CN110161611A - 一种波长依赖型双功能全介质超表面结构 - Google Patents

一种波长依赖型双功能全介质超表面结构 Download PDF

Info

Publication number
CN110161611A
CN110161611A CN201910565342.0A CN201910565342A CN110161611A CN 110161611 A CN110161611 A CN 110161611A CN 201910565342 A CN201910565342 A CN 201910565342A CN 110161611 A CN110161611 A CN 110161611A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nanostructure
layer
upper layer
lower layer
pillar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910565342.0A
Other languages
English (en)
Inventor
陆大全
卞凯
胡巍
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China Normal University
Original Assignee
South China Normal University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China Normal University filed Critical South China Normal University
Priority to CN201910565342.0A priority Critical patent/CN110161611A/zh
Publication of CN110161611A publication Critical patent/CN110161611A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3083—Birefringent or phase retarding elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种波长依赖型双功能全介质超表面结构，包括衬底层、上层纳米结构和下层纳米结构；在所述衬底层的上端面和下端面分别设置有上层纳米结构和下层纳米结构，所述上层纳米结构由同一规格但摆放角度各异的椭圆或矩形纳米柱排列组成，而下层纳米结构由另一规格但摆放角度各异的椭圆或矩形纳米柱排列组成；所述上层纳米结构和下层纳米结构中各个椭圆或矩形纳米柱的摆放角度根据期望的相位分布确定。本发明可根据入射波长的不同而在两种特定功能之间进行切换，可提高光学系统的集成度。

Description

一种波长依赖型双功能全介质超表面结构
技术领域
本发明涉及纳米光学技术领域，具体涉及一种波长依赖型双功能全介质超表面结构。
背景技术
超表面结构是近年来发展的一类光束控制器件，具体通过设计特定的亚波长结构，达到改变光束的幅度、相位或偏振态的目的。当前，超表面结构已成功应用于实现分束器、光束生成器、平面(消色差)透镜、超分辨率成像等。随着光学技术的发展，对于光学器件的集成性和功能复用性的要求也越来越高，而对于超表面结构而言，若同一个结构可实现多种功能，将有利于提高光学器件的集成度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种波长依赖型双功能全介质超表面结构，可以在两个不同的波长实现不同的功能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种波长依赖型双功能全介质超表面结构，包括衬底层、上层纳米结构和下层纳米结构；在所述衬底层的上端面和下端面分别设置有上层纳米结构和下层纳米结构，所述上层纳米结构由多个同一规格但摆放角度各异的椭圆或矩形纳米柱排列组成，而下层纳米结构由多个另一规格并且摆放角度各异的椭圆或矩形纳米柱排列组成；所述上层纳米结构和下层纳米结构中各个椭圆或矩形纳米柱的摆放角度根据期望的相位分布确定。
进一步地，所述上层纳米结构和下层纳米结构均采用高折射率和低损耗的材料制成。
进一步地，对于设定的入射波长为λ1的圆偏振光，所述上层纳米柱结构为等效半波片，下层纳米柱结构为等效全波片；而对于设定的入射波长λ2的圆偏振光，所述下层纳米柱结构为等效半波片，上层纳米柱结构为等效全波片。
本发明的有益效果在于：
提供的波长依赖型双功能全介质超表面结构可根据入射波长的不同而在两种特定功能之间进行切换，可提高光学系统的集成度。
附图说明
图1为本发明实施例中超表面结构的总体示意图；
图2为图1中单元结构的上层纳米柱的横截面示意图；
图3为图1中单元结构的下层纳米柱的横截面示意图；
图4为本发明实施例中上层纳米柱、衬底层和下层纳米柱的连接示意图；
图5为本发明实施例中超表面结构实现平面轴锥镜和平面透镜双功能的原理示意图；
图6为本发明实施例中超表面结构在入射波长为λ1时实现平面轴锥镜的功能从而生成零阶贝塞尔光束的光场演化图；
图7为本发明实施例中超表面结构在入射波长为λ2时实现平面透镜的功能从而实现光束聚焦的光场演化图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
本实施例提供一种波长依赖型双功能全介质超表面结构，如图1-4所示，包括衬底层1、上层纳米结构2和下层纳米结构3。在所述衬底层1的上端面和下端面分别设有上层纳米结构2和下纳米柱结构层3，上层纳米结构2由多个同一规格但摆放角度各异的椭圆纳米柱21排列组成，而下层纳米结构3由多个另一规格但摆放角度各异的椭圆纳米柱31排列组成。在本实施例中，针对设定的入射波长λ1＝780nm，所述上层椭圆纳米柱为等效半波片，所述下层椭圆纳米柱为等效全波片；针对设定的入射波长λ2＝660nm，所述下层椭圆纳米柱为等效半波片，所述上层椭圆纳米柱为等效全波片。
满足上述要求的上层椭圆纳米柱和下层椭圆纳米柱规格为：上层椭圆纳米柱的长轴a1＝238nm，短轴b1＝70nm，高h1＝600nm，晶胞大小为Sx＝Sy＝300nm；下层椭圆纳米柱的长轴a2＝248nm，短轴b2＝94nm，高h2＝800nm，晶胞大小为Sx＝Sy＝300nm。在某一特定波长入射下，全波片对光场相位分布基本无影响；对于半波片而言，可通过控制上层椭圆纳米柱或下层椭圆纳米柱的摆放角度θ1或θ2获得期望的相位分布，从而实现特定波长入射的功能。
进一步地，所述衬底层1采用的是二氧化硅，上层椭圆纳米柱21和下层椭圆纳米柱31均采用的是硅材料。
图5表示的是本实施例中的超表面结构在不同波长可实现平面轴锥镜和平面透镜的双功能器件的原理图。图5(a)表示的是入射波长为λ1＝780nm经过超表面结构生成零阶贝塞尔光束的原理示意图；图5(b)展示的是设计的平面轴锥镜期望的相位分布，而图5(c)是对应的上层椭圆纳米结构摆放图。图5(d)表示的是入射波长为λ2＝660nm经过超表面结构光束聚焦在轴上一点的原理示意图；图5(e)展示的是设计的平面透镜期望的相位分布，而图5(e)是对应的下层椭圆纳米结构摆放图。
对于λ1＝780nm入射生成零阶贝塞尔光束，相位分布需满足以下公式：
而对于λ2＝660nm入射聚焦光束，相位分布需满足以下公式：
其中，NA为数值孔径，f为预设焦距。相位分布可根据公式和通过确定上层纳米结构2和下层纳米结构3上对应位置的椭圆纳米柱摆放角度θ1、θ2而得到。
图6描述了本实施例中超表面结构作为NA＝0.7的平面轴锥镜生成零阶贝塞尔光束的演化过程。图6(a)展示的是光束通过超表面结构后的x-z平面上的归一化光场分布；图6(b)表示的是在不同传输距离处的x-y平面上的归一化光场分布；图6(c)是相应的横向归一化强度分布。从图6(a)-(c)的模拟结果可以看出，光束中心光强极强而光束旁瓣很弱，且光强在最大无衍射距离Zmax＝15.3μm之内主瓣宽度基本不变,符合贝塞尔光束的基本传输特征。其半高全宽FWHM约为440nm，十分接近理论极限值400nm，说明了设计的结构较好地实现了轴锥镜生成贝塞尔光束的功能。
图7描述了本实施案例中超表面结构作为f＝15μm的平面透镜进行光束聚焦的演化过程。图7(a)展示的是光束通过超表面结构后的x-z平面上的归一化光场分布；图7(b)表示的在聚焦位置附近处的x-y平面上的归一化光场分布；图7(c)相应的横向归一化强度分布。图7(a)-(c)显示了该平面透镜在设计聚焦位置f＝15.4μm附近提供了强聚焦能力，获得了高度对称的焦斑。其焦斑半高全宽FWHM为480nm，接近衍射极限值(0.5λ/NA＝467nm)，说明了设计的结构实现了平面透镜的良好聚焦性能。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种波长依赖型双功能全介质超表面结构，其特征在于，包括衬底层、上层纳米结构和下层纳米结构；在所述衬底层的上端面和下端面分别设置有上层纳米结构和下层纳米结构，所述上层纳米结构主要由多个同一规格但摆放角度各异的椭圆或矩形纳米柱排列组成，而下层纳米结构主要由多个另一规格并摆放角度各异的椭圆或矩形纳米柱排列组成；所述上层纳米结构和下层纳米结构中各个椭圆或矩形纳米柱的摆放角度根据期望的相位分布确定。
2.根据权利要求1所述的波长依赖型双功能全介质超表面结构，其特征在于，所述上层纳米结构和下层纳米结构均采用高折射率和低损耗的材料制成。
3.根据权利要求1所述的波长依赖型双功能全介质超表面结构，其特征在于，对于设定的入射波长为λ1的圆偏振光，所述上层纳米柱结构为等效半波片，下层纳米柱结构为等效全波片；而对于设定的入射波长λ2的圆偏振光，所述下层纳米柱结构为等效半波片，上层纳米柱结构为等效全波片。
CN201910565342.0A 2019-06-27 2019-06-27 一种波长依赖型双功能全介质超表面结构 Pending CN110161611A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910565342.0A CN110161611A (zh) 2019-06-27 2019-06-27 一种波长依赖型双功能全介质超表面结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910565342.0A CN110161611A (zh) 2019-06-27 2019-06-27 一种波长依赖型双功能全介质超表面结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110161611A true CN110161611A (zh) 2019-08-23

Family

ID=67636907

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910565342.0A Pending CN110161611A (zh) 2019-06-27 2019-06-27 一种波长依赖型双功能全介质超表面结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110161611A (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110531458A (zh) * 2019-08-29 2019-12-03 武汉大学 一种可实现非互易性功能的超表面
CN111856622A (zh) * 2020-07-15 2020-10-30 华南师范大学 一种基于叉型结构实现高效率宽波带消色差超透镜的方法
CN112666813A (zh) * 2020-12-30 2021-04-16 安徽大学 基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制系统
CN112748521A (zh) * 2019-10-30 2021-05-04 三星电子株式会社 透镜组件以及包括透镜组件的电子设备
CN113820768A (zh) * 2021-09-26 2021-12-21 维沃移动通信有限公司 镜片组、摄像头模组及电子设备
CN113917591A (zh) * 2021-10-15 2022-01-11 中国人民解放军国防科技大学 任意偏振转换超表面及将任意偏振光进行偏振转换的方法
CN115453670A (zh) * 2022-09-29 2022-12-09 苏州大学 一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜及其制备方法
CN113820768B (zh) * 2021-09-26 2024-05-28 维沃移动通信有限公司 镜片组、摄像头模组及电子设备

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110531458A (zh) * 2019-08-29 2019-12-03 武汉大学 一种可实现非互易性功能的超表面
CN112748521A (zh) * 2019-10-30 2021-05-04 三星电子株式会社 透镜组件以及包括透镜组件的电子设备
US11885943B2 (en) 2019-10-30 2024-01-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Lens assembly and electronic device including the same
CN111856622A (zh) * 2020-07-15 2020-10-30 华南师范大学 一种基于叉型结构实现高效率宽波带消色差超透镜的方法
CN112666813A (zh) * 2020-12-30 2021-04-16 安徽大学 基于介质超表面实现双相位合成的彩色复振幅调制系统
CN113820768A (zh) * 2021-09-26 2021-12-21 维沃移动通信有限公司 镜片组、摄像头模组及电子设备
CN113820768B (zh) * 2021-09-26 2024-05-28 维沃移动通信有限公司 镜片组、摄像头模组及电子设备
CN113917591A (zh) * 2021-10-15 2022-01-11 中国人民解放军国防科技大学 任意偏振转换超表面及将任意偏振光进行偏振转换的方法
CN115453670A (zh) * 2022-09-29 2022-12-09 苏州大学 一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜及其制备方法
CN115453670B (zh) * 2022-09-29 2023-08-15 苏州大学 一种反射式正交圆偏振双聚焦超透镜及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110161611A (zh) 一种波长依赖型双功能全介质超表面结构
CN105676314B (zh) 一种多光谱位相型超表面器件
WO2020073303A1 (zh) 基于介质超表面的偏振发生器及其设计方法
KR102436892B1 (ko) 입사 전자기파로부터, 근거리 구역에서 적어도 하나의 집속된 빔을 형성하는 디바이스
CN111897036A (zh) 消色差微透镜阵列超表面
CN106094066B (zh) 一种基于人工微结构超表面构造超薄彩色光学透镜的方法
CN112394429B (zh) 一种中红外偏振无关宽带消色差超透镜及其构造方法
CN109270606A (zh) 一种基于介质和石墨烯构造动态多焦点超透镜的方法
CN107315206A (zh) 基于全介质超表面结构的高效红外光学透镜及其制备方法
CN109799611A (zh) 一种消色差超构透镜的设计方法及其消色差超构透镜
CN107589540A (zh) 双折射相位调控超表面结构单元、宽带偏振与相位调控阵列及器件
CN106199997B (zh) 一种大视场超分辨成像器件
CN109901251A (zh) 一种基于多层石墨烯的双焦点与长焦深超透镜
CN109061780A (zh) 一种双波长同轴独立聚焦的超表面透镜
CN109752842B (zh) 一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法
CN106990547A (zh) 海豚形元胞圆阵列超表面
CN109856704B (zh) 一种宽带消色差全介质平面透镜的制作方法
US9323052B2 (en) Lithography pupil shaping optical system and method for generating off-axis illumination mode
CN110133773A (zh) 一种对光场振幅与相位均可调的超表面结构
Huo et al. Photonic spin-controlled generation and transformation of 3D optical polarization topologies enabled by all-dielectric metasurfaces
CN104111590A (zh) 基于复合涡旋双瓣聚焦光斑的激光直写装置
CN210155357U (zh) 一种波长依赖型双功能全介质超表面结构
Miao et al. Plasmonic lens with multiple-turn spiral nano-structures
TW201140136A (en) Optical devices based on non-periodic sub-wavelengh gratings
CN108535865A (zh) 一种焦距可控的负折射光栅平凹镜设计方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination