CN108508506A - 基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能器件 - Google Patents

基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于介质超表面的波片和光束偏转器、波片和聚焦透镜相结合的双功能器件，工作在通信波段，采用硅作为介质材料，衬底为二氧化硅；特征是硅材料采用砖形作为单元结构的设计，按二维晶格周期性排列符合所需相位梯度的若干个砖形结构构成矩形块阵列；所述介质超表面单元结构的硅纳米砖的厚度为0.9μm。在控制相位波前实现偏转器或聚焦透镜的同时，通过调整单元结构的长和宽来控制入射光的x线偏转光分量和y线偏转光分量的透射的相位差，从而同时实现波片的功能。相比较以往的器件本发明的结构简单，偏转效率提高到80％，与现有波片和光学器件堆叠使用相比较，本发明克服了加工制作的不便，有利于光学器件的可集成性和小型化。

Description

基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能器件
技术领域
本发明属于基于人工复合材料超表面的光学器件技术领域，具体涉及基于介质超表面的波片和光束偏转器、波片和聚焦透镜相结合的双功能器件。
背景技术
调控电磁波一直都是光学、物理学领域的研究热点，检偏器、各种透镜、波片、偏转器等传统的光学器件在许多领域起着至关重要的作用。然而受限于自然界材料的性质，以及尺寸大、不利于集成等原因，导致许多功能无法实现。2000年在《Physics ReviewLetter》85期18刊上发表的一篇关于负折射超材料的文章“Negative refraction makes aperfect lens”引申出了超材料(metamaterials)的概念。超材料是由亚波长结构单元按照一定的排列方式组成的人工复合材料，它的诞生为完全操控电磁波提供了可能。超材料理论上可以实现任意的等效介电常数与磁导率，远远超过了自然材料可覆盖的范围，因此可以使人们调控电磁波的能力极大增强。虽然超材料取得了长足的发展，但仍存在一些固有的缺陷，例如复杂的三维立体结构——超材料一般由多层结构组成且每层之间要求对齐，即使对现代最先进的工艺来说也是很大的挑战。此外散射损耗与相位畸变问题无法避免，这些都限制了其实际的应用。2011年《Science》334期5781刊上的“Light propagationwith phase discontinuities:generalized laws ofreflection and refraction”一文中首先提出了V形金属天线阵列组成的超表面(metasurface)，超表面的诞生解决了超材料存在的问题，超表面是二维的、超薄的超材料，相比较而言超材料更易于实际的应用。超表面引入了突变的振幅和相位，不再依赖于传播过程中的逐渐累积，因此基于超表面的光学器件具有超薄、微型化的特点，有利于集成器件的开发。
目前，光学器件主要是基于金属超表面来实现，但由于金属结构固有的欧姆损失以及两种偏振分量的存在，金属超表面的透射效率极低。而用介质结构代替金属结构以及优化结构参数，可以消除欧姆损失并将不可控制的偏振分量消除，从而进一步提高反射式超表面的效率。根据2014年《Nature Communications》5期s 1-4刊上的“Laser printingofsilicon nanoparticles with resonant optical electric and magneticresponses”一文中提出的硅纳米粒子特性，由硅纳米结构构成的介质超表面可以极大地抑制金属超表面的固有损失，同时可以利用比较成熟的半导体制作工艺来制作介质超表面，有利于实现高透射、低损失、具有兼容性的光学器件。由于超表面由介质构成，超表面的吸收损失比较小，特别是长波长入射时，可以实现较高的效率。根据CN201510974702.4“一种基于梯度超表面的透射双功能器件”专利所设计的多功能器件，需要将多个各自能够实现各自特定的功能(偏振，振幅和波前等)的超表面组合在一块，从而实现同时产生多个功能，但这种堆叠的方式对于制作加工具有很大的挑战。因此，如果能在同一个平面器件上设计出将波片和偏转器、波片和聚焦透镜相结合的双功能，就能更利于满足如今对高集成多功能器件的需求。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件，包括半波片-偏转器、半波片-聚焦透镜、四分之一波片-偏转器、四分之一波片-聚焦透镜；其中偏转器件的偏转方向以及透镜的聚焦位置可以任意控制、并具有高的透射率；通过该器件能够将波片器件和偏转器、聚焦透镜集成到一个平面，从而有利于器件的小型化和集成化。
本发明基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件，工作在近红外波段，采用硅作为介质材料，衬底为二氧化硅；其特征在于：硅材料采用砖形作为单元结构的设计，按二维晶格周期性排列符合所需相位梯度的40×40个砖形结构构成硅纳米砖结构矩形块阵列；介质超表面单元结构的硅纳米砖的厚度为0.9μm，且超表面单元结构的晶格常数为0.65μm；二氧化硅基底的厚度为0.3μm；
所述硅纳米砖结构矩形块阵列采用如下方式制备：用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)将硅沉积到熔融的二氧化硅基底上面，然后在硅层上旋涂一层光刻胶，选择掩膜板放在光刻胶上面，放入紫外光曝光系统中进行紫外线曝光，再将曝光之后的器件放入显影液中对光刻胶进行图案化刻蚀，然后用深层离子蚀刻技术刻蚀硅层使其形状为砖形，根据不同双功能器件的不同尺寸要求来刻蚀所需要的硅纳米砖结构阵列；最后去除光刻胶，即得到最终的硅纳米砖超表面结构阵列双功能光学器件。
使用该硅纳米砖超表面结构阵列器件时，设超表面结构放置在XOY平面上，其中硅纳米砖的长边a平行于x轴，短边b平行于y轴，电磁波向z方向入射，电磁波的偏振态为45°线偏振光，该偏振光可以分解为沿着x轴和y轴的两个偏振分量，由于硅纳米砖沿着x轴和y轴的尺寸不同，导致两个方向的偏振分量具有不同的透射相位，也就是两个方向的透射电磁波偏振分量具有相位差；
当本发明基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件处于硅纳米砖阵列的一个周期内的尺寸分别为：a＝285nm、b＝388nm；a＝275nm、b＝350nm；a＝256nm、b＝334nm；a＝227nm、b＝323nm；a＝160nm、b＝347.5nm；a＝380nm、b＝497nm；a＝305nm、b＝565nm；a＝293nm、b＝480nm；就可以使得每个单元结构的两个方向的透射电磁波偏振分量的相位差为π/2，并且在一个周期内每相邻单元结构之间有恒定的相位差，而一个周期内可以覆盖2π的相位差，再将该周期阵列沿着x轴和y轴方向进行周期延拓得到40×40的阵列，从而实现四分之一波片-偏转器的功能；当本发明基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件处于硅纳米砖阵列的一个周期内的尺寸分别为：a＝290nm、b＝395nm；a＝520nm、b＝200nm；a＝240nm、b＝330.6nm；a＝288nm、b＝393nm；a＝560nm、b＝180nm；a＝227nm、b＝325nm；a＝280nm、b＝366nm；a＝300nm、b＝544.5nm；a＝120nm、b＝399nm；a＝240nm、b＝330nm；a＝283nm、b＝373nm；a＝300nm、b＝517nm；a＝520nm、b＝200nm；a＝200nm、b＝325nm；a＝240nm、b＝330nm；a＝270nm、b＝345nm；a＝283nm、b＝373nm；a＝290nm、b＝400nm；a＝300nm、b＝395nm；a＝290nm、b＝477nm；a＝290nm、b＝477nm；a＝300nm、b＝395nm；a＝290nm、b＝400nm；a＝283nm、b＝373nm；a＝270nm、b＝345nm；a＝240nm、b＝330nm；a＝200nm、b＝325nm；a＝520nm、b＝200nm；a＝300nm、b＝517nm；a＝283nm、b＝373nm；a＝240nm、b＝330nm；a＝120nm、b＝399nm；a＝300nm、b＝544.5nm；a＝280nm、b＝366nm；a＝227nm、b＝325nm；a＝288nm、b＝393nm；a＝240nm、b＝330.6nm；a＝520nm、b＝200nm；a＝290nm、b＝395nm；就可以使得每个单元结构的两个方向的透射电磁波偏振分量的相位差为π/2，并且使得出射的相位波前满足聚焦所需相位：f是透镜的焦距，从而实现四分之一波片-聚焦透镜的功能；当本发明基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件处于硅纳米砖阵列的一个周期内的尺寸分别为：a＝520nm、b＝135.8nm；a＝240nm、b＝560nm；a＝237nm、b＝430nm；a＝210nm、b＝410nm；a＝135.8nm、b＝520nm；a＝560nm、b＝240nm；a＝430nm、b＝237nm；a＝410nm、b＝210nm；就可以使得每个单元结构的两个方向的透射电磁波偏振分量的相位差为π，并且在一个周期内每相邻单元结构之间有恒定的相位差，而一个周期内可以覆盖2π的相位差，再将该周期阵列沿着x轴和y轴方向进行周期延拓得到40×40的阵列，从而实现二分之一波片-偏转器的功能；当本发明基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件处于硅纳米砖阵列的一个周期内的尺寸分别为：a＝540nm、b＝130nm；a＝560nm、b＝242nm；a＝237nm、b＝435nm；a＝412nm、b＝220nm；a＝183nm、b＝420nm；a＝538nm、b＝120nm；a＝450nm、b＝240nm；a＝220nm、b＝412nm；a＝440nm、b＝167.7nm；a＝560nm、b＝242nm；a＝220nm、b＝520nm；a＝420nm、b＝186.6nm；a＝560nm、b＝240nm；a＝225nm、b＝413nm；a＝560nm、b＝122nm；a＝520nm、b＝220nm；a＝122nm、b＝560nm；a＝220nm、b＝412nm；a＝236nm、b＝560nm；a＝540nm、b＝130nm；a＝420nm、b＝186.6nm；a＝400nm、b＝210nm；a＝400nm、b＝210nm；a＝420nm、b＝186.6nm；a＝540nm、b＝130nm；a＝236nm、b＝560nm；a＝220nm、b＝412nm；a＝122nm、b＝560nm；a＝520nm、b＝220nm；a＝560nm、b＝122nm；a＝225nm、b＝413；a＝560nm、b＝242nm；a＝420nm、b＝186.6nm；a＝220nm、b＝520nm；a＝560nm、b＝242nm；a＝440nm、b＝167.7nm；a＝220nm、b＝412nm；a＝450nm、b＝240nm；a＝538nm、b＝120nm；a＝183nm、b＝420nm；就可以使得每个单元结构的两个方向的透射电磁波偏振分量的相位差为π/2，并且使得出射的相位波前满足聚焦所需相位：f是透镜的焦距，从而实现二分之一波片-聚焦透镜的功能。
本发明基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件比现有技术显著进步的有益效果如下：本发明中提出的基于硅纳米砖的超表面结构在整个近红外波段的透射率达到超过90％，并且能够实现透射相位0到2π的完全变化。根据这一结构提出的超表面阵列可以在控制入射光相位波前实现一种例如偏转器或者聚焦透镜的光学器件功能的同时，保持其沿着x轴和y轴的偏振光分量透射相位差为一恒定值，同时实现了偏振转换(波片)的功能，从而在同一个超表面阵列上实现了高效率的双功能器件。并且实现的双功能器件具有良好的性能，对于波片-聚焦透镜和波片-偏转器，均在实现了极高的偏振转换功能同时分别又同时实现了与理论设计值符合得很好的聚焦功能和波束偏转功能，在波长为1.5μm时，偏转效率达到了80％。且本发明的结构简单，材料容易获取和加工，相比较以往的器件大大提高了效率，与现有波片与其余光学器件堆叠使用相比较，本发明克服了现有技术所带来的加工制作不便，有利于光学器件的可集成性和小型化。
附图说明
图1是本发明基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件的硅纳米砖超表面阵列结构图。
图2是单个超表面结构随波长改变的透过率和反射率图。
图3是x偏振光入射时，透射相位随超表面单元结构的长a变化的曲线图
图4是y偏振光入射时，透射相位随超表面单元结构的宽b变化的曲线图。
图5是45°线偏振转化为圆偏振的四分之一波片-偏转器的透射电场图。
图6是四分之一波片-偏转器随透射角度变化时的透射率图。
图7是45°线偏振转化为圆偏振的四分之一波片-聚焦透镜的透射电场图。
图8是45°线偏振转化为135°线偏振光的二分之一波片-偏转器的透射电场图。
图9是45°线偏振转化为135°线偏振光的二分之一波片-聚焦透镜的透射电场图。
具体实施方式
实施例1：
本发明基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件的具体实施方式如下：本实施例基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件采用如下方式制备：用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)将硅沉积到熔融的二氧化硅基底上面，然后在硅层上旋涂一层光刻胶，选择掩膜板放在光刻胶上面，放入紫外光曝光系统中进行紫外线曝光，再将曝光之后的器件放入显影液中对光刻胶进行图案化刻蚀，然后用深层离子蚀刻技术刻蚀硅层使其形状为砖形，根据不同双功能器件的不同尺寸要求来刻蚀所需要的硅纳米砖结构阵列；最后去除光刻胶，即得到最终的硅纳米砖超表面结构阵列双功能光学器件；该硅纳米砖超表面结构阵列光学器件，是采用硅纳米砖作为单元结构，衬底为二氧化硅，按二维晶格周期性排列符合所需相位梯度的40×40个砖形结构构成硅纳米砖阵列；单元结构的硅纳米砖的厚度为0.9μm，且超表面单元结构的晶格常数为0.65μm；二氧化硅基底的厚度为0.3μm；硅纳米砖的长和宽由满足波片和光束偏转器、波片和聚焦透镜相结合的双功能所需的相位分布决定。
本发明基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件，其硅纳米砖超表面阵列结构如图1所示。该硅纳米砖超表面结构阵列双功能光学器件通过介质超表面阵列实现，阵列排布方式是40×40的方阵，超表面单元结构由基底和介质梯度相位共振器组成，下方的基底材料为二氧化硅，上方的介质共振器材料为硅，本发明对介质共振器采取了对称的砖形结构，并且砖形天线的长轴和x轴平行，从而使透射光不存在交叉偏振光，只有同向偏振光，为了实现介质超表面的高透过率和0到2π的相位操控，通过仿真扫描介质超表面单元结构的硅纳米砖的厚度，在厚度t1为0.9μm时，设计的超表面能够同时实现电共振和磁共振，并且实现了0到2π的完全的相位操控；而为了避免超表面单元结构的高阶共振造成的散射，超表面相邻单元结构中心之间的距离也就是晶格常数S优选为0.65μm；优选二氧化硅衬底高度为t2＝0.3μm，硅纳米砖的长为a＝400nm，硅纳米砖的宽为b＝200nm。
在FDTD仿真软件上对图1中硅纳米砖超表面结构阵列的单元结构设置周期边界条件，从结构下方分别设置一束垂直入射的x线偏振的平面波和一束垂直入射的y线偏振的平面波，然后超表面进行电磁仿真。
图2给出了近红外波段下从1.2μm到2μm波长改变时，超表面单元结构在x偏振光入射时，透射的x偏振光分量的透过率Txx、透射的y偏振光分量的透过率Txy、反射的x偏振光分量的透过率Rxx，反射的y偏振光分量的透过率Rxy随波长变化的曲线，可知在近红外波段内透射的x偏振光分量透过率都极高。
本实施例波长优选为近红外波段中的1.5μm，图3给出了矩形硅块的宽b优选为520nm时，在x偏振光入射时，透射的x偏振光的相位随超表面单元结构中硅纳米砖的长a变化的曲线。图4给出了硅纳米砖的长a优选为360nm时，在y偏振光入射时，透射的y偏振光的相位随超表面单元结构中矩形硅块的宽b变化的曲线。图3和图4仅为优选的两例案例验证了在对单个矩形柱共振器进行结构参数扫描，当x偏振光入射时，保证矩形硅沿y轴方向的尺寸b在20nm到560nm之间任选一数值保持不变，只需要矩形硅的沿x轴方向的尺寸a从20nm变化到560nm就能实现完整的0到2π的相位变化。当入射y线偏振光时，保证矩形硅沿x轴方向的尺寸a在100nm到560nm之间任选一数值保持不变，通过改变矩形硅的沿y轴方向的尺寸b从20nm变化到560nm就能实现完整的2π相位覆盖，即硅纳米砖沿x轴和y轴的尺寸分别可以控制入射x线偏振光时的出射相位和入射y线偏振光出射时的相位因此，通过改变硅纳米砖的尺寸同时得到任意和的组合。接着选取合适的超表面单元结构。
本实施例以实现四分之一波片-偏转器和四分之一波片-聚焦透镜的双功能器件作为具体例子来说明，当透射的两个正交方向的透射电磁波偏振分量相位差为±π/2时，则可以实现线偏振光转化为圆偏振光的四分之一波片的功能，此外需要保证出射的交叉偏振光透过率相等。在实现波片的偏振转化功能之后，要同时实现透射光的偏转，需要超结构有一定的相位梯度分布，即超表面单元周期内每相邻单元结构之间有恒定的相位差，而每个周期内可以实现2π相位差，从而产生一个能实现完整相位变化的新的波前。
本实施例以每八个矩形柱单元结构为一个周期结构，在保证透射的x、y偏振光之间差π/2的相位差的情况下，对于x偏振方向，相邻两结构的相位差为π/4，满足一个周期覆盖2π的相位；八个结构单元的相位从0开始，依次以π/4递增，从而得到实现偏转所需的相位波前。
根据类似于图3和图4中对矩形柱结构参数的扫描，结合上述对每个结构的相位要求，选取相对应的矩形柱长、宽，并将挑选的结构组合成相应的超单元，这八个结构单元的尺寸分别为：a＝285nm、b＝388nm；a＝275nm、b＝350nm；a＝256nm、b＝334nm；a＝227nm、b＝323nm；a＝160nm、b＝347.5nm；a＝380nm、b＝497nm；a＝305nm、b＝565nm；a＝293nm、b＝480nm；再对这个八个结构单元组成的超表面阵列沿着横向和纵向周期延拓成40×40的方阵，就得到了四分之一波片-偏转器。将给定的晶格常数S、一个周期内子单元的个数N以及入射光波长为1.5μm代入由广义斯涅耳定律推导的公式θt＝arcsin(λ0/NS)可得，该超表面对入射的偏振光实现偏转角度为-16.76°的偏转。
图5为四分之一波片-偏转器的透射的电场分布图，图6所示为随透射角度变化时透过率的变化情况，用45°线偏振光垂直入射到超表面阵列上，实现了透射的圆偏振光的θ1＝-17°的波束偏转，与理论公式计算结果-16.76°吻合较好，并且在-17°时的透射率达到80％。此外根据广义斯涅耳定律，可以通过改变两个参量：第一，调整晶格常数的大小；第二，改变一个周期阵列内超表面单元结构的个数，从而实现任意偏转角度的调控。
为了实现四分之一波片-聚焦透镜的功能，通过选取对应所需波前相位的硅纳米砖阵列每个结构的沿x轴的长度使得出射的相位波前满足聚焦所需相位：f是透镜的焦距；并且通过选取对应能够使阵列中每个单元结构的透射的x偏振光分量和y偏振光分量的相位差为π/2的硅纳米砖的宽，选取40个超表面结构并将其沿纵向延拓成40×40的超表面阵列。
图7给出了四分之一波片-聚焦透镜在透射面的圆偏振光的电场图，对于波长1.5μm的入射光，焦距设置为f＝8μm，最终实现的超表面物理结构由40×40个结构单元构成，硅共振器高度t1＝0.9μm。当入射光为45°线偏振光时，由于仿真设定的超表面阵列的z轴坐标为-5.3μm，因此焦点坐标位置为(0,0,2.7μm)。可以看出透镜聚焦的位置和理论位置相同，并且聚焦的焦斑很小，验证了本实施例中的超表面很好地同时实现了四分之一波片和透镜这两个功能。
实施例2：
本实施例以实现二分之一波片-偏转器和二分之一波片-聚焦透镜的双功能器件作为具体例子来说明，首先实现线偏振光转化为另一种线偏振光的二分之一波片的功能，需要出保持透射的两种正交偏振光分量Txx和Tyy之间具有π的相位差，此外需要保证透射的正交偏振光透过率相等。在实现偏振转换的二分之一波片功能的基础下，为实现偏转器功能，本实施例和实施例1方法一样，设计一个周期为8个超表面单元结构，每个相邻两结构的相位差为π/4，满足一个周期覆盖2π的相位；八个结构单元的相位从0开始，依次以π/4递增，从而得到实现偏转所需的相位波前，实现该二分之一波片-光束偏转器功能的八个单元结构尺寸参数分别为：a＝520nm、b＝135.8nm；a＝240nm、b＝560nm；a＝237nm、b＝430nm；a＝210nm、b＝410nm；a＝135.8nm、b＝520nm；a＝560nm、b＝240nm；a＝430nm、b＝237nm；a＝410nm、b＝210nm；再在仿真软件上对这一周期结构加上周期边界条件进行周期延拓，就得到了二分之一波片-光束偏转器。
图8给出了当45°线偏振光垂直入射到本实施例器件上时透射的偏转电场，由图7可知，入射的45°线偏振光全都转化为135°线偏振光，并且向左偏转，偏转角度为θ2＝-17°。
图9给出了二分之一波片-聚焦透镜在透射面的135°线偏振光的电场图，为了验证聚焦透镜可以实现透射的任意位置的聚焦，对于波长1.5μm的入射光，焦距区别于实施例1，设置为f＝6μm，并且聚焦的焦点位置的x左边方向偏离原点1.3μm，由于仿真软件设定的超表面阵列的z轴坐标为-5.3μm，因此设定的焦点坐标位置为(1.3μm,0,0.7μm)，根据硅纳米砖的长和宽对应聚焦所需透射相位的关系得到40×40的超表面结构阵列并对其进行数值仿真。可以看出透镜聚焦的位置和理论位置相同，并且聚焦的焦斑很小，验证了本实施例中的超表面很好地同时实现了二分之一波片和聚焦透镜这两个功能。
这里需要说明的是：上述实施例中在阐述通过优化硅纳米砖结构的长宽同时实现波片和光束偏转器时，只设置波片-光束偏转器的偏转角度为-17°，但也可以通过重新根据透射相位和硅纳米砖结构的长宽的对应关系，选择适当的尺寸实现任意的别的偏转角度。此外，波片-透镜的双功能器件只阐述了两个聚焦位置的实施例，但任意聚焦位置的透镜都可以通过本发明的硅纳米砖结构阵列器件来实现。

Claims (6)

1.一种基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件，工作在近红外波段，采用硅作为介质材料，衬底为二氧化硅；其特征在于：硅材料采用砖形作为单元结构的设计，按二维晶格周期性排列符合所需相位梯度的40×40个砖形结构构成硅纳米砖结构矩形块阵列；介质超表面单元结构的硅纳米砖的厚度为0.9μm，且超表面单元结构的晶格常数为0.65μm；二氧化硅基底的厚度为0.3μm；
所述硅纳米砖结构矩形块阵列采用如下方式制备：用等离子体增强化学气相沉积将硅沉积到熔融的二氧化硅基底上面，然后在硅层上旋涂一层光刻胶，选择掩膜板放在光刻胶上面，放入紫外光曝光系统中进行紫外线曝光，再将曝光之后的器件放入显影液中对光刻胶进行图案化刻蚀，然后用深层离子蚀刻技术刻蚀硅层使其形状为砖形，根据不同双功能器件的不同尺寸要求来刻蚀所需要的硅纳米砖结构阵列；最后去除光刻胶，即得到最终的硅纳米砖超表面结构阵列双功能光学器件。
2.如权利要求1所述基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件，特征在于使用时设超表面结构放置在XOY平面上，其中硅纳米砖的长边a平行于x轴，短边b平行于y轴，电磁波向z方向入射，电磁波的偏振态为45°线偏振光，则该偏振光分解为沿着x轴和y轴的两个偏振分量，由硅纳米砖沿着x轴和y轴的尺寸不同而导致两个方向的偏振分量具有不同的透射相位，从而具有相位差。
3.如权利要求2所述基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件，特征在于当所述双功能光学器件处于硅纳米砖阵列的一个周期内的尺寸分别为：a＝285nm、b＝388nm；a＝275nm、b＝350nm；a＝256nm、b＝334nm；a＝227nm、b＝323nm；a＝160nm、b＝347.5nm；a＝380nm、b＝497nm；a＝305nm、b＝565nm；a＝293nm、b＝480nm；就使得每个单元结构的两个方向的透射电磁波偏振分量的相位差为π/2，并且在一个周期内每相邻单元结构之间有恒定的相位差，而一个周期内可以覆盖2π的相位差，再将该周期阵列沿着x轴和y轴方向进行周期延拓得到40×40的阵列，从而实现四分之一波片-偏转器的功能。
4.如权利要求2所述基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件，特征在于当所述双功能光学器件处于硅纳米砖阵列的一个周期内的尺寸分别为：a＝290nm、b＝395nm；a＝520nm、b＝200nm；a＝240nm、b＝330.6nm；a＝288nm、b＝393nm；a＝560nm、b＝180nm；a＝227nm、b＝325nm；a＝280nm、b＝366nm；a＝300nm、b＝544.5nm；a＝120nm、b＝399nm；a＝240nm、b＝330nm；a＝283nm、b＝373nm；a＝300nm、b＝517nm；a＝520nm、b＝200nm；a＝200nm、b＝325nm；a＝240nm、b＝330nm；a＝270nm、b＝345nm；a＝283nm、b＝373nm；a＝290nm、b＝400nm；a＝300nm、b＝395nm；a＝290nm、b＝477nm；a＝290nm、b＝477nm；a＝300nm、b＝395nm；a＝290nm、b＝400nm；a＝283nm、b＝373nm；a＝270nm、b＝345nm；a＝240nm、b＝330nm；a＝200nm、b＝325nm；a＝520nm、b＝200nm；a＝300nm、b＝517nm；a＝283nm、b＝373nm；a＝240nm、b＝330nm；a＝120nm、b＝399nm；a＝300nm、b＝544.5nm；a＝280nm、b＝366nm；a＝227nm、b＝325nm；a＝288nm、b＝393nm；a＝240nm、b＝330.6nm；a＝520nm、b＝200nm；a＝290nm、b＝395nm；就使得每个单元结构的两个方向的透射电磁波偏振分量的相位差为π/2，并且使得出射的相位波前满足聚焦所需相位：f是透镜的焦距，从而实现四分之一波片-聚焦透镜的功能。
5.如权利要求2所述基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件，特征在于当所述双功能光学器件处于硅纳米砖阵列的一个周期内的尺寸分别为：a＝520nm、b＝135.8nm；a＝240nm、b＝560nm；a＝237nm、b＝430nm；a＝210nm、b＝410nm；a＝135.8nm、b＝520nm；a＝560nm、b＝240nm；a＝430nm、b＝237nm；a＝410nm、b＝210nm；就可以使得每个单元结构的两个方向的透射电磁波偏振分量的相位差为π，并且在一个周期内每相邻单元结构之间有恒定的相位差，而一个周期内可以覆盖2π的相位差，再将该周期阵列沿着x轴和y轴方向进行周期延拓得到40×40的阵列，从而实现二分之一波片-偏转器的功能。
6.如权利要求2所述基于介质超表面的波片和光学器件相结合的双功能光学器件，特征在于当所述双功能光学器件处于硅纳米砖阵列的一个周期内的尺寸分别为：a＝540nm、b＝130nm；a＝560nm、b＝242nm；a＝237nm、b＝435nm；a＝412nm、b＝220nm；a＝183nm、b＝420nm；a＝538nm、b＝120nm；a＝450nm、b＝240nm；a＝220nm、b＝412nm；a＝440nm、b＝167.7nm；a＝560nm、b＝242nm；a＝220nm、b＝520nm；a＝420nm、b＝186.6nm；a＝560nm、b＝240nm；a＝225nm、b＝413nm；a＝560nm、b＝122nm；a＝520nm、b＝220nm；a＝122nm、b＝560nm；a＝220nm、b＝412nm；a＝236nm、b＝560nm；a＝540nm、b＝130nm；a＝420nm、b＝186.6nm；a＝400nm、b＝210nm；a＝400nm、b＝210nm；a＝420nm、b＝186.6nm；a＝540nm、b＝130nm；a＝236nm、b＝560nm；a＝220nm、b＝412nm；a＝122nm、b＝560nm；a＝520nm、b＝220nm；a＝560nm、b＝122nm；a＝225nm、b＝413；a＝560nm、b＝242nm；a＝420nm、b＝186.6nm；a＝220nm、b＝520nm；a＝560nm、b＝242nm；a＝440nm、b＝167.7nm；a＝220nm、b＝412nm；a＝450nm、b＝240nm；a＝538nm、b＝120nm；a＝183nm、b＝420nm；就使得每个单元结构的两个方向的透射电磁波偏振分量的相位差为π/2，并且使得出射的相位波前满足聚焦所需相位：f是透镜的焦距，从而实现二分之一波片-聚焦透镜的功能。
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