CN107831607B - 一种基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件 - Google Patents

一种基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件，该器件自下而上依次包括：金属反射层，相变材料层，介质隔离层以及超表面结构层。本发明基于相变材料开展偏振转换和几何相位调制器件设计，通过电激发、光激发或热激发等方式改变相变材料的晶态和介电常数等光学材料参数，在宽波段范围内实现偏振转换的动态调制，继而通过几何相位调制实现可调控波束偏折、平板透镜、计算全息和轨道角动量等新型功能器件的设计。该方法可进一步提高超表面的电磁调制能力，为功能可调的新型电磁波调制元件的设计提供了新的思路和技术方案。

Description

一种基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制 器件
技术领域
本发明属于电磁波调制领域，尤其涉及一种基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件。
背景技术
传统的偏振转换主要基于自然材料的各向异性、布儒斯特效应，而传统相位调制则通过传统材料在不同的电磁波传输路径中引入不同的相位积累。基于传统材料的偏振转换和相位调制元件普遍应用于各种光学系统和设备当中。然而，由于传统材料引入相位延迟与入射波长有关，大部分基于传统材料的偏振转换和相位调制元件的带宽都比较窄。虽然通过多层结构设计等方法可以实现宽波段的偏振转换和相位调制元件，由于传统材料本身材料特性的限制，传统电磁调控元件的厚度和体积通常比较大，制约了电磁波调制元件和系统的微型化，集成化和轻量化。
超表面作为由亚波长单元结构组成的二维人工结构，其电磁响应不受限于传统材料本身的电磁特性，具有结构设计灵活、超薄、易集成等特点。通过超表面可以实现负折射、超分辨成像和电磁隐身等自然界中普通材料所不能实现的超常物理特性和电磁功能，颠覆了人们对传统材料的认知，为新型偏振转换和相位调制元件的开发以及电磁调制元件的微型化和系统的集成化提供了新的设计思路与技术手段。基于超表面结构的宽频带、高效率的平板化偏振转换、透镜和轨道角动量发生器等新型功能器件不断涌现，偏振转换和相位调制器件的潜在应用价值也得到不断地拓展。然而，现有超表面多为被动超表面，超表面构成单元的构成材料、图案形状、尺寸、重复周期以及排布形式等一旦确定，其功能即被固化，不能够动态调节，在实际应用中有很大的局限性。将相变材料引入到偏振转换和几何相位调制超表面设计中，通过电激发、光激发或热激发等方式改变相变材料的晶态和介电常数等光学材料参数，即可在宽波段范围内实现偏振转换的动态调制，继而通过几何相位调制实现可调控波束偏折、平板透镜、计算全息和轨道角动量等新型功能器件的设计。
发明内容
本发明的目的是针对现有偏振和相位调制型超表面的不足，提供一种基于相变材料的可调宽带偏振转换和几何相位调制器件。
本发明采用技术方案为：一种基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件，该器件自下而上依次为金属反射层，相变材料层，介质隔离层以及超表面结构层，基于相变材料开展偏振转换和几何相位调制器件设计，通过电激发、光激发或热激发等方式改变相变材料的晶态和介电常数等光学材料参数，在宽波段范围内实现偏振转换的动态调制，继而通过对偏振转换得到电磁波进行几何相位调制。
所述基于相变材料的偏振转换和几何相位调制器件可针对光波段、太赫兹波段以及微波段开展结构设计。实施例给出中红外波段的偏振转换和几何相位调制器件设计。
所述金属反射层所用金属材料包括：金、银、铝、金合金、银合金、铝合金等，具体厚度可针对器件工作波段进行设计。实施例中金属反射层材料选取Au，厚度t为0.2微米。
所述相变材料层所用材料包括：GST材料、VO2材料等；所述相变材料层厚度h1的选择关系到器件的工作波长、偏振转换效率和几何相位调制功能，对应不同的波段范围可设置不同的相变材料层厚度。实施例中相变材料层材料选取GST材料，相变材料层厚度为0.5微米。
所述介质隔离层所用材料包括：SiO2材料、MgF2材料、Si材料、TaconicTLY-5材料等；所述介质隔离层和厚度h2的选择关系到器件的工作波长，对应不同的波段范围可选取不同的介质隔离层材料和设置不同的介质隔离层厚度。实施例中介质隔离层材料选取MgF2材料，介质隔离层厚度为0.5微米。
所述超表面结构包括：孔或孔的互补结构；所述超表面结构的几何图案包括：长方形、工字形、十字形、菱形、多边形、V字形、C字形、开口方环等结构，其厚度h3和周期p与工作波段有关。实施例采用金属棒状结构，厚度h3和周期p分别为0.1微米和4.2微米。
所述超表面单元结构的排布形式包括：正方形晶元排布、矩形晶元排布、六边形晶元排布等形式。实施例采用正方形晶元排布。
所述金属超表面结构和金属反射层所用金属可以相同或不同，所用金属包括：金、银、铝、金合金、银合金、铝合金等。实施例金属超表面结构和金属反射层采用同种材料。
基于偏振转换和几何相位调制超表面可实现可调波片、波束偏折、平板透镜、计算全息和轨道角动量等功能器件的设计。实施例实现了基于相变材料的可调宽带偏振转换和可调波束偏折。
值得注意的是，该方法进一步提高了超表面的电磁调制能力，为功能可调的新型电磁波调制元件的设计提供了新的思路和技术方案，在电磁通信、光谱分析和成像等领域均有广泛的应用前景。
本发明具有的有益效果在于：
(1)本发明通过引入亚波长金属超表面结构，拓展了偏振极化转换和几何相位调控的工作带宽。
(2)本发明在偏振极化转换和几何相位调控器件中引入相变材料，通过电激发、光激发或热激发等方式，可以实现可调宽带偏振转换和动态几何相位调制。
(3)本发明采用贴片单元的超表面结构，结构简单，便于加工制作，并在保证高极化转换效率的前提下，最大限度地降低了器件的整体质量和体积。
附图说明
图1为本发明一种基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件的结构示意图；
图2为本发明实施例中加温前后超表面的偏振转换效果图；
图3为实施例中电磁波束偏折器件结构示意图；
图4为实施例中加温前后波束传输方向调制效果图，其中图4(a)为加温前器件反射电场分布图，图4(b)为加温后器件反射电场分布图。
具体实施方式
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力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。
首先阐述本发明的设计原理：
一种基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件，该器件自下而上依次为金属反射层，相变材料层，介质隔离层以及超表面结构层，基于相变材料开展偏振转换和几何相位调制器件设计，通过电激发、光激发或热激发等方式改变相变材料的晶态和介电常数等光学材料参数，在宽波段范围内实现偏振转换的动态调制，继而通过对偏振转换得到电磁波成分进行几何相位调制。
所述基于相变材料的偏振转换和几何相位调制器件可针对光波段、太赫兹波段以及微波段开展结构设计。实施例给出中红外波段的偏振转换和几何相位调制器件设计。
所述金属反射层所用金属材料包括：金、银、铝、金合金、银合金、铝合金等，具体厚度可针对器件工作波段进行设计。实施例中金属反射层材料选取Au，厚度t为0.2微米。
所述相变材料层所用材料包括：GST材料、VO2材料等；所述相变材料层厚度h1的选择关系到器件的工作波长、偏振转换效率和几何相位调制功能，对应不同的波段范围可设置不同的相变材料层厚度。实施例中相变材料层材料选取GST材料，相变材料层厚度为0.5微米。
所述介质隔离层所用材料包括：SiO2材料、MgF2材料、Si材料、TaconicTLY-5材料等；所述介质隔离层和厚度h2的选择关系到器件的工作波长，对应不同的波段范围可选取不同的介质隔离层材料和设置不同的介质隔离层厚度。实施例中介质隔离层材料选取MgF2材料，介质隔离层厚度为0.5微米。
所述超表面结构包括：孔或孔的互补结构；所述超表面结构的几何图案包括：长方形、工字形、十字形、菱形、多边形、V字形、C字形、开口方环等结构，其厚度h3和周期p与工作波段有关。实施例采用金属棒状结构，厚度h3和周期p分别为0.1微米和4.2微米。
所述超表面单元结构的排布形式包括：正方形晶元排布、矩形晶元排布、六边形晶元排布等形式。实施例采用正方形晶元排布。
所述金属超表面结构和金属反射层所用金属可以相同或不同，所用金属包括：金、银、铝、金合金、银合金、铝合金等。实施例金属超表面结构和金属反射层采用同种材料。
基于偏振转换和几何相位调制超表面可实现可调波片、波束偏折、平板透镜、计算全息和轨道角动量等功能器件的设计。实施例实现了基于相变材料的可调宽带偏振转换和可调波束偏折。
实施例：
如图1所示为本发明一种基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件的结构示意图，该器件从下至上依次包括：金属反射层1，相变材料层2，介质隔离层3以及超表面结构层4。其中，所述金属反射层1为0.2微米厚的金膜，所述相变材料层2为0.5微米GST相变材料膜层，所述介质隔离层3为0.5微米的MgF2膜层，所述超表面结构层4为0.1微米厚的金结构，周期为4.2微米。
圆偏振入射光与如图1所示各向异性超表面相互作用，金属棒状结构将在偏振方向沿结构长轴和短轴两正交方向的电场分量中引入不同的相位延迟。当两正交方向上引入的相位延迟相差180°时，出射光的偏振态将被转换为入射光的交叉偏振态。由于结构引入相位延迟与金属棒状结构的长度、宽度及介质层和相变材料层的材料参数等有关，通过电激发、光激发或热激发等方式改变相变材料的晶态和介电常数等光学材料参数，即可在宽波段范围内实现偏振转换的动态调制。图2为GST材料发生相变前后材料的偏振转换效率。
此外，通过改变金属棒状结构的方位角，可对交叉偏振出射光的几何相位进行调制，继而改变电磁波束的波前和强度分布，而共偏振出射光束的相位分布与结构方位角无关。实施例设计相位调制超表面在GST材料相变前具有较高的偏振转换效率，因此，通过如图3所示超表面结构在交叉偏振出射光中引入梯度相位分布，可实现光束的偏折(如图4(a)所示))；相变后材料偏振转换效率较低，出射光主要为共偏振光，此时出射光的传输方向不发生改变(如图4(b)所示))。因此，通过改变相变材料的晶态，可以实现出射光几何相位的动态调制，继而改变出射光的传输方向。
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 (5)

1.一种基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件，其特征在于：该器件自下而上依次包括：金属反射层，相变材料层，介质隔离层以及超表面结构层，该器件基于相变材料开展偏振转换和几何相位调制器件设计，通过电激发、光激发或热激发等方式改变相变材料的晶态和介电常数等光学材料参数，在宽波段范围内实现偏振转换的动态调制，继而通过几何相位调制实现可调控波束偏折、平板透镜、计算全息和轨道角动量等新型功能器件的设计；
所述金属反射层所用金属材料包括：金、银、铝、金合金、银合金、铝合金；所述金属反射层厚度t大于100纳米，具体厚度可针对器件工作波段进行设计；
所述相变材料层所用材料包括：GST材料、VO2材料；所述相变材料层厚度h1的选择关系到器件的工作波长、偏振转换效率和几何相位调制功能，对应不同的波段范围可设置不同的相变材料层厚度，如宽带偏振转换和几何相位调制器件工作在中红外波段，相变材料层厚度可设置为0.3微米到0.7微米之间；
所述介质隔离层所用材料包括：SiO2材料、MgF2材料、Si材料、Taconic TLY-5材料；所述介质隔离层材料介电常数和厚度h2的选择关系到器件的工作波长，对应不同的波段范围可选取不同的介质隔离层材料和设置不同的介质隔离层厚度，其介电常数应小于相变材料介电常数且性质稳定不易被氧化并且不易于相变材料发生反应。宽带偏振转换和几何相位调制器件工作在中红外波段，介质隔离层材料可选取MgF2材料，介质隔离层厚度可设置为0.3微米到0.7微米之间；
所述超表面结构包括：孔或孔的互补结构；所述超表面结构的几何图案包括：长方形、工字形、十字形、菱形、多边形、V字形、C字形、开口方环结构；其厚度h3和周期p与工作波段有关；
所述超表面单元结构的排布形式包括：正方形晶元排布、矩形晶元排布、六边形晶元排布形式。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件，其特征在于：所述金属超表面结构和金属反射层所用金属可以相同或不同，所用金属包括：金、银、铝、金合金、银合金、铝合金等。
3.根据权利要求1所述的基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件，其特征在于：所述基于相变材料的偏振转换和几何相位调制器件可针对光波段、太赫兹波段以及微波段开展结构设计。
4.根据权利要求1所述的基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件，其特征在于：基于偏振转换和几何相位调制超表面可实现可调波片、波束偏折、平板透镜、计算全息和轨道角动量等功能器件的设计。
5.根据权利要求1所述的基于相变材料的可调宽带偏振转换和动态几何相位调制器件，其特征在于：基于相变材料开展偏振转换和几何相位调制器件可通过电激发、光激发或热激发等方式改变相变材料的晶态和介电常数等光学材料参数，在宽波段范围内实现偏振转换的动态调制。
所述基于相变材料的可调宽带偏振转换和几何相位调制器件源于GST、VO2等相变材料的调制特性，与结构的表面形貌无关，通过该发明方法可实现共形可调宽带偏振转换和几何相位调制器件的设计。
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