CN109541748A - 超表面θ调制器件 - Google Patents

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Abstract

一种整合了聚焦透镜和多色编码器的超表面θ调制器件。该超表面θ调制器件按照广义折射定律的相位梯度要求确定相位分布，利用几何相位调控原理精确排布，由不同旋转角度的介质的纳米柱及衬底构成，当入射圆偏振光垂直照射器件衬底时，该器件可将不同波长的出射光信息按空间方位记录到同一焦平面上，实现对景物的θ调制编码。本发明提供了小型超薄的高分辨高效率的介质型平面光学器件，可在小型显微镜、便携式望远镜、光谱分析等诸多领域有重要应用价值。

Description

超表面θ调制器件
技术领域
本发明属于微纳光学和光学成像领域，涉及微光学器件、集成光学，特别是一种整合了聚焦透镜和多色编码器功能的超表面θ调制器件。
背景技术
光学θ调制在空域对图像调制，传统的θ调制编码多采用取向不同的光栅调制输入信息，可调制的角度少，分辨率受限，存在解码后图像还原质量不高，不同波长信息相互串扰等问题。光学超表面能够在纳米尺度下进行精准的光场调控，包括振幅调控、相位调控、偏振调控等等，具有设计自由度高、体积小和集成化程度高等优势。随着纳米制备技术的发展，光学超表面技术为光学成像技术带来了突破性的进步。
发明内容
本发明目的是为了产生多个θ角度调制的编码成像，提供了一种由不同旋转角度α介质的纳米柱及衬底构成的超表面θ调制器件。本发明将多色编码器的和聚焦透镜的整合到一起，以同时实现编码功能和聚焦功能。
本发明技术方案
整合了聚焦透镜和多色编码器的超表面θ调制器件，由介质的纳米柱及衬底构成，纳米柱的排布位置和旋转角度α按照该器件的相位分布和几何相位调控原理确定，该器件在直角坐标系下的相位分布为：
其中：λ是入射光波长，f是设计的焦距，是器件上任意一点到器件中心的距离，θ是调制角度，是调制的方位角。
所述的超表面θ调制器件，对入射光圆偏振光具有无色散的几何相位调控作用，出射交叉圆偏振光带有一个非连续相位调制：Φ＝±2α，该器件可将不同波长的出射光信息按空间方位记录到同一焦平面上，实现对景物的θ调制编码。
通过改变纳米柱长宽及衬底尺寸能够得到对不同波长响应的单元，将多个单元构成元胞组合成超表面θ调制器件，选择响应波长λ和调制角度θ，按照该器件的相位分布排布纳米柱的位置和旋转角度α，可实现多个θ角度的调制。
本发明的优点和积极效果：
本发明提供的超表面θ调制器件，当圆偏振光垂直从器件衬底入射时，对入射圆偏振光具有无色散的几何相位调控作用，出射交叉圆偏振光带有一个非连续相位调制：Φ＝±2α，该器件将不同波长的出射光信息按空间方位记录到同一焦平面上，实现对景物的θ调制编码。该器件同时整合了透镜的聚焦功能和多色编码器的编码功能，传统的多色编码器是光栅结构，分辨率和θ调制角度受限，采用超表面可提高分辨率并增加θ调制编码的维度。
附图说明
图1是超表面θ调制器件工作原理示意图。
图2是由介质的纳米柱和衬底构成的能够对交叉圆偏振光进行调制的、整合了聚焦透镜和多色编码器的超表面θ调制器件。其中：(a)是超表面θ调制器件基本单元的主视图；(b)是超表面θ调制器件基本单元的右视图；(c)是超表面θ调制器件基本单元的俯视图；(d)是超表面θ调制器件的完整俯视图。
图3是右旋圆偏振光垂直入射该器件后的聚焦光场分布示意图。图3(a)、(b)、(c)分别是λ1＝633nm时电场E在z＝2.04μm的xy平面、x＝1.81μm的yz平面、y＝0μm的xz平面上的强度分布图；图3(d)、(e)、(f)分别是λ2＝550nm时电场E在z＝2.04μm的xy平面、x＝1.35μm的yz平面、y＝1.35μm的xz平面上的强度分布图；图3(g)、(h)、(i)分别是λ3＝428nm时电场E在z＝2.04μm的xy平面、x＝0μm的yz平面、y＝1.81μm的xz平面上的强度分布图。
具体实施方式
实施例1
如图2(d)所示，本发明提供整合了聚焦透镜和多色编码器功能的超表面θ调制器件，由介质的纳米柱及衬底构成，纳米柱的排布位置和旋转角度α按照该器件的相位分布和几何相位调控原理确定，该器件在直角坐标系下的相位分布为：
其中：λ是入射光波长，f是设计的焦距，是器件上任意一点到器件中心的距离，θ是调制角度，是调制的方位角。
本发明中超表面θ调制器件的制作可采用电子束光刻(EBL)和反应离子蚀刻(RIE)来实现。其具体步骤如下：
(1)首先通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)在平面Al2O3衬底上生长GaN层。然后再使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积SiO2掩模层；
(2)然后通过电子束光刻(EBL)曝光和显影，定义结构的表面轮廓；
(3)用磁控溅射法沉积Cr层作为蚀刻掩模并剥离；
(4)通过反应离子蚀刻(RIE)将图案转移到SiO2层。然后通过使用电感耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP-RIE)蚀刻具有图案的SiO2掩模层的衬底。再用缓冲氧化物蚀刻(BOE)溶液剥离图案化的SiO2硬掩模层，得到超表面θ调制器件。
具体应用实例1
超表面θ调制器件的具体参数以如下为例：
衬底材料为氧化铝(Al2O3)，纳米柱材料为氮化镓(GaN)，入射光为右旋圆偏振光，波段为可见光(375～800nm)，对红、绿、蓝三种波长响应的纳米柱长宽如表格所示：
wp(μm) lp(μm)
λ<sub>1</sub>＝633nm 0.10 0.30
λ<sub>2</sub>＝550nm 0.08 0.25
λ<sub>3</sub>＝428nm 0.06 0.19
介质柱的高度h均为0.6μm，衬底尺寸p＝0.3μm，衬底厚度H＝0.1μm，设计焦距针对λ1、λ2、λ3设计调制角度分布为θ1＝0°、θ2＝45°、θ3＝90°，方位角均为45°，每个纳米柱的位置及旋转角度α由该器件的相位分布确定。
图1是超表面θ调制器件工作原理示意图。该器件将不同波长的出射光信息按空间方位记录到同一焦平面上的不同位置，同时实现聚焦和θ调制编码。
图2由介质的纳米柱和衬底构成的能够对交叉圆偏振光进行调制的、整合了聚焦透镜和多色编码器的超表面θ调制器件。其中：(a)是超表面θ调制器件基本单元的主视图；(b)是超表面θ调制器件基本单元的右视图；(c)是超表面θ调制器件基本单元的俯视图；(d)是超表面θ调制器件的完整俯视图。通过从0到π旋转介质纳米柱光轴角α，其交叉偏振光(与入射圆偏振光的旋向相反)的相位可以覆盖整个0到2π范围。每个纳米柱的位置及旋转角度α由该器件的相位分布确定。
图3是右旋圆偏振光垂直入射该器件后的聚焦光场分布示意图。图3(a)、(b)、(c)分别是λ1＝633nm时电场E在z＝2.04μm的xy平面、x＝1.81μm的yz平面、y＝0μm的xz平面上的强度分布图；图3(d)、(e)、(f)分别是λ2＝550nm时电场E在z＝2.04μm的xy平面、x＝1.35μm的yz平面、y＝1.35μm的xz平面上的强度分布图；图3(g)、(h)、(i)分别是λ3＝428nm时电场E在z＝2.04μm的xy平面、x＝0μm的yz平面、y＝1.81μm的xz平面上的强度分布图；超表面θ调制器件对出射交叉圆偏振光即左旋圆偏振光进行调制并聚焦，根据设计的焦距和方位角可计算出聚焦平面的位置：经过时域有限差分法(FDTD)计算得到的聚集平面为z＝2.04μm与设计值比较吻合；经计算，λ1＝633nm的实际调制角度为θ1＝0.00°，方位角为λ2＝550nm的实际调制角度为θ2＝45.00°，方位角λ3＝428nm的实际调制角度为φ3＝90.00°，方位角均与设计值比较吻合。
当圆偏振光垂直从器件衬底入射超表面θ调制器件之后，该器件对入射圆偏振光具有无色散的几何相位调控作用，并且出射交叉圆偏振光带有一个非连续相位调制：Φ＝±2α。通过改变纳米柱长宽及衬底尺寸能够得到对不同波长响应的单元，将多个单元构成元胞组合成超表面θ调制器件，选择响应波长λ和调制角度θ，按照该器件的相位分布排布纳米柱的位置和旋转角度α，可实现多个θ角度的调制。该器件同时整合了透镜的聚焦功能和多色编码器的编码功能，将不同波长的出射光信息按空间方位记录到同一焦平面上，从而实现对景物的θ调制编码。

Claims (5)

1.一种整合了聚焦透镜和多色编码器的超表面θ调制器件，其特征在于该器件按照广义折射定律的相位梯度要求，由利用几何相位调控原理精确排布的不同旋转角度的介质纳米柱和衬底构成，该器件在直角坐标系下的相位分布为：
其中：λ是入射光波长，f是设计的焦距，是器件上任意一点到器件中心的距离，θ是调制角度，是调制的方位角。
当圆偏振光垂直从器件衬底入射时，该器件将不同波长的出射光信息按空间方位记录到同一焦平面上，实现对景物的θ调制编码。
2.根据权利要求1所述的超表面θ调制器件，其特征在于构成该器件的介质的纳米柱及衬底单元具有无色散的几何相位调控功能。当圆偏振光从衬底垂直入射单元，出射光可表示为：
其中：入射圆偏振光tx、ty分别为介质柱材料两个主轴的复透射振幅，α分为纳米柱的旋转角度，+和-分别表示左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。出射光一部分与入射光偏振态相同，另一部分与入射光偏振态相反，并且具有一个非连续相位调制：Φ＝±2α。通过从0到π旋转角α，其交叉偏振光(与入射圆偏振光的旋向相反)的相位可以覆盖整个0到2π范围。这种交叉偏振光的相位调制是无色散的，相位调制不随波长的变化而变化，只和纳米柱旋转的角度α有关，保证该器件在宽带使用中的效率。
3.根据权利要求1或2所述的超表面θ调制器件，其特征在于可选取多个调制角度θ。通过改变纳米柱长宽及衬底尺寸能够得到对不同波长响应的单元，将多个单元构成元胞组合成超表面θ调制器件，选择响应波长λ和调制角度θ，按照该器件的相位分布排布纳米柱的位置和旋转角度α，可实现多个θ角度的调制。
4.根据权利要求1或2所述的超表面θ调制器件，其特征在于同时具备多色编码器的编码功能和透镜的聚焦功能，并且该器件厚度在波长量级。
5.根据权利要求1或2所述的超表面θ调制器件，其特征在于介质的纳米柱和衬底的折射率在响应波长存在较大差异，纳米柱采用大折射率材料，如：氮化镓、二氧化钛、氮化硅、硅等。
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