CN107390299B - 一种空间光束相位调控器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间光束相位调控器件。利用法布里珀罗谐振腔，来实现对入射光0到360度间任一度数的相位调控；利用介质衬底与介质包覆层，来为相位调控层提供保护与阻抗匹配；利用周期性阵列中不同谐振腔宽度对透射光产生不同相位延时，来实现空间光束相位调控。本发明利用厚金属超材料颗粒周期性阵列中的法布里珀罗共振实现对空间光束的相位调控，具有相位调控范围大、工作效率高、适应波段宽且器件结构简单易于制备的优点。

Description

一种空间光束相位调控器件

技术领域

本发明涉及调控器件，具体涉及一种空间光束相位调控器件。

背景技术

超材料相位调控技术在超分辨成像、亚波长聚焦、平面棱镜、波束指向、异常反射与折射、光涡旋产生以及光学偏振态调控等领域都有着广泛的应用。早期的金属超材料相位调控器件大多是由单层超薄金属纳米结构构成。通过改变纳米结构单元的形状、尺寸以及排列方式可以有效地调节透射光相位。但是该类基于单层超薄金属纳米结构的超材料相位调控器件无法有效地抑制金属结构的反射与吸收，因而其效率很低。

近年来兴起的惠更斯超表面大大的提高了超材料相位调控器件的效率。基于介质材料的惠更斯超表面相位调控器件利用同时能产生电共振与磁共振的介质纳米颗粒能够有效地抑制材料损耗与界面反射，从而能够将相位调控器件的效率提高到接近100％。但是，介质超材料相位调控器件多利用硅纳米颗粒，其工作波长被限制在300THz以下；部分利用宽禁带介质材料如氧化钛的器件虽然能够工作在可见光波段，但是其结构高宽比太大，制备难度极大，成本极高，难以普及。基于金属材料的惠更斯超表面相位调控器件由多层金属纳米结构组成，其效率相比早期单层超薄金属纳米结构的相位调控器件有很大的提升，但是目前最高效率仍然在40％以下，而且多层金属纳米结构的制备工艺复杂、成本高。

综上所述，如何提供一种超材料相位调控器件，同时具备相位调控范围大、适用波段宽、工作效率高、结构简单的特点，是本领域研究人员需要解决的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种空间光束相位调控器件，其相位调控范围大、适应波段宽、工作效率高、器件结构简单易于制备。

(二)技术方案

本发明提供了一种空间光束相位调控器件，包括：介质衬底、相位调控层、介质包覆层；所述介质衬底，置于最底端，用于为相位调控层提供相位匹配；所述相位调控层，置于介质衬底之上，用于对入射空间光束产生预定的相位调控；所述介质包覆层，置于相位调制层之上，用于为相位调控层提供阻抗匹配。

在本发明的一些实施例中，介质衬底由在工作波段透明的介质材料组成。

在本发明的一些实施例中，介质包覆层由在工作波段透明的介质材料组成。

在本发明的一些实施例中，相位调控层由厚金属超材料颗粒的周期性阵列构成。

在本发明的一些实施例中，周期性阵列上的厚金属超材料颗粒按照矩形阵列排列。

在本发明的一些实施例中，厚金属超材料颗粒的厚度不小于介质包覆层中工作波长三分之一，且超金属颗粒至少有一对光滑平面侧壁。

在本发明的一些实施例中，在垂直于光滑平面侧壁的方向上，相邻厚金属超材料颗粒间形成横向法布里珀罗谐振腔。

在本发明的一些实施例中，入射光被厚金属超材料颗粒散射后耦合到横向法布里珀罗谐振腔中形成法布里珀罗振荡，用以避开颗粒的局域表面等离激元振荡。

在本发明的一些实施例中，空间光束相位调控器件的工作波长变化时，可以通过调节法布里珀罗谐振腔的腔长使其满足谐振条件。

在本发明的一些实施例中，通过改变谐振腔的宽度，可以改变矩形厚金属超材料颗粒阵列的透射相位延迟，通过改变谐振腔的宽度，实现入射光0到360度间任一度数的相位调控。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明一种空间光束相位调控器件具有以下有益效果：

(1)通过改变谐振腔的宽度，可以实现对入射光束0到360度的相位调控；

(2)利用横向法布里珀罗谐振来进行相位调控可以降低反射与吸收损耗，保持较高的工作效率；

(3)通过调节法布里珀罗谐振腔的腔长，可以灵活地调节器件的工作波段，以适应工作波长更宽范围的需求；

(4)器件结构简单，易于制备。

附图说明

图1为本发明提供的一种空间光束相位调控器件的剖面结构示意图；

图2为组成相位调控层的周期性阵列单元的结构示意图；

图3为本发明实施例一中用于产生涡旋光束的空间光束相位调控器件的相位调控层的结构示意图；

图4为本发明实施例一中区域4到区域7对应的周期性阵列单元的透射率；

图5为本发明实施例一中区域4到区域7对应的周期性阵列单元的相对透射相位。

【符号说明】

1-介质衬底；2-相位调控层；3-介质包覆层；4-厚金属超材料颗粒长度l＝500nm的周期性厚金属超材料颗粒阵列；5-厚金属超材料颗粒长度l＝310nm的周期性厚金属超材料颗粒阵列；6-厚金属超材料颗粒长度l＝250nm的周期性厚金属超材料颗粒阵列；7-厚金属超材料颗粒长度l＝100nm的周期性厚金属超材料颗粒阵列；

z-器件垂直方向；x、y-器件水平方向。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所熟知的方式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明提供了一种空间光束相位调控器件。如图1所示，图1为本发明提供的一种空间光束相位调控器件的剖面图，该相位调控器件包括介质衬底1、相位调控层2、介质包覆层3。

介质衬底1在工作波段透明，置于最下层；相位调控层2的厚度不小于入射光在介质中的工作波长的三分之一，形成于介质衬底1之上，以保证对波长在工作波段的入射光无透射；介质包覆层3形成于相位调控层之上，介质包覆层3在入射光的工作波段透明，与介质衬底1共同为相位调控层提供支撑保护与阻抗匹配。相位调控层2由厚金属超材料颗粒的周期性阵列构成，且厚金属超材料颗粒至少有一对光滑平面侧壁，在垂直于光滑平面侧壁的方向上，相邻厚金属超材料颗粒间形成横向法布里珀罗谐振腔。

入射光被厚金属超材料颗粒散射后耦合到横向法布里珀罗谐振腔中形成法布里珀罗振荡，用以避开颗粒的局域表面等离激元振荡。当空间光束相位调控器件的工作波长变化时，可以通过调节法布里珀罗谐振腔的腔长使其满足谐振条件，因此该调控器件工作波长可调谐，调谐范围为：可见光至微波波段。通过改变谐振腔的宽度，可以改变矩形超金属颗粒阵列的透射相位延迟，因此可通过改变谐振腔的宽度，实现对入射光束0到360度间任一度数的相位调控。

下面以长方体厚金属超材料颗粒为例进行说明，但是厚金属超材料颗粒形状并不限定为长方体，所述周期性阵列的结构示意图如图2所示。图中，厚金属超材料颗粒呈矩形阵列排布，沿着图示中x坐标轴方向上的周期为Px；沿y坐标轴方向上的周期为Py。厚金属超材料颗粒长轴沿着图示中的x坐标轴方向，长度为1；短轴沿着y坐标轴方向，长度为w；厚金属超材料颗粒在z坐标轴方向上的厚度为h。周期性阵列单元中沿短轴方向相邻的厚金属超材料颗粒之间形成横向法布里珀罗谐振腔。入射光通过散射耦合到谐振腔中形成法布里珀罗振荡并高效透射，在透射光中产生附加相位延迟。不同长度厚金属超材料颗粒组成的法布里珀罗谐振腔的透射相位不同，因而由不同长度厚金属超材料颗粒组成的周期性阵列单元的透射相位也不同。通过在相位调控层不同位置引入与需要产生的相位延迟相对应的厚金属超材料颗粒周期性阵列，可以得到所需要的空间相位分布。通过调节法布里珀罗谐振腔腔长，该空间光束相位调控器件的工作波长包覆可见光到微波波段。

本实施例的空间光束相位调控器件为涡旋光束生成器件。可以将偏振沿厚金属超材料颗粒长轴方向的线偏入射高斯光束转换为涡旋光束透射输出。其工作波长为1.15um，透射效率在80％以上。该器件的介质衬底与介质包覆层材料都为石英，厚金属超材料颗粒的材料为银，厚金属超材料颗粒沿x轴方向上的两个侧壁光滑。

该器件的相位调控层的俯视示意图如图3所示，整个相位调控层由四块不同的厚金属超材料颗粒周期性阵列构成，分为图中的区域4、区域5、区域6、区域7，相位延迟步幅为90度，但厚金属超材料颗粒周期性阵列并不限定于四块，相位延迟步幅并非限定为90度，当区域为N块时，相位延迟步幅为360/N度。设x轴方向为厚金属超材料颗粒长轴，设y轴方向为厚金属超材料颗粒短轴。每个周期性阵列的厚金属超材料颗粒的排布周期都相同，都为Px＝600nm，Py＝650nm；每个阵列单元中金属天线的宽度都为w＝200nm，厚度都为h＝360nm。区域4中厚金属超材料颗粒长轴长度为l＝500nm，区域5中厚金属超材料颗粒长轴长度为l＝310nm，区域6中厚金属超材料颗粒长度为l＝250nm，区域7中厚金属超材料颗粒长轴长度为l＝100nm。

利用有限元法计算得到的区域4到区域7在工作波长1.15μm处对应的透射率如图4所示。四个区域的透射率均在80％以上。利用有限元法计算得到的区域4到区域7的相对透射相位分别如图5所示，从区域4到区域7分别为0度、90度、180度、270度。四个区域的相对透射相位以90度为步幅构建了0到360度全相位覆盖的相对相位差。当偏振方向沿厚金属超材料颗粒长轴方向的线偏振光束垂直入射到该器件上，经过相位调控层的相位调控，由于不同区域透射的光相位不同，并在角方向上以90度为步幅实现0到360度的相位分布，从而入射光束被转换为涡旋光束输出。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的空间光束相位调控器件有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和步骤的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明提供的一种空间光束相位调控器件相位调控范围大、适应波段宽、工作效率高、器件结构简单易于制备。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空间光束相位调控器件，包括：介质衬底、相位调控层、介质包覆层；

所述相位调控层，形成于介质衬底之上，用于对入射光进行相位调控；

所述介质包覆层，形成于相位调制层之上，用于与介质衬底共同为相位调控层提供阻抗匹配；介质包覆层采用在入射光工作波段透明的介质材料。

2.如权利要求1所述的空间光束相位调控器件，其特征在于，介质衬底采用在入射光工作波段透明的介质材料。

3.如权利要求1所述的空间光束相位调控器件，其特征在于，相位调控层为金属超材料颗粒的周期性阵列。

4.如权利要求3所述的空间光束相位调控器件，其特征在于，周期性阵列上的金属超材料颗粒按照矩形阵列排布。

5.如权利要求4所述的空间光束相位调控器件，其特征在于，金属超材料颗粒的厚度不小于介质包覆层中工作波长三分之一，且金属超材料颗粒至少有一对光滑平面侧壁。

6.如权利要求5所述的空间光束相位调控器件，其特征在于，在垂直于光滑平面侧壁的方向上，相邻金属超材料颗粒间形成横向法布里珀罗谐振腔。

7.如权利要求6所述的空间光束相位调控器件，其特征在于，入射光被金属超材料颗粒散射后耦合到横向法布里珀罗谐振腔中形成法布里珀罗振荡，用以避开颗粒的局域表面等离激元振荡。

8.如权利要求6所述的空间光束相位调控器件，其特征在于，横向法布里珀罗谐振腔的腔长随入射光工作波长变化而改变，以满足谐振条件。

9.如权利要求6所述的空间光束相位调控器件，其特征在于，金属超材料颗粒阵列的透射相位延迟随谐振腔宽度的变化而改变，通过改变谐振腔的宽度，实现入射光0到360度间任一度数的相位调控。