CN110376674A - 适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构，包括基底(100)和亚波长单元(200)，亚波长单元(200)为单晶硅材质的纳米级条状散射体并间隔排列在基底(100)上，形成一维周期性阵列，基底(100)采用氧化硅材质，厚度为1μm。对于s偏振入射光、p偏振入射光，亚波长单元(200)能在不同波长处实现近零前向散射和近零后向散射，从而实现电磁能量在横向平面的再分配；同时，对于s偏振入射光和p偏振入射光入射亚波长单元(200)时还能够分别实现高透射零相位延迟功能和隐身功能。本发明波前调控效率高，结构简单，便于推广使用。

Description

适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构

技术领域

本发明涉及光学领域，具体地，涉及一种适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构。

背景技术

人工电磁超材料的出现为实现主动灵活地调控电磁波的振幅、相位、偏振等信息提供了全新的平台，其在超透镜、光学隐身、全息成像、定向发射、惠根斯超表面等设计方面均具有广阔的应用前景。而现有的实现零相位传输的超表面设计多基于零介电常数超材料，其结构相对复杂如多层膜结构，或者光子晶体结构并要求其带隙结构在狄拉克点位置发生简并，因此其对周期性条件和结构设计的要求很高，且现有的超表面波前调控效率低下、结构复杂、功能单一。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构。

根据本发明提供的一种适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构，包括基底100和亚波长单元200；

所述亚波长单元200间隔排列在基底100上；

亚波长单元200的数量为多个；

亚波长单元200为纳米级条状散射体。

优选地，亚波长单元200的横截面为矩形，矩形的长、宽分别为340nm、250nm；

亚波长单元200纵向长度为8μm；

所述基底100的厚度为1μm。

优选地，亚波长单元200材料为单晶硅(c-Si)，相邻两个亚波长单元200同侧间隔为400nm。

优选地，所述基底100的材料采用氧化硅。

优选地，所述的亚波长单元200在s偏振入射光和p偏振入射光下的不同波段分别能够观察到零前向散射和零后向散射特性；

角散射分布特性根据微分散射截面计算得到，其中，是根据适用于任意截面的多极子展开方法计算得到，θ为散射角，范围0～2π，m是电磁模态的阶数，m＝0，±1，±2，σ^s，p为s和p偏振入射条件下的总散射截面；

其中，θ＝0、π，的条件是π，其中表示的相位。

优选地，对于s偏振入射光，在波长为0.867μm时亚波长单元200前向散射、后向散射同时为0；

对于p偏振入射光，在波长为0.781μm时亚波长单元200前向散射、后向散射同时为0。

优选地，所述亚波长单元200的横截面为矩形；

矩形的长、宽分别为400nm、250nm；

亚波长单元200纵向长度为8μm，基底100的厚度为1μm；

对于s偏振入射光和p偏振入射光分别入射亚波长单元200，都能够同时在波长为0.88μm时获得近零前向散射和近零后向散射。

优选地，对于s偏振入射光，在波长0.87μm时，亚波长单元200透射效率为0.87，反射效率为0.11，透射相位为0，能够实现高透射零相位延迟功能；

对于p偏振入射光，在波长0.68μm时，亚波长单元200透射效率为0.69，反射效率为0，透射相位为0，能够实现全透射零相位延迟功能。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、结构简单，调控效率高，对于s偏振光和p偏振光都能够通过不同方式同时实现近零前向散射和近零后向散射，从而实现电磁能量在横向平面的再分配。

2、功能多。对于s偏振入射光，能够实现高透射零相位延迟功能；对于p偏振入射光，能够实现全透射零相位累积的隐身功能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1a为亚波长单元200的结构示意图；

图1b为本发明的结构示意图；

图2a为亚波长单元200在s偏振入射条件的0阶共振模态与2阶共振模态的振幅和相位结果图；

图2b为亚波长单元200在s偏振入射条件前后向散射强度结果图；

图3a为亚波长单元200在p偏振入射条件的0阶共振模态与2阶共振模态的振幅和相位结果图；

图3b为亚波长单元200在p偏振入射条件前后向散射强度结果图；

图4a为亚波长单元200在s偏振入射时波长为0.867um时的远场散射分布(上)和近场电磁能量分布(下)结构图；

图4b为亚波长单元200在s偏振入射时波长为0.704um时的远场散射分布(上)和近场电磁能量分布(下)结构图；

图4c为亚波长单元200在s偏振入射时波长为1.456um时的远场散射分布(上)和近场电磁能量分布(下)结构图；

图4d为亚波长单元200在p偏振入射时波长为0.781um时的远场散射分布(上)和近场电磁能量分布(下)结构图；

图5为亚波长单元200横截面改变后在s和p偏振条件下0阶共振模态与2阶共振模态的振幅和相位结果以及0.88um处的远场散射分布图；

图6为本发明在s偏振入射条件下的反射透射图谱(上)和透射相位(下)结果图；

图7为本发明在p偏振入射条件下的反射透射图谱(上)和透射相位(下)结果图；

图中示出：

基底-100 亚波长单元-200

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构，包括基底100和亚波长单元200，如图1a、1b所示，亚波长单元200间隔排列在基底100上，亚波长单元200的数量为多个，在一个优选例中，亚波长单元200的数量为4个，亚波长单元200材料为单晶硅(c-Si)，相邻两个亚波长单元200同侧间隔P_y为400nm，基底100的材料采用氧化硅，基底100的厚度为1μm。在一个变化例中，亚波长单元200的数量为6个，基底100为1μm厚的玻璃。

亚波长单元200为纳米级条状散射体，如图1b所示，在一个优选例中，亚波长单元200的横截面为矩形，如图1a和图1b所示，其中L_x＝250nm,L_y＝340nm,L_z＝8μm。入射光沿着x方向入射，s偏振光的电场方向沿着z轴，磁场方向沿着y轴，p偏振光的电场方向沿着y轴，磁场方向沿着z轴；亚波长单元200的材料为单晶硅，基底100为氧化硅，厚度为1μm，相邻两个亚波长单元200同侧间隔P_y为400nm。

亚波长单元200的横截面为矩形，如图1所示，当L_x＝250nm,L_y＝400nm时，对于s偏振入射光和p偏振入射光分别入射亚波长单元200，可同时在波长为0.88μm时获得近零前向散射和零后向散射。如图5所示，是亚波长单元200改变了横截面大小为L_x＝250nm和L_y＝400nm时，当波长为0.88um时，在s和p偏振入射条件下同时实现的近零前向散射和近零后向散射。

所述的亚波长单元200在s偏振入射光和p偏振入射光下的不同波段分别能够观察到近零前向散射和近零后向散射特性；角散射分布特性根据微分散射截面计算得到，其中，是根据适用于任意截面的多极子展开方法计算得到，m是电磁模态的阶数，m＝0，±1，±2，θ为散射角，范围0～2π，σ^s，p为s和p偏振入射条件下的总散射截面；的条件是 其中表示的相位。

对于s偏振入射光，在波长为0.867μm时亚波长单元200前向散射、后向散射同时为0；在一个优选例中，如图2a和图2b所示，为亚波长单元200在s偏振入射光入射条件下0阶共振模态与2阶共振模态的散射系数振幅和相位的差以及前后向散射强度的结果图。s偏振入射条件下，0阶共振为电偶极子，2阶共振为磁四极子，散射系数可根据计算得到，其中k为入射波矢，i为虚数单位,表示柱坐标系下的角度，η为真空中的阻抗，ds为微元体积，为柱坐标系下的散射电流，J＝-iω∈₀(∈_r-∈_h)E。E是电场，ω为角频率，∈₀,∈_r,∈_h分别表示真空中的介电常数，散射体材料和背景材料的相对介电常数。J_m为柱形贝塞尔函数，m表示共振阶数，当散射系数的振幅和相位满足： 远场的散射角分布为前向散射时θ＝0，后向散射时θ＝π。当波长为0.867μm时，0阶和2阶共振模态的散射系数满足上述条件，前后向散射可同时为0。

对于p偏振入射光，在波长为0.781μm时亚波长单元200前相散射、后相散射同时为0。如图3a、图3b所示，亚波长单元200在p偏振入射条件下0阶共振模态与2阶共振模态的散射系数振幅和相位的差以及前后向散射强度的结果图。p偏振入射条件下，0阶共振为磁偶极子，2阶共振为电四极子，散射系数可根据 计算得到，当波长为0.781um时，0阶和2阶共振模态的散射系数满足上述条件，前后向散射可同时为0。

对于s偏振入射光，在波长0.87μm时，亚波长单元200透射效率为0.87，反射效率为0.11，透射相位为0，能够实现高透射零相位延迟功能；如图6所示，是本发明在s偏振入射时的反射和透射图谱(上)和投射相位(下)，在波长为0.87um时，反射效率为0.11，透射相位为0，实现了高透射零相位累积的隐身特性。

对于p偏振入射光，在波长0.68μm时，亚波长单元200透射效率为0.69，反射效率为0，透射相位为0，能够实现全透射零相位延迟功能。如图7所示，是本发明在p偏振入射时的反射和透射图谱(上)和投射相位(下)，在波长为0.68um时，透射效率为0.69，反射效率为0，透射相位为0实现了全透射零相位累积的隐身特性。

图4a，4b，4c和4d为亚波长单元200在不同偏振状态，不同波长下的远场散射分布图和近场电场图。图4a为s偏振下同时实现的近零前向和近零后向散射，图4b为s偏振下实现的强后向散射，图4c为s偏振下实现的强前向散射，图4d为p偏振下同时实现的零前向散射和零后向散射。

根据本发明提供的一种适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构，优选地工作在可见光波段，在特定波段对s偏振光或p偏振光具有隐身效果。对于s偏振入射光、p偏振入射光，单个亚波长单元200能在不同波长处同时实现近零前向和近零后向散射，从而实现电磁能量在横向平面的再分配；改变亚波长单元(200)的形状也能够在s偏振光入射和p偏振光入射时实现零前向和零后向散射；同时，对于s偏振入射光和p偏振入射光入射亚波长单元200时还能够分别实现高透射零相位延迟功能和全透射零相位累积的隐身功能，本发明波前调控效率高，结构简单，便于推广使用。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构，其特征在于，包括基底(100)和亚波长单元(200)；

所述亚波长单元(200)间隔排列在基底(100)上；

亚波长单元(200)的数量为多个；

亚波长单元(200)为纳米级条状散射体。

2.根据权利要求1所述的适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构，其特征在于，亚波长单元(200)的横截面为矩形，矩形的长、宽分别为340nm、250nm；

亚波长单元(200)纵向长度为8μm；

所述基底(100)的厚度为1μm。

3.根据权利要求1所述的适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构，其特征在于，亚波长单元(200)材料为单晶硅(c-Si)，相邻两个亚波长单元(200)同侧间隔为400nm。

4.根据权利要求1所述的适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构，其特征在于，所述基底(100)的材料采用氧化硅。

5.根据权利要求1所述的适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构，其特征在于，所述的亚波长单元(200)在s偏振入射光和p偏振入射光下的不同波段分别能够观察到零前向散射和零后向散射特性；

角散射分布特性根据微分散射截面计算得到，其中，是根据适用于任意截面的多极子展开方法计算得到，θ为散射角，范围0～2π，m是电磁模态的阶数，m＝0,±1,±2，σ^s,p为s和p偏振入射条件下的总散射截面；

其中，θ＝0、π，的条件是 其中表示的相位。

6.根据权利要求1所述的适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构，其特征在于，对于s偏振入射光，在波长为0.867μm时亚波长单元(200)前向散射、后向散射同时为0；

对于p偏振入射光，在波长为0.781μm时亚波长单元(200)前相散射、后相散射同时为0。

7.根据权利要求1所述的适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构，其特征在于，所述亚波长单元(200)的横截面为矩形；

矩形的长、宽分别为400nm、250nm；

亚波长单元(200)纵向长度为8μm，基底(100)的厚度为1μm；

对于s偏振入射光和p偏振入射光分别入射亚波长单元(200)，都能够同时在波长为0.88μm时获得近零前向散射和近零后向散射。

8.根据权利要求1所述的适用于可见光波段全透射零相位延迟隐身超表面结构，其特征在于，对于s偏振入射光，在波长0.87μm时，亚波长单元(200)透射效率为0.87，反射效率为0.11，透射相位为0，能够实现高透射零相位延迟功能；

对于p偏振入射光，在波长0.68μm时，亚波长单元(200)透射效率为0.69，反射效率为0，透射相位为0，能够实现全透射零相位延迟功能。