CN110441835A - 一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件，属于电磁波和电磁超材料技术领域。包括上下两层的巴比涅复合梯度相位超构表面，巴比涅复合超构表面是上下两层结构互补的超构材料，上层为金属纳米条梯度相位超构表面，结构单元为梯度相位金属纳米条，下层为金属纳米槽梯度相位超构表面，结构单元为梯度相位金属纳米槽，中间为介质层。圆偏振入射光与超构表面相互作用以后会产生异常折反射现象，通过合理调控金属层的厚度，巴比涅复合超构材料将产生很强的非对称异常反射现象。本发明能够实现对比度非常强的圆偏振光非对称反射现象，具有圆偏振转换效率高、非对称反射现象明显、易于集成等优点，应用前景广阔。

Description

一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件

技术领域

本发明涉及一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件，属于电磁波和电磁超材料技术领域。

背景技术

偏振是电磁波的一个重要特性，操纵电磁波的偏振态在光子学研究中是至关重要的。控制光的偏振态这一技术的应用也十分的广泛。传统得到线偏振光的方式一般采用偏振片、波片堆、晶体(波片)、尼科尔棱镜等，而椭圆偏振光需要通过起偏器和波片得到。超构材料的出现为调控光的偏振态提供了全新的思路，在以超构材料为基础的偏振调控方面，众多超构材料中丧失了镜面对称的手性超构材料性能最佳，是最有应用前景的超构材料。此外，梯度相位超构材料可实现超构材料光的偏振调控及异常折反射。而相较于线偏振光，圆偏振光可用于研究手性材料的信息，可实现光学涡旋、自旋轨道耦合等光学现象，也可应用于生物制药、生物传感等领域，所以有效利用超构材料来调控圆偏振光的偏振态拥有更为广阔的前景。

在超构材料调控偏振的研究领域中，非对称传输是一项重要应用，它的含义主要是指，当同一偏振态的入射光沿着正反两个方向入射到超构表面时，透射及反射光发生偏振转换的强度不同。所以，当一种超构平面在同一入射偏振光且入射方向不同的条件下，所得到的反射系数不同时，我们称这种现象为非对称反射现象。2006年，Fedotov及其课题组成员设计出一种类似于鱼鳞结构的超构表面，这种超构表面是一种具有手性的超构表面，他们利用这种结构研究其对光波的偏振传输调控能力，并意外地发现了非对称传输现象。现如今，利用梯度相位超构表面实现偏振转换及非对称传输现象成为超构材料研究领域的一大热点，利用具有强非对称传输或反射现象的超构材料可以来设计偏振转换器、光波导耦合器、电磁可调谐器等器件，以及在某些成像系统中，具有非对称传输特性的超构表面在其中起着关键性的作用。

2011年，Capasso教授与其课题组成员设计出一种新型的V型梯度超构表面，这种V型结构按照不同的排列方式，可以产生不同的异常传输现象。当V型结构周期性排列时，这种梯度相位超构表面可以对线偏振光产生很强的偏振转换效果，线偏振光通过超构表面可以产生异常折射现象；当V型结构按散射排列时，这种排列方式的V型梯度超构表面对圆偏振光具有很强的偏振调控效果，透过这种超构表面的光束会产生光漩涡现象。这种具有梯度相位的V型超构表面的设计方式，为后来的超构表面结构设计提供了新的思路。

2016年，张磊等人将双层V型超构表面复合叠加，其一个周期结构单元是由六个具有梯度相位的V型槽与V型条相结合而成的，这种超构表面实现了在可见光波段线偏振光36.5％的透射交叉极化传输效率，实现了线偏振光的异常折反射。然而，这一设计没有涉及圆偏振光的偏振态调控，也没有表现出优异的非对称反射现象，而圆偏振光可应用于生物制药、生物传感等领域，也可实现光学涡旋、自旋轨道耦合等光学现象。

发明内容

本发明的目的是为了实现高对比度的圆偏振光非对称反射而提供一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件。

本发明的目的是这样实现的：是一种层状结构的巴比涅复合梯度相位超构表面，上层为由金属纳米条组成的金属纳米条梯度相位超构表面，下层为由金属纳米槽组成的金属纳米槽梯度相位超构表面，上层和下层的中间为介质层，金属纳米条及金属纳米槽的结构参数和空间相位变化规律完全相同、互为正负结构。

本发明还包括这样一些结构特征：

1、金属纳米条及金属纳米槽在空间成梯度变化且呈阵列布置。

2、所述金属纳米条和金属纳米槽为矩形。

3、所述金属纳米条和金属纳米槽为U型。

4、所述巴比涅复合梯度相位超构表面的材料为金或银。

5、介质层为二氧化硅材料或氟化镁材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用多层结构设计超构表面，避免单层超薄超构结构反射交叉偏振效率理论极限为25％的缺点，并且通过调控超构材料金属层的厚度，有效提高了偏振光的偏振转换效率。且双层超构表面易于制备、结构规律、周期性结构转换效果稳定。双层梯度相位超构表面互为正负结构，上下两层结构表面存在差异性，分别沿正反两个方向入射时，同一偏振光发生的偏振转换强度不同，实现了非对称反射现象，原理简单、效果稳定。该材料器件对圆偏振光的偏振转换效果明显。圆偏振光可应用生物传感、生物制药等领域，可用于研究手性材料的信息，可以实现光学涡旋、自选轨道耦合、圆二向色性等光学特性，本发明实现强对比度的圆偏振光非对称反射，拥有更加广阔的应用前景。

附图说明

图1是巴比涅复合矩形梯度相位超构材料三视图，a是主视图，b是俯视图，c是左视图；

图2是单元矩形纳米条梯度相位超构表面三视图，a是主视图，b是俯视图，c是左视图；

图3是单元矩形纳米槽梯度相位超构表面三视图，a是主视图，b是俯视图，c是左视图；

图4是梯度结构单元空间相位变化图；

图5是巴比涅复合矩形梯度相位超构材料单元；

图6是非对称反射系统实施例1图；

图7是实施例1的非对称反射效果图，(a)是矩形纳米槽一侧入射时反射消光比，(b)是矩形纳米条一侧入射时反射消光比；

图8是非对称反射系统实施例2图；

图9是实施例2的非对称反射效果图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如附图所示，图1是巴比涅复合矩形梯度相位超构材料三视图，1是超构材料单元结构，a是主视图，b是俯视图，c是左视图；图2是单元矩形纳米条梯度相位超构表面三视图，a是主视图，b是俯视图，c是左视图，2是矩形纳米条，材料为金属，3是介质层；图3是单元矩形纳米槽梯度相位超构表面三视图，a是主视图，b是俯视图，c是左视图，4是矩形纳米槽，镂空在金属层上，5是金属层；图4是梯度结构单元空间相位变化，旋转角为θ，也即各个金属纳米条和金属纳米槽之间的变化规律是依次旋转θ角，θ为锐角；图5是巴比涅复合矩形梯度相位超构材料单元，6是入射光，7是普通反射光，8是普通透射光，9是异常反射光，10是异常透射光；图6是非对称反射系统实施例1，11是矩形纳米条梯度相位超构表面，12是实施例一的介质层，13是矩形纳米槽梯度相位超构表面，14是光源，15是接收器件，16是入射光，17是异常反射光，18是巴比涅复合矩形梯度相位超构表面；图7是实施例1的非对称反射效果图，(a)是矩形纳米槽一侧入射时反射消光比，(b)是矩形纳米条一侧入射时反射消光比；图8是非对称反射系统实施例2，19是U形纳米条梯度相位超构表面，20是实施例二的介质层，21是U形纳米槽梯度相位超构表面，14是光源，15是接收器件，16是入射光，17是异常反射光，22是巴比涅复合U形梯度相位超构表面；图9是实施例2的非对称反射效果图，R₁表示U形金属槽一侧入射时反射消光比，R₂表示U形金属条一侧入射时反射消光比。

本发明提供一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件，器件主要为上下两层的巴比涅复合梯度相位超构表面。巴比涅复合超构表面主要为上下两层结构互补的超构材料，上层为金属纳米条梯度相位超构表面，结构单元为梯度相位金属纳米条，下层为金属纳米槽梯度相位超构表面，结构单元为梯度相位金属纳米槽，中间为介质层。利用多层结构可实现在光波段的较高的圆偏振反射交叉偏振转换效率，同时抑制其反射共偏振转换效率，通过上下两层超构表面的差异实现偏振光的非对称反射。

在可见光波段，利用多层结构实现圆偏振非对称异常反射，强度的非对称因子超过40dB，40dB的强非对称反射因子由合理调控巴比涅复合超构表面金属层的厚度产生。该非对称反射器件的工作频段是在200THz到500THz。

本发明能够对圆偏振光实现偏振转换及异常折反射。所述的超构材料上下两层为巴比涅复合梯度相位结构，上层为金属纳米条梯度相位超构表面，下层为金属纳米槽梯度相位超构表面。超构表面是由梯度相位结构组成的周期性结构，巴比涅复合梯度相位超构表面的材料为金属，双层超构表面之间为介质层，圆偏振光垂直入射到超构表面。梯度相位超构表面的结构单元为空间相位梯度变化的金属纳米条及金属纳米槽，上下两层的金属纳米条及金属纳米槽的结构参数和空间相位变化规律完全相同，即互为正负结构。圆偏振入射光与超构表面相互作用以后会产生异常折反射现象。通过合理调控金属层的厚度，巴比涅复合超构材料将产生很强的非对称异常反射现象。巴比涅复合梯度相位超构表面的材料为金属，如金、银等材料。巴比涅复合梯度相位超构表面之间的介质层为二氧化硅、氟化镁等材料。

下面结合金属纳米条和金属纳米槽的形状给出本发明的两个实施例。

实施例1：

实施例1给出一种巴比涅复合矩形梯度相位超构表面，如图1所示，其中一个结构单元包括八个梯度相位变化的矩形小单元。复合结构单元由如图2所示的单元矩形纳米条梯度相位超构表面和如图3所示的单元矩形纳米槽梯度相位超构表面构成，巴比涅复合超构表面材料为金属，中间为介质层。图5表示单元梯度相位超构材料在受到圆偏振光入射时表现的异常折反射现象。图6给出了一种非对称反射器件，分别在超构材料两端入射圆偏振光，可以得到不同的反射现象，非对称反射器件的主要结构为巴比涅复合矩形梯度相位超构表面，结构单元为空间相位梯度变化的矩形金属纳米条和矩形纳米金属槽，合理调控双层超构材料金属层的厚度，可得到强的非对称反射因子。可通过计算消光比研究非对称反射现象，消光比的计算方式是ER＝10log(P_--/P_+-)dB，其中P_--表示的是共偏振光的强度，P_+-表示的是交叉偏振光的强度，消光比大于0时，反映其透射或反射的交叉偏振转换效率高于共偏振传输效率；相反当消光比小于零时，反映其交叉偏振低于共偏振。当合理调控巴比涅复合矩形梯度相位超构材料的金属层厚度之后，图8给出了同一圆偏振光由两侧入射时的反射消光比，(a)可知，入射光从的矩形条一侧入射，反射交叉偏振转换效率在200THz至450THz内始终低于共偏振传输效率。(b)可知，入射光从矩形槽一侧入射，反射交叉偏振转换效率在280THz至330THz内高于共偏振传输效率，对比不同方向入射下的反射圆偏振光，可知反射光强度的非对称反射因子达到40dB，该器件对圆偏振反射光有较强非对称反射效应。

实施例2：

实施例2中巴比涅复合梯度相位超构表面采用了U形的结构单元，图8给出了实施例2的非对称反射器件，该非对称反射器件的主要结构为巴比涅复合U形梯度相位超构表面，结构单元为八个空间相位梯度变化的U形金属纳米条和U形金属纳米槽，双层超构表面之间为介质层，合理调控金属层厚度，可以得到强的非对称反射因子。图9给出巴比涅复合U形梯度相位超构表面的反射消光比，其中R₁表示圆偏振光由梯度相位U形金属槽一侧入射，R₂表示圆偏振光由梯度相位U形金属条一侧入射。由图中可知，在合理调控金属层厚度之后，巴比涅复合U形梯度相位超构表面的非对称反射因子可以达到80dB，这可以实现强对比度的非对称反射现象。

综上，本发明涉及一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件。非对称反射器件的主要结构为上下两层的巴比涅复合梯度相位超构表面，巴比涅复合表示上下两层材料为互补的正负结构。上层为金属纳米条梯度相位超构表面，结构单元为八个空间相位梯度变化的金属纳米条，下层为金属纳米槽梯度相位超构表面，结构单元为八个空间相位梯度变化的金属纳米槽，上下两层结构单元参数完全相同。巴比涅互补的上下两层超构表面的材料为金属，两层超构表面之间为介质层。合理调控金属层的厚度，巴比涅复合超构材料将产生很强的非对称异常反射现象，即圆偏振光从前后两个方向通过超构材料时产生强度不同的异常反射现象，强度的非对称因子超过40dB。在200THz到500THz波段内，单层超构表面能够实现对圆偏振光的偏振转换，将单层超构表面进行复合叠加之后，圆偏振光的偏振转换效率提高，调整金属层厚度后非对称反射现象更加明显，具体表现为从超构材料上下两面分别入射时所得到的反射偏振转换效率及反射消光比不同。本发明能够实现对比度非常强的圆偏振光非对称反射现象，具有圆偏振转换效率高、非对称反射现象明显、易于集成等特点。

Claims (7)

1.一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件，其特征在于：是一种层状结构的巴比涅复合梯度相位超构表面，上层为由金属纳米条组成的金属纳米条梯度相位超构表面，下层为由金属纳米槽组成的金属纳米槽梯度相位超构表面，上层和下层的中间为介质层，金属纳米条及金属纳米槽的结构参数和空间相位变化规律完全相同、互为正负结构。

2.根据权利要求1所述一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件，其特征在于：金属纳米条及金属纳米槽在空间成梯度变化且呈阵列布置。

3.根据权利要求2所述一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件，其特征在于：所述金属纳米条和金属纳米槽为矩形。

4.根据权利要求2所述一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件，其特征在于：所述金属纳米条和金属纳米槽为U型。

5.根据权利要求3或4所述一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件，其特征在于：所述巴比涅复合梯度相位超构表面的材料为金或银。

6.根据权利要求3或4所述一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件，其特征在于：介质层为二氧化硅材料或氟化镁材料。

7.根据权利要求5所述一种基于巴比涅复合梯度相位超构材料的非对称反射器件，其特征在于：介质层为二氧化硅材料或氟化镁材料。