CN110096781B - 基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，属于微纳光学和光束整形应用技术领域。本发明用于实现光场动态调制和空间复用的混合可重构超颖表面是由具不同几何尺寸、不同对称轴排列的复合圆环阵列构成。通过改变复合圆环几何尺寸以及对称轴方位，使混合可重构超颖表面对出射光束的振幅和相位进行任意地调控。利用二维全波矢量计算得到不同模式的光场复振幅分布。根据所得不同模式的光场复振幅分布，编码确定复合圆环的几何尺寸以及方位角，从而生成相应混合可重构超颖表面结构阵列。通过调节相变材料的状态实现同一混合可重构超颖表面对入射光束的动态调控和空间复用。

Description

基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法

技术领域

本发明涉及一种基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，属于微纳光学和光束整形应用技术领域。

背景技术

超颖表面通常由亚波长尺寸的金属天线或介质纳米谐振腔阵列构成，具有任意调制入射光波的相位、振幅和偏振的功能。相比于传统光学元件是利过光在传播过程中的相位累积来调控光场，超颖表面则提供了一种在极短距离内利过光与纳米天线的各类相互作用来调控光场特性的新方法。通过调节纳米天线阵列形状、材料、尺寸，能够灵活调控出射光的波前。可重构超颖表面增加了例如光-光，电-光，磁-光，热-光，机械应力等设计自由度，能够灵活改变入射电磁场特性，从而成为了超颖表面设计的方向之一。受到静态材料特性和固定结构的阻碍，设计可动态控制入射光波并在近红外和可见光波段工作的可重构超颖表面仍然是一项具有挑战性的任务。相变材料可以在非晶态和晶态之间具有较大折射率差，因此在可重构超颖表面的设计中有较大潜力。通过相变材料和超颖表面的结合可以设计出很多新颖的多功能微纳器件。

相变材料，如碲化锑、锑化铟、硫化镓和二氧化钒等，可用于光盘存储，集成光路，彩色印刷，光学显示等。通过利用其独特的可逆性，非易失性等特性，以及在适当的热，光或电等刺激下，相变材料原子阵列在晶体和非晶态(或半导体态和金属态)之间的相变过程，能够提供灵活的光学参量控制。这种相变可以高速以及可逆切换。虽然不同的相变材料均可以提供光场调制，它们的工作波长范围和相变条件彼此不同。通常来说，二氧化钒具有比其他相变材料在热激励下具有更低的相变阈值，这使得其适合于集成到诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片的低功耗设备中。此外，二氧化钒可以提供高达80％的调制深度。同时，二氧化钒工作波段能够到达近红外以及光波段，这有利于光子器件的设计。因此，通过将二氧化钒与超颖表面结合有利于可重构多功能应用。

目前，大多数可重构微纳器件都集中在实现光开关器、吸收器、偏振器功能。对于其它应用例如光束整形并不多见。此外，一些可重构微纳器件需要依赖精确的逐点外部调制来完成相变材料的动态转变，可擦写速度慢，耗时而且复杂。因此，通过智能编码设计整体可调的可重构超颖表面高效实现光场模式调制及空间复用的设计具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有进行光场调控时无法实现动态调控的问题，提供一种基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法。该方法将不同形式光场复振幅编码到同一混合可重构超颖表面。每个超颖单元仅由单个复合圆环结构构成，区别于传统功能固定的超颖表面。通过半导体态和金属态下的相变材料光学特性转变，实现对入射光场的动态调控。进一步，本发明提供光子主动控制的新范例并可应用于低损耗集成光电子回路。此外本发明在信号处理、光学存储、全息防伪等领域具有应用前景。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，用于实现光场动态调制和空间复用的混合可重构超颖表面是由具不同几何尺寸、不同对称轴排列的复合圆环结构阵列构成。通过改变复合圆环结构几何尺寸以及对称轴方位，使混合可重构超颖表面对出射光束的振幅和相位进行任意地调控。利用二维全波矢量计算得到不同模式的光场复振幅分布。根据所得不同模式的光场复振幅分布，编码确定复合圆环结构的几何尺寸以及方位角，从而生成相应混合可重构超颖表面结构阵列。通过调节相变材料的状态实现同一混合可重构超颖表面对入射光束的动态调控和空间复用。

所述混合超颖表面由基底和阵列排布在基底上的复合圆环结构构成；所述复合圆环结构在基底上的排布方式为周期阵列或非周期阵列；所述复合圆环结构为开口圆环结构，开口处复合有相变材料；通过改变复合材料的几何尺寸以及对称轴方位角，实现对出射光束的振幅和相位的任意调控。所述的几何尺寸包括复合圆环结构内径、外径、对称轴方位角、金和相变材料的比例，以及单元周期。

通过上述装置实现光场动态调制和空间复用的方法，包括如下步骤：

步骤一、在复合圆环结构的厚度、宽度和周期均固定的情况下，改变复合圆环结构的外径、相变材料占比或外径和占比，得到多个复合圆环结构组A；然后对混合超颖表面进行升温，温度不低于85°，此时改变复合圆环结构的外径、相变材料占比或外径和占比，又得到多个复合圆环结构组B；所述占比为相变材料的弧长与复合圆环结构的周长之比。

对复合圆环结构组A和B中每个复合圆环结构进行矢量仿真，得到和入射光场正交的出射光场分量分布。从而选取出射光场分量分布的相位能够覆盖0～2π，同时出射光场分量分布的振幅均一的复合圆环结构，得到复合圆环结构组C。出射光场振幅均一，能够实现纯相位调控，从而使得混合可重构超颖表面光束整形的效果较好。

通过改变复合圆环结构几何尺寸以及对称轴方位角，使超颖表面对出射光束的振幅和相位进行任意地调控。

步骤一所述仿真计算方法是基于时域有限差分方法的FDTD或基于有限元方法的COMSOL。

步骤二、利用复合圆环结构能够实现不同相变材料状态下的光场调控。

按照升温前后对复合圆环结构组C中的复合圆环结构进行分类，从升温前的复合圆环结构中选取出相位覆盖0-π的结构，从升温后的复合圆环结构中选取出相位不变的结构；或者，按照升温前后对复合圆环结构组C中的复合圆环结构进行分类，从升温前的复合圆环结构中选取出相位不变的结构，从升温后的复合圆环结构中选取出相位覆盖0-π的结构；得到复合圆环结构组D；根据复合圆环结构对称轴旋转90°后，会得到额外的π相位，从而得到0到2π完全的相位调制范围。

对复合圆环结构组D进行对称轴旋转90°，得到复合圆环结构组D’；对D和D’进行等相位梯度的一维排列，能够使得在一个相变状态下出射光场具有异常折射效应，另一个相变状态出射光场具有阶跃的相位变化，即实现了动态调制和空间复用；

还可以对D和D’进行阵列排布

根据所需光场信息从D和D’中选取出复合圆环结构并进行阵列排布；即实现了动态调制和空间复用；

有益效果：

1、本发明公开的基于混合可重构超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，用于实现不同相变条件下光场动态调制和空间复用的超颖表面是由不同几何尺寸、不同对称轴排列的复合圆环结构阵列构成。通过改变相变材料不同状态下复合圆环结构的外径和相变材料占比(定义为相变材料的弧长与复合圆环结构周长之比)，使混合超颖表面对出射光束振幅和相位进行任意地调控。

2、本发明公开的基于混合可重构超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，通过智能搜索算法选择满足一定相位和振幅条件的复合圆环结构结构，并将其根据两种相变状态的光场复振幅编码到同一混合可重构超颖表面。通过选择和入射光场分量正交的出射分量，实现不同相变材料状态下生成不同的光场模式实现模式调制和空间复用。

3、本发明公开的基于混合可重构超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，相比与传统的结构一旦固定，仅能实现单一功能的微纳器件设计方法，能够动态调控光场，丰富了设计自由度，可应用于光纤通信、动态光束整形、分子探测和捕获、光学防伪和光学加密等应用场合。

4、本发明公开的基于混合可重构超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，通过复合圆环结构的组成材料以及结构尺寸进行合理的选择，可将该方法应用于可见光和近红外波段。

5、将所述基于混合可重构超颖表面的光场动态调制和空间复用方法应用于信息存储、激光并行加工、分子探测和捕获、光学防伪和光学加密、光纤通讯等应用场合，解决相关工程问题。

附图说明

图1是本发明的一种基于混合可重构超颖表面的光场动态调制和空间复用方法流程图；

图2是本发明实施例1中基于混合可重构超颖表面的光场动态调制和空间复用方法的示意图；对于相同的混合可重构超颖表面以及采用x偏振入射光，能够在不同的二氧化钒相变状态生成不同输出光束。图(a)在二氧化钒金属态下，设计的复合圆环结构阵列可以将输入的线性偏振光转换成具有特定空间模式的光束。图(b)对于二氧化钒处于半导体态，相同的混合可重构超颖表面可以在相同入射条件下产生涡旋光束；

图3是本发明实施例1中复合圆环结构形状和二氧化钒的折射率。图(a)纳米单元由复合圆环结构和硅衬底组成。复合圆环结构由不同比例的金和二氧化钒组成。复合圆环结构的厚度为50nm。复合圆环结构纳米单元的周期是500nm。图(b)复合圆环结构纳米单元的平面示意图。R_in是复合圆环结构的内半径，R_out是复合圆环结构的外半径。θ是圆环开口角，而α是取向角。图(c)数值模拟中使用的二氧化钒在半导体和金属态情况下的折射率实部和虚部；

图4是本发明实施例1中参数扫描的仿真结果。选择二氧化钒填充比率范围从0到1，复合圆环结构的外半径从100nm到240nm，保持宽度恒定在80nm，进行优化的参数。(a)、(c)对应x偏振光入射情况下出射的y偏振透射光的半导体态的相位和幅度分布。类似地，金属状态的结果显示在(b)、(d)中。黑色空心环表示所选择的四个结构，满足振幅均一，相位在半导体态覆盖0到π和和在金属态下保持为常数；

图5是本发明实施例1中异常折射相位分布图。将上述所选结构按以π/8为相位梯度并覆盖0到2π范围，从而用于实现异常折射效应。波长为1500nm的入射光沿x方向入射，记录的出射光沿y方向。图(a)相应的八个复合圆环结构的俯视图。黑色虚线表示复合圆环结构的对称轴方向角。前四个复合圆环结构具有相同的45°取向角，而后四个复合圆环结构的角度为-45°。图(b)左图显示了八个复合圆环结构阵列在xz平面上的相位分布。半导体状态下，对于垂直入射光，经过复合圆环结构阵列的透射光以22.8°的异常折射角出射。对于金属态，出射光束的相位显示阶梯轮廓。图(c)根据光栅分析得到光栅级次能量分布；

图6是本发明实施例1中混合可重构超颖表面在二氧化钒不同状态下生成不同光束的模拟结果。图(a)是相变材料二氧化钒的半导体状态下出射光束的近场相分布，呈现涡旋相位分布。图(b)是相变材料二氧化钒的金属状态下出射光束的近场相分布，呈现阶跃相位分布。图(c)是相变材料二氧化钒的半导体状态下出射光束远场强度分布，呈现涡旋光强度分布。图(d)是相变材料二氧化钒的金属状态下出射光束远场强度分布，呈现分立光束强度分布。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

不同相变材料状态下异常折射调制

如图1所示，本实施例公开的基于混合可重构超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，具体实现方法如下：

步骤一：用于实现光场动态调制和空间复用的混合可重构超颖表面是由具有的不同几何尺寸、不同方位角的复合同心圆环组构成。复合圆环结构是由两部分组成，分别是不同比例的金和二氧化钒。通过改变复合圆环结构几何尺寸以及对称轴方位角，使混合可重构超颖表面对出射光束振幅和相位进行任意地调控。所述的几何尺寸包括复合圆环结构开口角θ、取向角α、外半径R_out、相变材料二氧化钒占比(定义为填充二氧化钒的填充弧长比上总的复合圆环结构的弧长)、厚度、宽度以及混合可重构超颖表面单元的周期。

复合圆环结构对光场调控的原理是可以通过改变复合圆环对应的二氧化钒占比、复合圆环结构外半径R_out来调制光的复振幅。当入射光偏振方向沿着或垂直于复合圆环结构的对称轴时，出射光场仅存在对称或反对称模式。而对于任意偏振照明，例如

出射光场

是两种模式的叠加，可以表示为

其中A_s、A_as和Φ_s、Φ_as表示来对称和反对称模式的出射光场幅度和相位，α表示方位角。根据该等式，对于特定尺寸的复合圆环结构，

的幅度仅由方位角α确定，并且出射光场的相位与其无关。对于α在0°到-90°的情况，将其对称轴旋转90°，能够使得

具有π相移，这意味着仅通过将复合圆环结构的对称轴旋转90°就可以获得额外的π相位覆盖且具有均匀的出射光场幅度。选择沿x方向入射光的α＝45°，以获得最大偏振转换，并实现对出射光场相位和幅度的同时控制。

接下来设计复合同心圆环几何尺寸，使复合同心圆环在特定工作波长(1500nm)的光照射下能够对出射光束的振幅和相位进行任意的调控，具体实现方法如下：

基于时域有限差分法(FDTD)在复合圆环结构宽度、厚度和周期P固定的情况下，扫描仿真复合圆环结构的外半径R_out(100-240nm)和二氧化钒填充比(0-1)。针对特定工作波长1500nm，仿真所用的入射光场是沿x轴偏振的平面波。仿真所用基底介质材料硅的折射率为n＝3.5628+0.000221*1i，二氧化钒的金属态/半导体态的折射率分别是n_金属＝2.379+1.891*1i；n_半导＝2.904+0.2754*1i。通过扫描仿真得到不同二氧化钒状态下入射光场通过不同尺寸的复合圆环结构后的出射光场y轴分量电场情况。图2是本发明实施例1中基于混合可重构超颖表面的光场动态调制和空间复用方法示意图。二维扫描仿真结果如图4所示。表一显示所选四个复合圆环结构的参数。R_out表示复合圆环结构的外半径，其宽度恒定为80nm。

最终确定复合圆环结构厚度为50nm、宽度为80nm以及周期为500nm。通过改变复合圆环结构几何尺寸以及方位角，使混合可重构超颖表面对出射光束的振幅和相位进行任意地调控。

步骤二：找到满足二氧化钒半导体状态下相位覆盖0-π而在金属状态下相位为常数的四种复合圆环结构。其具体尺寸如表一所示：

通过旋转这四种结构的对称轴90°使得这四种结构能够得到额外的π的相位从而得到另外四种结构，使得两种相变情况下的光场相位调控能够覆盖完整的0到2π范围。通过对这八个结构进行沿着x方向的一维排列，形成等相位梯度，利用周期性边界条件模拟x和y方向无限重复的周期性混合可重构超颖表面阵列，计算得到混合可重构超颖表面在半导体状态和金属状态下的xz平面的电场分布。

如图5(a)所示给出了八种结构的一维排布示意图。从图5(b)可以看出在半导体状态下，入射光经过混合可重构超颖表面发生了异常折射，通过计算公式

计算异常折射角，其中θ_t和θ_i分别为折射角和入射角，λ为入射波长，

是位相梯度。这里，λ＝1500nm，

θ_i＝0,最终异常折射角为22.8°。在金属状态下，相位呈现阶梯型分布。进行光栅分析作进一步解释，如图5(b)(c)所示，通过获取远场中的电磁分量来显示不同阶次的能量分布。可以看到，在半导体状态下，能量主要指向+1光栅级次。相反，在金属状态下±1光栅级次的能量比例相等。

实施例2：

光场模式动态调制和空间复用方法

步骤一：通过涡旋光相位公式

计算得到半导体态对应的相位分布，其中i是虚数单位，l和

分别是拓扑电荷数和方位角。根据半导体态对应的相位分布将实施例一中八种复合圆环结构编码到同一混合可重构超颖表面。通过选择和入射光场正交的出射分量，实现在二氧化钒的半导体状态下生成涡旋光而在金属状态下同一空间生成分立光束，同时实现空间复用。

图6是实现光场调制以及空间复用仿真图。编码得到的混合可重构超颖表面阵列其具有双功能特性，在二氧化钒半导体状态下生成涡旋光而在金属状态下生成分立光束。实现双功能的混合可重构超颖表面阵列大小是50×50。在半导体状态下混合可重构超颖表面阵列具有螺旋相位分布，其中螺旋相位由exp

表征，其中l和

分别是拓扑电荷和方位角。图6(a)和(c)对应于半导体态的模拟结果。图6(a)显示计算得到混合可重构超颖表面阵列近场相位分布，对应拓扑电荷为l＝2，中心具有相位奇异点。

步骤二：通过远场传播，能够观察到图6(c)中涡旋光束的圆环形强度分布。当二氧化钒转变为金属状态，见图6(b)，混合可重构超颖表面阵列近场相位分布是不连续的，其混合可重构超颖表面阵列产生的相位分布具有0-π周期分块的分布，所形成的近场相位分布内部没有相位奇异性。从远场强度分布可得到，透射光束被分成四束，形成特定的空间模式，如图6(d)所示。因此，通过这种空间排列设计，该混合可重构超颖表面实现了在二氧化钒不同相变状态下的光场模式调控和空间复用。

还包括步骤三：将所述基于混合可重构超颖表面的光场动态调制和空间复用方法应用于并行激光加工、可调光学设备、分子探测和捕获和光学加密等应用场合，解决相关工程问题。

实施例一和实施例二公开的基于混合可重构超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，利用相变材料二氧化钒不同状态下折射率不同的特性。通过改变二氧化钒不同状态下复合圆环结构的外径和二氧化钒占比，找到满足二氧化钒半导体状态下相位覆盖0-π而在金属状态下相位为常数且振幅均一的四种复合圆环结构；通过旋转这四种结构的对称轴90°使得这四种结构能够得到额外的π的相位从而得到另外四种结构，使得两种相变情况下的光场相位调控能够覆盖完整的0到2π范围。通过计算得到两种模式光场并根据这两种模式光场复振幅将所选复合圆环结构编码到同一混合可重构超颖表面。通过选择和入射光场正交的出射分量，实现在二氧化钒的半导体状态下生成涡旋光而在金属状态下同一样品能够生成分立光束，实现空间复用。因此，该混合可重构超颖表面能够实现可重构的光场调控应用。此外，与传统的功能固定的混合可重构超颖表面相比，本方法极大地提高了设计功能混合可重构超颖表面的自由度。本发明可应用于可调光束整形、动态全息显示、光学信息处理、信息加密、高效激光加工、分子探测和捕获等应用场合，并且本法可以拓展到可见光波段实现可见光到近红外的宽带多功能器件的设计。

以上所述的具体描述，对发明的目的、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，并不用于限定本发明的保护范围，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 (6)

1.基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，其特征在于：用于实现光场动态调制和空间复用的可重构混合超颖表面是由具不同几何尺寸、不同对称轴排列的复合圆环结构阵列构成；通过改变复合圆环结构几何尺寸以及对称轴方位，使可重构混合超颖表面对出射光束的振幅和相位进行任意地调控；利用二维全波矢量计算得到不同模式的光场复振幅分布；根据所得不同模式的光场复振幅分布，编码确定复合圆环结构的几何尺寸以及方位角，从而生成相应可重构混合超颖表面结构阵列；通过调节相变材料的状态实现同一可重构混合超颖表面对入射光束的动态调控和空间复用。

2.如权利要求1所述的基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，其特征在于：所述混合超颖表面由基底和阵列排布在基底上的复合圆环结构构成；所述复合圆环结构在基底上的排布方式为周期阵列或非周期阵列；所述复合圆环结构为开口圆环结构，开口处复合有相变材料；通过改变复合材料的几何尺寸以及对称轴方位角，实现对出射光束的振幅和相位的任意调控。

3.如权利要求2所述的基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，其特征在于：所述的几何尺寸包括复合圆环结构内径、外径、对称轴方位角、金和相变材料的比例，以及单元周期。

4.基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、在复合圆环结构的厚度、宽度和周期均固定的情况下，改变复合圆环结构的外径、相变材料占比或外径和占比，得到多个复合圆环结构组A；然后对混合超颖表面进行升温，温度不低于85°，此时改变复合圆环结构的外径、相变材料占比或外径和占比，又得到多个复合圆环结构组B；所述占比为相变材料的弧长与复合圆环结构的周长之比；

对复合圆环结构组A和B中每个复合圆环结构进行矢量仿真，得到和入射光场正交的出射光场分量分布；从而选取出射光场分量分布的相位能够覆盖0～2π，同时出射光场分量分布的振幅均一的复合圆环结构，得到复合圆环结构组C；出射光场振幅均一，能够实现纯相位调控；

通过改变复合圆环结构几何尺寸以及对称轴方位角，使超颖表面对出射光束的振幅和相位进行任意地调控；

步骤二、利用复合圆环结构能够实现不同相变材料状态下的光场调控；

按照升温前后对复合圆环结构组C中的复合圆环结构进行分类，从升温前的复合圆环结构中选取出相位覆盖0-π的结构，从升温后的复合圆环结构中选取出相位不变的结构；或者，按照升温前后对复合圆环结构组C中的复合圆环结构进行分类，从升温前的复合圆环结构中选取出相位不变的结构，从升温后的复合圆环结构中选取出相位覆盖0-π的结构；得到复合圆环结构组D；根据复合圆环结构对称轴旋转90°后，会得到额外的π相位，从而得到0到2π完全的相位调制范围；

对复合圆环结构组D进行对称轴旋转90°，得到复合圆环结构组D’；对D和D’进行等相位梯度的一维排列，能够使得在一个相变状态下出射光场具有异常折射效应，另一个相变状态出射光场具有阶跃的相位变化，即实现了动态调制和空间复用。

5.基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、在复合圆环结构的厚度、宽度和周期均固定的情况下，改变复合圆环结构的外径、相变材料占比或外径和占比，得到多个复合圆环结构组A；然后对混合超颖表面进行升温，温度不低于85°，此时改变复合圆环结构的外径、相变材料占比或外径和占比，又得到多个复合圆环结构组B；所述占比为相变材料的弧长与复合圆环结构的周长之比；

对复合圆环结构组A和B中每个复合圆环结构进行矢量仿真，得到和入射光场正交的出射光场分量分布；从而选取出射光场分量分布的相位能够覆盖0～2π，同时出射光场分量分布的振幅均一的复合圆环结构，得到复合圆环结构组C；出射光场振幅均一，能够实现纯相位调控；

通过改变复合圆环结构几何尺寸以及对称轴方位角，使超颖表面对出射光束的振幅和相位进行任意地调控；

步骤二、对D和D’进行阵列排布

根据所需光场信息从D和D’中选取出复合圆环结构并进行阵列排布；即实现了动态调制和空间复用。

6.如权利要求4或5所述的基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，其特征在于：步骤一所述仿真计算方法是基于时域有限差分方法的FDTD或基于有限元方法的COMSOL。

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