CN110441848B - 亚波长金属超构光栅及中红外可调控回射器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亚波长金属超构光栅及中红外可调控回射器，超构光栅包括金属基体，金属基体上设有若干周期性重复分布的第一凹槽及第二凹槽，第一凹槽内填充第一材料形成第一结构单元，第二凹槽内填充第二材料形成有第二结构单元，所述第一结构单元和第二结构单元具有π的反射相位差，且第二材料的折射率n₂大于第一材料的折射率n₁。本发明反射型金属超构光栅结构简单且易实现，一个大周期内只包含两个结构单元，通过简单的结构设计即可实现双通道中红外光的回射功能；金属超构光栅在保持高性能的同时还减少了结构引起的损耗，具有极高的回射效率(＞98％)，不同的回射角度仅仅通过改变周期长度就能进行调制，具有高效率、可调控、双通道回射等特性。

Description

亚波长金属超构光栅及中红外可调控回射器

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，特别是涉及一种亚波长金属超构光栅及中红外可调控回射器。

背景技术

如何有效控制光的折射、反射、传播以及波前等，一直是光学领域的热点研究之一。在过去几年里，科学家们提出了渐变超构表面的概念，即通过在一个周期内沿着界面方向引入覆盖2π变化的突变相位，进而在该方向引入有效波矢κ。根据切向方向动量守恒，光在界面上发生反射和折射时满足广义的反射和折射定律：k_isinθ_in＝k_isinθ_r+κ和k_isinθ_in＝k_tsinθ_t+κ，从而可以实现对光的反射、折射以及波前进行有效调控。局域突变相位概念为操控光的传播提供了新的维度，基于这个概念和广义反射和折射定律，随后科学家们提出了一系列超薄器件，实现了不对称传输、平面超构透镜、光子自旋霍尔效应等。由于渐变超构表面存在阻抗不匹配的问题，使得转化效率受到限制，近年来人们考虑用一种非超薄的渐变超构表面来操控光的传播。与超薄超构表面类似，这种渐变超构表面在结构上具有周期性，由于较厚，类似于传统的光栅；但是与传统光栅不同的是，这种渐变超构表面界面上带有覆盖2π突变相位，可以对各个衍射级次进行调制，把这种较厚的渐变超构表面简称为超构光栅。研究显示：渐变超构光栅不仅具有超构表面中各种异常光学特性，且转化效率较高，而且还具有超薄超构表面中观察不到的新光学现象、蕴含新的物理机制，如奇偶性相关的异常折射/反射现象。

在光学异常散射现象中，逆向反射是一个很有趣的现象，即反射波沿着入射波的方向原路返回。最近，科学家们提出了多种结构用以实现逆向反射器件。例如，利用Luneburg透镜可以实现大角度范围的逆向反射，但其结构设计比较复杂包含多层结构。另外该器件是非平面器件，这就要求入射波理论上需完全对准透镜中心，这给实际应用带来一些逃战。因而研究如何构建平面器件实现逆向反射器件显的更有意义。

现有技术(Song G，Cheng Q，Cui T J，Jing Y 2018 Phys.Rev.Mater.2065201)中提出利用两层超构光栅实现平面的逆向反射器件，但是对于大的入射角度，逆向反射效率较低(60.0°入射时，回射效率不到50％)，并且两层超构光栅之间存在的耦合也增加了系统的复杂性。现有技术(Shen C，Díaz-Rubio A，Li J，Cummer S A 2018 Appl.Phys.Lett.112183503)中，可以利用超构光栅实现三通道的平面逆向反射器件，其解决了对于大角度入射回射效率低的问题，但是该超构光栅结构一个周期内包含6个不同的结构单元，几何结构比较复杂。一般而言，越多的结构单元可能会导致更多的电磁损耗，从而降低逆向反射的效率。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种亚波长金属超构光栅及中红外可调控回射器。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种亚波长金属超构光栅及中红外可调控回射器，以通过简单的结构设计实现双通道中红外光的回射功能。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种亚波长金属超构光栅，所述超构光栅包括金属基体，金属基体上设有若干周期性重复分布的第一凹槽及第二凹槽，第一凹槽内填充第一材料形成第一结构单元，第二凹槽内填充第二材料形成有第二结构单元，所述第一结构单元和第二结构单元具有π的反射相位差，且第二材料的折射率n₂大于第一材料的折射率n₁。

作为本发明的进一步改进，所述超构光栅的周期长度为p，第一结构单元和第二结构单元的宽度相等，均为w，第一结构单元和第二结构单元的厚度相等，均为d。

作为本发明的进一步改进，所述第一材料的折射率n₁和第二材料的折射率n₂满足：n₂-n₁＝λ/(4d)。

作为本发明的进一步改进，所述超构光栅的入射角和反射角满足：

k₀sin(θ_i)＝k₀sin(θ_r)+nG，

其中，k₀＝2π/λ是空气中的波矢，λ是工作波长，θ_i是入射角，θ_r是反射角，G＝2π/p是倒格矢，n是衍射级次。

作为本发明的进一步改进，所述超构光栅中衍射级次n＝±1，工作波长λ和周期长度为p满足λ≥p。

作为本发明的进一步改进，所述入射角θ_i＝-arcsin[λ/(2p)]时，反射波耦合到n＝-1级次，满足|θ_i|＝θ_r，发生逆向反射；所述入射角θ_i＝arcsin[λ/(2p)]时，反射波耦合到n＝1级次，满足θ_i＝|θ_r|，发生逆向反射。

作为本发明的进一步改进，所述超构光栅的周期长度p的大小为：1.5μm≤p≤3μm。

作为本发明的进一步改进，所述超构光栅的入射角满足|θ_i|≥30°。

作为本发明的进一步改进，所述超构光栅中金属基体的材料为银，介电常数为ε_Ag＝-373，第一材料的折射率n₁＝1，第二材料的折射率n₂＝1.5，周期长度p＝3μm，第一结构单元和第二结构单元的厚度d＝1.5μm，第一结构单元和第二结构单元的宽度w＝1.35μm，工作波长λ＝3μm，入射角度为θ_i＝±30°时发生逆向反射。

本发明另一实施例提供的技术方案如下：

一种中红外可调控回射器，所述回射器包括上述的亚波长金属超构光栅。

本发明的有益效果是：

反射型金属超构光栅结构简单且易实现，一个大周期内只包含两个结构单元，通过简单的结构设计即可实现双通道中红外光的回射功能；

金属超构光栅在保持高性能的同时还减少了结构引起的损耗，具有极高的回射效率(＞98％)，不同的回射角度仅仅通过改变周期长度就能进行调制，具有高效率、可调控、双通道回射等特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为本发明超构光栅的剖视结构示意图；

图1b为本发明超构光栅一个周期的剖视结构示意图；

图1c为本发明超构光栅入射和反射的等频图；

图2a为本发明一实施例中回射角为±30°时超构光栅不同级次的反射效率随入射角的变化曲线图；

图2b为本发明一实施例中回射角为±30°时，高斯波入射到超构光栅后双通道回射的总磁场图；

图3a为本发明一实施例中回射角为±60°时超构光栅不同级次的反射效率随入射角的变化曲线图；

图3b为本发明一实施例中回射角为±60°时，高斯波入射到超构光栅后双通道回射的总磁场图；

图4为本发明一实施例中逆向反射的效率和工作角度随周期长度p的变化曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明为设计平面光学逆向反射器件提供了一种新的简洁的方法，在保持高性能的同时还减少了结构引起的损耗。基于最近发现的超构光栅中的异常衍射规律，本发明公开了一个结构简单且易于制备的中红外平面超构光栅器件，为了减少系统的复杂性和单元个数导致的损耗，一个周期只包含2个单元。理论研究表明：该超构光栅可以实现几乎100％转化效率的逆向反射，且在大角度时仍有接近完美的反射效率。此外，其逆向反射的工作角度可以通过几何结构调节，理论上可以覆盖从0°到90°。

具体地，参图1a所示，本发明中的亚波长金属超构光栅100，超构光栅包括金属基体10，金属基体上设有若干周期性重复分布的第一凹槽及第二凹槽，第一凹槽内填充第一材料形成第一结构单元21，第二凹槽内填充第二材料形成有第二结构单元22，第一结构单元21和第二结构单元22具有π的反射相位差，且第二材料的折射率n₂大于第一材料的折射率n₁。

结合图1b所示，超构光栅一个周期结构中，周期长度为p，第一结构单元和第二结构单元的宽度相等，均为w，第一结构单元和第二结构单元的厚度相等，均为d。第一结构单元21和第二结构单元内填充不同的阻抗匹配材料，第一材料和第二材料的折射率分别为n₁和n₂，第一材料的折射率n₁和第二材料的折射率n₂满足：n₂-n₁＝λ/(4d)。

参图1c所示为超构光栅的入射和反射对应的等频图，由于切向动量守恒，超构光栅的入射角和反射角满足：

k₀sin(θ_i)＝k₀sin(θ_r)+nG，

其中，k₀＝2π/λ是空气中的波矢，λ是电磁波的工作波长，θ_i是入射角，θ_r是反射角，G＝2π/p是倒格矢，n是衍射级次。

在该超构光栅中，为简单起见只考虑衍射级次n＝±1和n＝0的情况，即λ≥p。

当入射角θ_i＝-arcsin[λ/(2p)]时，反射波耦合到n＝-1级次，满足|θ_i|＝θ_r，发生逆向反射，并且由于不能耦合到其它反射级次，理论上此时的逆向反射具有完美的反射效率；

当入射角θ_i＝arcsin[λ/(2p)]时，反射波耦合到n＝1级次，满足θ_i＝|θ_r|，发生逆向反射，并且由于不能耦合到其它反射级次，理论上此时的逆向反射具有完美的反射效率。

因此该超构光栅可以同时实现两个通道的高效率逆向反射功能，并且当λ≥p时，只需调节周期p的大小，就可以得到任意想要的回射角度(|θ_i|≥30°)，具有可调控的特性。

当电磁波正入射时发生的镜面反射，由于当电磁波以回射角度入射时，均不会耦合到镜面反射n＝0的级次，因此本发明不考虑超构光栅的镜面反射。

由上述分析可知，通过设计两个单元为周期的超构光栅，理论上可以实现高效率、可调控、双通道的回射器件。

在本发明的一具体实施例中，为了证明上述超构光栅的回射特性，本实施例使用COMSOL MULTIPHYSICS软件进行相关的数值仿真模拟。

本实施例中入射的电磁波波长为λ＝3μm，第一结构单元和第二结构单元的厚度d＝1.5μm，第一结构单元和第二结构单元的宽度w＝1.35μm。第一结构单元中第一凹槽内填充的第一材料为空气，折射率n₁＝1，第二结构单元中第二凹槽内填充的第二材料为SiO₂，折射率n₂＝n₁+λ/(4d)＝1.5，即可满足两个单元的反射相位差π，金属基体的材料为银，介电常数为ε_Ag＝-373。

应当理解的是，在其他实施例中，金属基体也可以除了银之外的金属材料，如金属铜、铝等；第一材料和第二材料不限于本实施例中的空气和SiO₂，凡是两者折射率满足n₂＝n₁+λ/(4d)＝1.5的材料均属于本发明所保护的范围。

当回射角为|θ_i|＝30°时，相应的超构光栅周期为p＝3μm。该超构光栅不同级次的反射效率由图2a所示。曲线1表示n＝-1级次，曲线2表示n＝1级次，在这两个级次上的细长的区域1和区域2即表示该超构光栅实现双通道回射功能的入射角度，对应的回射效率可以达到接近100％，曲线3表示镜面反射对应的入射角范围和反射效率。

进一步通过模拟高斯波入射到该超构光栅的总磁场图，可以更清楚地展现其回射路径和效率。如图2b所示，下图中箭头表示回射角为-30°的入射波和反射波(n＝-1级次)方向，上图中箭头表示回射角为30°的入射波和反射波(n＝1级次)方向。当入射角度为θ_i＝±30°时，电磁波反射的路径和入射的路径基本重合且无其他级次的反射。该超构光栅的回射角度和效率均符合上述理论分析。

对于大的入射角度，超构光栅仍然能实现较高效率的回射。例如设计|θ_i|＝60°的回射角，则相应的周期长度为p＝1.732μm，图3a中的曲线1和2分别表示n＝-1级次和n＝1级次的反射率和入射角度的关系曲线，曲线3表示镜面反射对应的入射角范围和反射效率。虽然此时镜面反射的入射角范围变大了，但是不影响n＝-1和n＝1级次的回射效率。细长的区域1和2分别表示n＝-1级次和n＝1级次的回射角度，其回射效率可以达到95％。

模拟高斯波入射到超构光栅的总磁场图，如图3b所示。下图和上图中箭头表示回射角为-60°和60°时，入射波和反射波的方向。当入射角度为θ_i＝±60°时，电磁波的反射和入射路径基本吻合且具有较高的回射效率。由此可证明当电磁波以较大的入射角入射时，该超构光栅依然具有高效率逆向反射特性。

对于其他的入射角度，只需通过调节超构光栅周期长度p，即可实现不同角度的高效率回射，如图4所示，随光栅周期长度p的改变过程中，金属槽的占空比和填充介质保持不变。点线1代表不同的回射角度，点线2代表回射效率。为了保证只有三个反射级次(n＝-1，0，1)且能实现双通道回射功能，选取周期长度p的范围为1.5μm≤p≤3μm。在此范围内选取六个不同的周期p分别为1.55μm，1.8μm，2.05μm，2.3μm，2.55μm和2.8μm，对应的回射角分别为75.4°，56.4°，47.0°，40.7°，36.0°和32.4°，回射效率分别为80％，96％，98％，97％，97％和98％。

由此可见，当改变周期长度p时，可以得到任意想要的回射角度(|θ_i|≥30°)且均具有较高的回射效率。毋庸置疑，本发明提出的简化设计的电磁超构光栅实现了高效率、可调控、双通道回射功能。

综上所述，对比周期内包含多个单元的超构光栅，本发明设计的超构光栅不仅具有同样的回射效果，而且由于较少的单元个数，几何结构简单、易制备，更重要的是，由于越多的单元个数会导致越多的电磁损耗，简化结构设计能够减少超构光栅的电磁损耗从而提高效率。

需要强调的是，本发明设计的超构光栅以两个单元为周期且满足两个单元具有π的反射相位差，使反射波具有理想的波前相位分布。在本发明中，为了便于讨论假设金属槽中填充的材料是阻抗匹配；对于阻抗不匹配的情况，通过几何结构参数优化，可以得到本发明类似的逆向反射结果且效率较高。

进一步理论研究揭示，超构光栅的不同级次的反射曲线和高斯波入射的总场图，证明当周期长度小于工作波长(p≤λ)时，超构光栅可以实现高效率的双通道回射功能。通过改变超构光栅的周期长度p可以得到任意想要的回射角度(|θ_i|≥30°)。

选取多个不同的周期p，研究了相应的回射角度和回射效率，证明了该超构光栅的回射角度的可调性和大角度回射的高效性，可以在高效率的传感探测、成像和通讯等领域发挥重要的作用。本发明中的超构光栅概念也可以为简化平面光学器件提供新的思路，使其在光学器件的集成化和小型化方面实现更多应用。

由以上技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：

反射型金属超构光栅结构简单且易实现，一个大周期内只包含两个结构单元，通过简单的结构设计即可实现双通道中红外光的回射功能；

金属超构光栅在保持高性能的同时还减少了结构引起的损耗，具有极高的回射效率(＞98％)，不同的回射角度仅仅通过改变周期长度就能进行调制，具有高效率、可调控、双通道回射等特性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种亚波长金属超构光栅，其特征在于，所述超构光栅包括金属基体，金属基体上设有若干周期性重复分布的第一凹槽及第二凹槽，第一凹槽内填充第一材料形成第一结构单元，第二凹槽内填充第二材料形成有第二结构单元，所述第一结构单元和第二结构单元具有π的反射相位差，且第二材料的折射率n₂大于第一材料的折射率n₁；

超构光栅的周期长度为p，第一结构单元和第二结构单元的宽度相等，均为w，第一结构单元和第二结构单元的厚度相等，均为d；

所述第一材料的折射率n₁和第二材料的折射率n₂满足：n₂-n₁＝λ/(4d)；

所述超构光栅的入射角和反射角满足：

k₀sin(θ_i)＝k₀sin(θ_r)+nG，

其中，k₀＝2π/λ是空气中的波矢，λ是工作波长，θ_i是入射角，θ_r是反射角，G＝2π/p是倒格矢，n是衍射级次；

所述超构光栅中衍射级次n＝±1，工作波长λ和周期长度为p满足λ≥p；

所述入射角θ_i＝-arcsin[λ/(2p)]时，反射波耦合到n＝-1级次，满足|θ_i|＝θ_r，发生逆向反射；所述入射角θ_i＝arcsin[λ/(2p)]时，反射波耦合到n＝1级次，满足θ_i＝|θ_r|，发生逆向反射；

所述超构光栅的周期长度p的大小为：1.5μm≤p≤3μm；

所述超构光栅的入射角满足|θ_i|≥30°。

2.根据权利要求1所述的亚波长金属超构光栅，其特征在于，所述超构光栅中金属基体的材料为银，介电常数为ε_Ag＝-373，第一材料的折射率n₁＝1，第二材料的折射率n₂＝1.5，周期长度p＝3μm，第一结构单元和第二结构单元的厚度d＝1.5μm，第一结构单元和第二结构单元的宽度w＝1.35μm，工作波长λ＝3μm，入射角度为θ_i＝±30°时发生逆向反射。

3.一种中红外可调控回射器，其特征在于，所述回射器包括权利要求1～2中任一项所述的亚波长金属超构光栅。

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