CN110727037B - 一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构，包括由下而上依次设置的基板(1)、高反膜(2)和超表面(3)，所述的高反膜(2)为由高折射率介质膜层H1和低折射率介质膜层L交替设置构成的介质膜堆，高反膜(2)与超表面(3)接触的一侧为低折射率介质膜层L，所述的超表面(3)采用高折射率介质膜层H2，所述的超表面(3)的一个周期由多个不同宽度的单元结构构成。与现有技术相比，本发明省略了传统厚层金属衬底，引入全介质高反膜，提高了超表面的反射率，降低了超表面的损耗，方法新颖，可以针对可见光至近红外范围内的激光波长在设计和实验上分别实现99％和98％的异常反射偏折效率。

Description

一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构
技术领域
本发明涉及电磁波相位调控领域，尤其是涉及一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构。
背景技术
超表面作为二维形式的超材料，在异常偏折、偏振光学、超透镜、涡旋光学、全息成像等方面取得了重要进展。
异常偏折是调控光的基本操作，其效率的高低直接影响超表面器件的性能。同时异常偏折超表面在光谱仪、自动驾驶等领域中拥有巨大应用前景，因此提高其效率十分重要。透射式的异常偏折通过使用全介质的超表面降低反射和吸收，已经实现较高偏折效率。而反射式的异常偏折主要采用的是金属基板的方法来提高反射率，然后通过设计最外层的金属或介质超表面来实现位相梯度达到高效率的异常反射，目前所知的异常反射总效率均低于90％。由于金属在红外和可见光波段的吸收特性，导致这类超表面的效率很难提升，且不利于集成化。同时，由于介质具有高透射的特性，在可见光至红外波段，目前尚无很好的办法可以利用全介质超表面实现超越金属超表面的异常反射偏折效率。
针对以上问题，如何使用全介质超表面在减少吸收的基础上同时实现高的反射率和偏折效率是实现异常反射类超表面实用化急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构，包括由下而上依次设置的基板、高反膜和超表面，所述的高反膜为由高折射率介质膜层H1和低折射率介质膜层L交替设置构成的介质膜堆，高反膜与超表面接触的一侧为低折射率介质膜层L，所述的超表面采用高折射率介质膜层H2，所述的超表面的一个周期由多个不同宽度的单元结构构成。
进一步地，所述的高反膜采用反射率大于99％的高反膜，高反膜的的高折射率介质膜层H1采用的材料为Si或TiO2，所述的低折射率介质膜层L为SiO2膜层。
进一步地，所述的高反膜的薄膜结构为K9|(HL)10|Air。
进一步地，所述的超表面由n个宽度不同的单元结构依次排列而成。
进一步地，超表面的单元结构的材料为Si或TiO2，超表面的单元结构的周期p和个数n依照如下公式选择：
np＝λ/sini
式中，λ为异常反射波长，i为异常反射角度。
进一步地，超表面的单元结构的高度的选择方法为：
对超表面的单元结构的宽度进行扫描，使反射曲线的相位响应覆盖360°，利用n个周期为p的单元结构引入位相梯度实现异常偏折，n≥3，n为正整数。
进一步地，超表面的单元结构的宽度的选择方法为：
将n个单元结构的相位响应依次排列，使相位的响应成线性变化，基于此，将n个单元结构的宽度进行局部微调，使基于高反膜的线性位相梯度超表面达到最高的异常反射效率。
本发明基于高反膜的线性位相梯度超表面结构在可见光至近红外范围内常用的激光波长为480nm、546.1nm、632.8nm、706.5nm、852.1nm、1064nm、1550nm、1970.1nm、2325.4nm时，异常反射偏折效率为99％以上。
进一步地，所述的基板为熔融石英板或K9玻璃板。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明通过使用全介质高反膜结构提供高的反射率，省略了传统厚层金属衬底，既可以避免传统金属超表面的吸收问题，又可以解决传统全介质超表面反射率过低的问题，能够满足高效率的设计要求，同时全介质超表面有利于超表面的集成化和加工；
2、本发明在使用线性位相梯度设计的基础上，通过微调超表面单元结构的宽度，以1550nm波长为例，实现了99％以上的异常反射效率，经实际制备和测试表征，此结构能够实现98％的异常反射效率，达到了迄今为止最高的异常反射效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为超表面的单元结构示意图；
图3为超表面的单元结构在不同宽度对应的相位、振幅响应图；
图4为超表面按线性位相梯度设计的相位分布和微调之后的相位分布；
图5为本发明实施例设计的超表面的异常反射效率和制备出的样品的测试光谱；
图6为本发明实施例制备的超表面样品的SEM图；
图中标号所示：
1为基板，2为高反膜，3为超表面，H1和H2为高折射率介质膜层，L为低折射率介质膜层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明涉及一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构，能够实现高的反射率和偏折效率，该超表面包括由下而上依次设置的基板1、高反膜2和超表面3，高反膜2为由多层介质叠加而成的介质膜堆，且高反膜2与超表面3接触的一侧为低折射率介质膜层L，超表面3为高折射率介质H2。
在本实施例的线性位相梯度超表面结构中，基板1采用K9玻璃；高反膜2采用由高折射率介质膜层H1和低折射率介质膜层L交替设置构成的介质膜堆，其薄膜结构为K9|(HL)10|Air(H为Si，厚度为109nm，L为SiO2，厚度为263nm)；超表面3由6个宽度不同的Si单元结构依次排列而成。
图2为超表面3的单元结构的示意图，超表面3选择单元结构的周期p为400nm，高度为500nm，在这种结构参数下，通过改变单元结构的宽度，可以实现反射相位覆盖360°。如图3所示，超表面3的单元结构在改变单元结构的宽度时，不仅能够实现反射相位覆盖360°，同时能够保证反射率在99％以上，能够满足实现高效率异常反射的设计需求。
通过选择合适的单元结构宽度(从左到右依次为55nm，135nm，175nm，200nm，235nm，290nm)，实现位相的梯度分布，通过对单元结构宽度局部的微调，调整后仍然近似梯度分布(从左到右依次为71nm，161nm，201nm，217nm，236nm，356nm)，微调前后的位相分布如图4所示。利用时域有限差分法或严格耦合波进行电磁仿真确认超表面的电磁响应，如图5所示，本发明在1550nm处能够实现99％以上效率的正入射—40.2°异常反射。
为了测试本发明的异常反射效果，本实施例利用磁控溅射镀制高反膜及超表面膜层，随后利用电子束直写和反应离子束刻蚀制备样品，制备样品SEM图如图6所示。利用显微角分辨光谱系统对样品进行测试，测试结果如图5所示，样品在1550nm附近获得98％以上异常反射效率。
本发明中超表面的结构参数并不仅限定于此，可以用4个单元结构，也可以用8个单元结构，超表面的波长、高折射率材料H1、H2、低折射率材料L、高反膜的膜系、单元结构的周期和高度也都可以改变，高折射率材料和低折射率材料在设计波长处无吸收或吸收可以忽略，反射膜能够提供大于99％的反射率即可，单元结构的周期和高度只要在宽度发生变化时，反射相位能够覆盖360°即可。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构，其特征在于，包括由下而上依次设置的基板(1)、高反膜(2)和超表面(3)，所述的高反膜(2)为由高折射率介质膜层H1和低折射率介质膜层L交替设置构成的介质膜堆，高反膜(2)与超表面(3)接触的一侧为低折射率介质膜层L，所述的超表面(3)采用高折射率介质膜层H2，所述的高反膜(2)采用反射率大于99％的高反膜，高反膜(2)的高折射率介质膜层H1采用的材料为Si或TiO2，所述的低折射率介质膜层L为SiO2膜层，所述的高反膜(2)的薄膜结构为K9|(HL)10|Air，所述的超表面(3)的一个周期由多个不同宽度的单元结构构成，单元结构通过先选择合适的单元结构宽度实现位相的梯度分布，对单元结构宽度进行局部微调后得到，单元结构宽度的设置能够实现反射相位覆盖360°，同时能够使基于高反膜的线性位相梯度超表面结构在正入射—40.2°条件下达到99％以上的异常反射效率。
2.根据权利要求1所述的一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构，其特征在于，超表面(3)由n个宽度不同的单元结构依次排列而成。
3.根据权利要求2所述的一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构，其特征在于，超表面(3)的单元结构的材料为Si或TiO2，超表面(3)的单元结构的周期p和个数n依照如下公式选择：
np＝λ/sini
式中，λ为异常反射波长，i为异常反射角度。
4.根据权利要求3所述的一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构，其特征在于，超表面(3)的单元结构的高度采用满足如下要求的尺寸：
通过对超表面(3)的单元结构的宽度进行扫描，使反射曲线的相位响应覆盖360°，并利用n个周期为p的单元结构引入位相梯度实现异常偏折所得到的对应高度尺寸，其中n≥3，n为正整数。
5.根据权利要求3所述的一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构，其特征在于，超表面(3)的单元结构的宽度采用满足如下要求的尺寸：
通过将n个单元结构的相位响应依次排列，使相位的响应成线性变化，并将n个单元结构的宽度进行局部微调，使基于高反膜的线性位相梯度超表面达到最高的异常反射效率所得到的宽度尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构，其特征在于，该超表面结构在可见光至近红外范围内常用的入射激光波长为480nm、546.1nm、632.8nm、706.5nm、852.1nm、1064nm、1550nm、1970.1nm、2325.4nm时，在正入射—40.2°条件下异常反射偏折效率为99％以上。
7.根据权利要求1所述的一种基于高反膜的线性位相梯度超表面结构，其特征在于，所述的基板(1)为熔融石英板或K9玻璃板。
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CN114967161B (zh) * 2022-04-29 2023-08-04 同济大学 一种多层膜自由几何超表面元件及制备方法
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101887140A (zh) * 2010-05-26 2010-11-17 中国科学院上海光学精密机械研究所 宽带全介质多层膜反射衍射光栅及其设计方法
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