拓扑荷l＝0。

(2)对上述相位分布函数进行积分后得到一条曲线，将该曲线沿y轴平移Δ，得到亚波长结构(图10)，在厚度为120nm的金薄膜上制作亚波长结构的样品，基底材料为1mm厚的石英。

(3)样品在RCP(σ＝-1，λ＝785nm)照明下，透过强度可通过显微镜测定，如图11所示。由上述实验结果说明本发明提供的方案能够产生贝塞尔光束。

利用亚波长结构阵列产生普通的轨道角动量 (OAM) 光束

普通的OAM光束具有沿方位角方向的螺旋相位。本实施例具体步骤如下：

(1)根据所需相位分布确定极坐标中的曲线方程：

其中，r₀为最内侧曲线的顶点的位置，Δ是在相邻的曲线两个顶点之间的距离，m是这些曲线的序号。依据公式，可以使用这个亚波长结构产生具有任意拓扑荷的OAM光束。

(2)将得到的亚波长结构按照图12的设计过程排列成阵列，通过聚焦离子束(FIB)在120nm厚的金(Au)薄膜制备了一个拓扑荷l＝-3的亚波长结构样品(如图13所示)，其中Δ＝200nm，r₀＝1.5μm，基底材料为1mm厚的石英。

(3)样品在CPL照明下，亚波长结构同时产生两种相同强度的光束，一束光具有均匀的相位，另一束具有螺旋相位即为产生的OAM光束。

(4)本实施例采用三个激光源λ＝532，632.8和780nm证明本发明的宽带性能。如图14所示，不同波长和偏振下，距离样品表面几微米的强度图案。对于x和y偏振分量，可以看到旋转环绕光束中心的瓣，其中l的模量和符号是由瓣的个数和扭转方向决定的。由上述实验结果说明本发明提供的方案能够产生轨道角动量光束。

尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明 的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改变。

Claims (22)

1.一种利用超表面亚波长结构进行宽带电磁波相位调控的方法，包括以下步骤：

形成亚波长结构基本单元，其中所述亚波长结构基本单元的形状由以下曲线限定：

(1)对预先定义的空间变化的相位分布函数进行积分，得到一条曲线；

(2)由所述曲线所限定的闭合区域限定了所述亚波长结构基本单元的形状，所述亚波长结构基本单元充当超表面结构的基本单元，按照预定相位所决定的规则排列以形成超表面亚波长结构阵列；以及用圆偏振光照射所述超表面亚波长结构，产生具有所述空间变化的相位的光束。

2.根据权利要求1所述的利用超表面亚波长结构进行宽带电磁波相位调控的方法，其特征在于，所述亚波长结构基本单元在每一个周期内曲线是完全连续的。

3.根据权利要求1所述的利用超表面亚波长结构进行宽带电磁波相位调控的方法，其中通过将所述曲线沿着光轴平移小于入射电磁波波长的距离Δ(0～λ)得到两条曲线，并通过将两条曲线的端点连接在一起形成闭合区域，所述闭合区域限定了所述亚波长结构基本单元的形状。

4.根据权利要求1所述的利用超表面亚波长结构进行宽带电磁波相位调控的方法，其特征在于，每一个所述亚波长结构基本单元的平移距离Δ<λ，水平长度Λ>λ，其中λ是入射电磁波的波长。

5.根据权利要求1所述的一种利用超表面亚波长结构进行宽带电磁波相位调控的方法，其特征在于，所述亚波长结构的基本单元或周期性阵列使圆偏振光产生角度为θ＝σarcsin(λ/Λ)的偏折，其中σ＝±1代表左旋和右旋圆偏振。

6.根据权利要求1所述的一种利用超表面亚波长结构进行宽带电磁波相位调控的方法，其特征在于，所述亚波长结构阵列按照预定义的相位排布使平行光束聚焦，用于光学成像。

7.根据权利要求1所述的一种利用超表面亚波长结构进行宽带电磁波相位调控的方法，其特征在于，所述亚波长结构阵列按照预定义的相位排布使平行光束通过此结构产生带有轨道角动量OAM的光束。

8.根据权利要求1所述的一种利用超表面亚波长结构进行宽带电磁波相位调控的方法，其特征在于，所述亚波长结构阵列按照预定义的相位排布使平行光束通过此结构产生低阶和高阶贝塞尔光束。

9.根据权利要求1所述的一种利用超表面亚波长结构进行宽带电磁波相位调控的方法，其特征在于，通过将所述亚波长结构进行尺寸缩放用于其他波段电磁波。

10.一种超表面亚波长结构，包括：

由多个亚波长结构基本单元，其中所述亚波长结构基本单元按照预定相位所决定的规则排列而形成超表面亚波长结构阵列，其中所述亚波长结构基本单元的形状由以下曲线限定：

(1)对预先定义的空间变化的相位分布函数进行积分，得到一条曲线；

(2)由所述曲线所限定的闭合区域限定了所述亚波长结构基本单元的形状。

11.根据权利要求10所述的超表面亚波长结构，其中将所述曲线沿着光轴平移小于入射电磁波波长的距离Δ(0～λ)得到两条曲线，并通过将两条曲线的端点连接在一起形成闭合区域，所述闭合区域限定了所述亚波长结构基本单元的形状。

12.根据权利要求10所述的超表面亚波长结构，其特征在于，在厚度30nm<Tg<300nm的薄膜上制备所述亚波长结构基本单元。

13.根据权利要求12所述的超表面亚波长结构，其中所述薄膜是金属或介质。

14.根据权利要求13所述的超表面亚波长结构，所述金属为：金、银、铜、铝、铬、镉、金合金、银合金、铜合金、锌合金或铝合金。

15.根据权利要求13所述的超表面亚波长结构，其中所述介质为以下半导体材料中的一种或多种：单晶硅、多晶硅、锗、二氧化硅或砷化镓。

16.根据权利要求10所述的超表面亚波长结构，其特征在于，所述亚波长结构的基材在不同的波段使用不同的材料。

17.根据权利要求16所述的超表面亚波长结构，其特征在于，所述基材在光波段工作所用的材料包括：石英、有机玻璃、硅片等介质材料。

18.根据权利要求16所述的超表面亚波长结构，其特征在于，所述基材在微波段工作所用材料包括如FR4的微波介质材料。

19.根据权利要求16所述的超表面亚波长结构，其特征在于，所述基材在红外、太赫兹波段工作所用材料包括：硅、锗等红外介质材料。

20.根据权利要求16所述的超表面亚波长结构，其特征在于，所述基材具有平面结构或曲面结构。

21.根据权利要求10所述的超表面亚波长结构，其特征在于，在膜层上制备所述亚波长结构。

22.根据权利要求10所述的超表面亚波长结构，其特征在于，所述亚波长结构包括孔或孔的互补结构。