CN108897147B - 一种基于悬链线结构的高效率超表面器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于悬链线结构的高效率超表面器件，包括至下而上的介质衬底和介质悬链线结构。本发明设计巧妙，结构简单，通过变宽度介质悬链线光栅结构，可实现对电磁波高效率调控。本发明可用于设计高效率的透镜、分束、偏折、成像等超表面功能器件，对推进超表面的实用化具有重要意义。

Description

一种基于悬链线结构的高效率超表面器件

技术领域

本发明涉及电磁波相位调控技术领域，特别涉及一种基于悬链线结构的高效率超表面器件。

背景技术

超表面一种由亚波长结构按照一定规律排布的新型人工电磁材料，其厚度小于一个波长。超表面对电磁波具有灵活的调控能力，包括偏振、相位、振幅。目前超表面器件大多数都是由周期性结构排列组成，这意味着对电磁波的调控是离散型的。离散型调控会引起低效率，例如针对大角度偏折的情况，由于一个光栅周期只能填充极少数量的亚波长结构，这会导致器件衍射效率较低。其中一个解决方案，就是减小亚波长结构的周期，这样可以使得一个光栅周期尽可能多地填充亚波长结构，使得波前趋近于连续化，但这同样也会大幅度增加加工难度。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出利用变宽度介质悬链线光栅结构，可实现对电磁波波前的连续调控，从而得到高效率超表面器件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于悬链线结构的高效率超表面器件，包括至下而上的一层介质衬底和介质悬链线光栅结构，其中上层介质悬链线光栅结构由变宽度悬链线结构和竖条光栅构成。首先采用介质悬链线光栅结构实现对相位的连续调控，其次对悬链线光栅的宽度进行调制，用于相位补偿，实现精准相位控制，最终实现高效率超表面器件。

其中，所述介质衬底的厚度为t，其取值范围为t>10λ₀，介质悬链线光栅结构的厚度为h，其取值范围为h<λ₀，λ₀为中心波长。

其中，所述悬链线光栅结构的横向周期为Px，取值范围无限制，纵向周期为Py，其取值范围为Py<λ₀/2，λ₀为中心波长。

其中，所述介质悬链线结构中悬链线跨度为l，其取值范围为Px/2<l<Px，悬链线宽度为w₁，其变化范围为Py/6<w₁<Py/2。

其中，所述介质悬链线结构中的竖条光栅的宽度为w₂，其取值范围为Py/6<w₂<Py/2，两个悬链线结构间竖条光栅数量为m，其取值范围为(Px-l)/Py≤m≤2(Px-l)/Py。

其中，所述介质悬链线光栅结构与介质衬底所用材料适用于二氧化硅、二氧化钛、硅、锗、砷化镓等所有针对于工作波段的低损耗介质材料。

本发明具有的有益效果在于：

首先，采用全介质结构，比起金属结构，损耗低、效率高；其次，利用悬链线光栅结构，实现对电磁波相位的连续调控，尤其是对于大角度偏折，连续调控相比于离散调控有具有明显优势，效率高；然后，对悬链线光栅的宽度进行连续调控，用于相位精准控制，进一步提高效率；最后，该发明具备结构简单、效率高、可量产等优势，能够进一步推广超表面器件的应用。

附图说明

图1为本发明的基于悬链线结构的超表面器件示意图，其中，(a)为器件俯视图，(b)为器件局部示意图，(c)为器件局部三维示意图；

图2为实施例1中本发明设计的四个偏折器件的(a)-(d)结构示意图和(e)-(h)仿真远场能量分布图，其中，(a)-(d)分别为偏折30°、45°、60°和75°的超表面器件的局部示意图，(e)-(h)分别为偏折30°、45°、60°和75°的超表面器件的仿真远场能量分布图；

图3为实施例1中本发明设计的贝塞尔聚焦透镜(a)结构示意图以及(b)-(d)仿真和理论结果图，其中，(a)为透镜结构示意图，(b)为焦平面强度一维分布图，(c)为xz平面仿真强度分布图，(d)为xz平面理论强度分布图；

其中，图中所标序号含义为：

1为介质悬链线光栅结构，2为介质衬底。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，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中的全部内容。

具体实现过程如下：

如图1所示，该结构至下而上包括介质衬底2、介质悬链线光栅结构1。其中介质衬底的厚度为t；介质悬链线光栅结构横向周期为Px，纵向周期为Py，厚度为h；悬链线跨度为l，悬链线宽度为w₁，竖条光栅的宽度为w₂。

结合上述结构，为了便于分析，我们首先从从偏折器件开始分析，如下：

对于沿x方向的偏折器件，其一个周期内的相位分布可以表示为：

其中，θ为偏折角度，λ为工作波长。本发明通过光栅结构实现圆偏振的极化转换，即通过光栅旋转产生的几何相位进行波前调控。我们知道，几何相位的值等于2倍的光栅的旋转角度β。对于偏折器件，沿x方向的旋转角度分布

进而，对于该曲线的斜率分布可表示为：

k(x)＝tan[β(x)] (2)

对公式(2)进行积分运算，可得到曲线的分布：

很明显，式(3)为标准悬链线方程。当x接近(n±0.5)Px时，斜率k趋近于无限大或者无限小，y趋近于无限大，这在实际的设计加工中难以实现。因此，根据斜率k的特性，本发明专利只将中间区域(x属于[-l/2,l/2])采用悬链线光栅结构，两端采用竖条光栅结构，这也满足斜率无限大或无限小的需求。另外，如图1(b)，如果把悬链线结构近似为一般的一维光栅结构，那么其等效周期d与位置x、悬链线横向周期Px和纵向周期Py相关，并且随着x趋近于悬链线两端，等效周期逐渐变小。若悬链线宽度w₁不变，逐渐变小的等效周期会引入额外的自旋无关相位梯度。这一相位梯度会最终的导致产生的波前不再是完美的偏折波前，进而降低超表面器件的效率。进而，本发明变宽度悬链线光栅结构，通过变化悬链线宽度w₁，来消除由等效周期d变换引入的相位梯度，进而使得产生的波前更趋近于设计的波前，最终实现高效率超表面器件。其中，悬链线光栅宽度w₁和竖条光栅宽度w₂可分别表示为：

W₁＝f₁(x,Px,Py) (4)

W₂＝f₂(x,Px,l,m) (5)

当然，本发明的基于悬链线结构的高效率超表面器件不局限与偏折器件，还可以用作其它波前具有连续性变化规律的任意器件。

为了更好的理解本发明，下面结合实施例1进行进一步解释。

实施例1

不失一般性，本实施例针对中红外波段10.6μm设计了高效率超表面器件，该发明同样适用于光波段、太赫兹波段和微波段。如图1所示，单元结构包括：介质衬底2和介质悬链线光栅结构1。其中，衬底和悬链线光栅结构均选用硅。悬链线光栅结构厚度h为4.7μm，悬链线纵向周期Py＝3.3μm，悬链线跨度l＝0.75Px，悬链线宽度w₁的最大值为1.2μm，竖条光栅数量m＝round(0.375Px/Py)，其中round表示四舍五入函数。本实施例采用CST电磁仿真软件对器件的性能进行仿真测试，仿真过程中，硅的折射率设为3.36。

图2(a)-2(d)为根据上述方法设计的四个偏折超表面器件局部结构示意图，偏折角度分别是30°、45°、60°和75°。仿真过程中，我们采用左旋圆偏振光从衬底入射，仿真的器件尺寸大约是420μm×420μm。图2(e)-2(h)为计算的远场强度分布图，可以看出，远场能量分布非常干净，能量几乎均在设计的级次中。我们计算四个偏折器件的衍射效率分别为99.1％、98.4％、96.0％和94.7％，衍射效率的定义为设计衍射级次的能量比上总的透射能量，可知，该结构的衍射效率非常高。另外，我们也计算了偏折效率，即为设计衍射级次的能量比上总的入射能量，分别为73.7％、70.4％、68.1％和54.6％。如果利用低折射率介质做衬底，如氟化镁，偏折效率可以进一步提高。为了证明该设计方法还适用于其它器件，我们设计了贝塞尔聚焦透镜。图3(a)为设计的透镜的示意图，其相位分布如下：

其中，f＝400μm，R＝150μm。图3(b)-3(d)为透镜仿真结果和理论结果对比，可以看出仿真结果和理论结果非常符合。图3b为焦平面焦点强度归一化曲线，仿真和理论的半高全宽分别为6.6μm和6.5μm。理论结果根据矢量角谱理论计算而来。

因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权力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。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种基于悬链线结构的高效率超表面器件，其特征在于：包括至下而上的一层介质衬底和介质悬链线光栅结构，其中上层介质悬链线光栅结构由变宽度悬链线光栅结构和竖条光栅构成，其中变宽度悬链线光栅结构两端采用竖条光栅结构，介质悬链线光栅结构的横向周期为Px，取值范围无限制，纵向周期为Py，其取值范围为Py<λ₀/2，λ₀为中心波长，变宽度悬链线光栅结构中悬链线跨度为l，其取值范围为Px/2<l<Px，悬链线宽度为w₁，其变化范围为Py/6<w₁<Py/2，变宽度悬链线光栅结构中的竖条光栅的宽度为w₂，其取值范围为Py/6<w₂<Py/2，两个变宽度悬链线光栅结构间竖条光栅结构的竖条光栅数量为m，其取值范围为(Px-l)/Py≤m≤2(Px-l)/Py。

2.根据权利要求1所述的一种基于悬链线结构的高效率超表面器件，其特征在于：所述介质衬底的厚度为t，其取值范围为t>10λ₀，介质悬链线光栅结构的厚度为h，其取值范围为h<λ₀，λ₀为中心波长。

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