CN111585035B - 一种动态调节的超表面及其制造方法与电磁波调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种动态调节的超表面及其制造方法与电磁波调控方法，超表面包括：基底层；设置在所述基底层上的金属膜层；所述金属膜层上设置有周期性的若干沟槽；所述沟槽中填充有时变材料；其中，所述时变材料为电磁性质通过电场调制随时间变化的材料。本发明中的超表面通过在金属膜层上设置若干沟槽，并在沟槽中填充时变材料，利用电场调制时变材料的电磁性质，进而改变超表面上每个结构单元的相位，周期金属沟槽的腔共振效应大大增强了电磁波与时变材料的相互作用，无需改变超表面上每个结构单元的形状和尺寸，降低了超表面的制造难度，能够实现多功能的超表面。
Description
技术领域
本发明涉及光调控技术领域，具体涉及一种动态调节的超表面及其制造方法与电磁波调控方法。
背景技术
超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料，超表面可实现电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。近年来，超表面由于相较于三维超材料具有损耗低、制造方法简单以及出色的光调控性能，吸引了众多的研究者。通过设计超表面上单元的相位分布或几何相位分布，一块超表面可以实现某个特殊的功能。
但传统的超表面通常功能单一，并且一旦被设计好，功能往往不能被再改变；超表面上的每个结构单元通过形状、尺寸和方位不同来实现不同的相位，大大增加了制造难度。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种动态调节的超表面及其制造方法与电磁波调控方法，旨在解决传统超表面功能单一，并且一旦被设计好，功能不能再改变，要实现不同相位，通常需要每个结构单元的形状、尺寸和方位不同，增加制造难度等问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种动态调节的超表面，其中，所述超表面包括：基底层；设置在所述基底层上的金属膜层；所述金属膜层上设置有周期性的若干沟槽；若干所述沟槽中填充有时变材料；其中，所述时变材料为在电场调制下，电磁性质随时间变化的材料。
所述的动态调节的超表面，其中，所述时变材料的介电常数满足：ε＝εr+M cos(ωmt+φ)；其中，εr为常数，M为时变材料的调制强度，ωm为调控角频率，φ为时变材料的初相位，t为时间。
所述的动态调节的超表面，其中，若干所述沟槽将所述金属膜层分为多个金属膜单元；每个所述金属膜单元的高度等于所述金属膜层厚度。
所述的动态调节的超表面，其中，每个所述金属膜单元与其相邻的一个沟槽组成一个几何重复单元；多个所述金属膜单元与若干所述沟槽组成若干所述几何重复单元；若干所述几何重复单元的宽度相等。
所述的动态调节的超表面，其中，若干所述沟槽的深度与所述金属膜层厚度相等；若干所述沟槽的宽度相等。
一种所述的动态调节的超表面的制造方法，其中，包括步骤：
提供一基底层；
在所述基底层上镀金属膜层；
对所述金属膜层进行刻蚀，在所述金属膜层上形成周期性的若干沟槽；
在若干所述沟槽中填充时变材料，得到所述超表面；其中，所述时变材料为在电场调制下，电磁性质随时间变化的材料。
一种所述的动态调节的超表面的电磁波调控方法，其中，包括：
通过电场对若干所述沟槽中的时变材料进行周期性分组调制，使若干所述沟槽中的时变材料的初相位满足预设第一规则，得到调制后的第一超表面；其中，所述预设第一规则为：φ(xn+1)＝φ(xn)+2π/N，其中，φ(xn+1)为第n+1个沟槽中的时变材料的初相位，φ(xn)为第n个沟槽中的时变材料的初相位，N为每个周期中的沟槽数量；
利用所述第一超表面对电磁波进行调控，实现所述电磁波按预设角度进行偏转；其中，预设角度θ满足：sinθ＝λ/(Na)；其中，a为相邻沟槽的间距，λ为共振波长，所述共振波长λ为周期金属沟槽的共振波长。
一种所述的动态调节的超表面的电磁波调控方法，其中，包括：
通过电场对若干所述沟槽中的时变材料进行调制，使若干所述沟槽中的时变材料的初相位满足预设第二规则，得到调制后的第二超表面；其中，所述预设第二规则为：φ(xn+1)＝φ(xn)+2πasinθ/λ，其中，φ(xn+1)为第n+1个沟槽中的时变材料的初相位，φ(xn)为第n个沟槽中的时变材料的初相位，a为相邻沟槽的间距，θ为电磁波的偏转角度，λ为共振波长，所述共振波长λ为周期金属沟槽的共振波长；
利用所述第二超表面对电磁波进行调控，实现所述电磁波按照预设角度θ进行连续偏转。
一种所述的动态调节的超表面的电磁波调控方法，其中，包括：
通过电场对若干所述沟槽中的时变材料进行调制，使若干所述沟槽中的时变材料的初相位满足预设第三规则，得到调制后的第三超表面；其中，所述预设第三规则为：
其中，φn为第n个沟槽中的时变材料的初相位，x0和y0分别为电磁波聚焦点的横坐标值和纵坐标值，xn和yn分别为第n个沟槽的上表面中心点的横坐标值和纵坐标值，λ为共振波长，所述共振波长λ为周期金属沟槽的共振波长；
利用所述第三超表面对电磁波进行调控，实现所述电磁波在预设焦点处的聚焦。
本发明的有益效果：本发明的超表面通过在金属膜层上设置若干沟槽，并在沟槽中填充时变材料，利用电场调制时变材料的电磁性质，进而改变超表面上每个结构单元的相位，周期金属沟槽的腔共振效应大大增强了电磁波与时变材料的相互作用，无需改变超表面上每个结构单元的形状和尺寸，降低了超表面的制造难度，能够实现多功能的超表面。
附图说明
图1是本发明实施例一中提供的一种动态调节的超表面的结构示意图；
图2是本发明实施例一中提供的超表面的沟槽中未填充时变材料时，波长为1.5～2.1μm的光从基底层入射到超表面中对应的反射和透射光谱图；
图3是本发明实施例一中提供的超表面的沟槽中填充时变材料时，电磁波经过与沟槽内时变材料相互作用后的透射光谱图，入射波长为周期金属沟槽的共振波长，即图2中的峰值f＝171.807THz对应的波长λ＝1.745μm；
图4是本发明实施例三中提供的电磁波调控方法中偏转角度随周期沟槽数变化的理论值和仿真值对比图；
图5中a～f为实施例三中周期沟槽数分别为3,4,5,6,7,8对应的电场分布图；
图6中a～d为实施例四中相位差分别为0.5,1,1.5,2对应的电场分布图；
图7是本发明实施例四中提供的电磁波调控方法中偏转角度随相位差变化的理论值和仿真值对比图；
图8中a～c分别为实施例五中焦点坐标为(12,18)、(0,11)和(-11,8)对应的电场分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
由于传统的超表面通常功能单一，并且一旦被设计好，功能往往不能被再改变；超表面上面的每个结构单元通过形状、尺寸和方位不同来实现不同的相位，大大增加了制造难度。为了解决上述问题，本发明实施例一中提供了一种动态调节的超表面，如图1所示，所述超表面包括：基底层11；设置在所述基底层11上的金膜层12；所述金膜层12上设置有周期性的若干沟槽13；若干所述沟槽13中填充有时变材料；其中，所述时变材料为在电场调制下，电磁性质随时间变化的材料。具体实施时，由于周期金属沟槽中填充有时变材料，通过电场调制时变材料的电磁性质，来改变超表面上每个结构单元的相位，周期金属沟槽的腔共振效应大大增强了电磁波与时变材料的相互作用，无需改变超表面上每个结构单元的形状和尺寸，降低了超表面的制造难度，能够实现多功能的超表面。
具体实施时，所述基底层11的材料为玻璃。当沟槽13中未填充时变材料时，波长范围为1.5～2.1μm的TE偏振光(偏振方向垂直于沟槽方向)从基底层由下至上入射到所述超表面上时，得到如图2所示的透射谱和反射谱。由图2可以看出，在f＝171.807THz即λ＝1.745μm时有一个透射率为1的峰值，此透射峰为周期沟槽结构所致。
具体实施时，所述时变材料的电磁性质，例如介电常数，折射率、电导率等，可通过电场调制随时间变化。例如：石墨烯的电导率可以通过电压发生变化；石墨烯的费米能级可以随外加电压变化，硅和氧化铟锡(ITO)的折射率可通过电控载流子浓度变化。在一具体实施方式中，所述时变材料的介电常数满足介电函数模型，所述介电函数模型为：ε＝εr+Mcos(ωmt+φ)；其中，εr为常数，M为时变材料的调制强度，ωm为调控角频率，φ为时变材料的初相位，t为时间。在一具体实施例中，εr＝1，M取中等调控强度0.3，ωm＝6.283×1013弧度/秒。
具体实施时，当沟槽13中填满时变材料，如图3所示，为电磁波与沟槽13内时变材料相互作用后的透射光谱图。频率f＝171.807THz(即共振波长λ＝1.745μm)的入射光照射到超表面上后，与时变材料相互作用，透射光除了基频外，还含有高阶光频f0+nfm，其中n为光的阶数，fm＝2πωm＝10THz为时变材料的调控频率。透射光复振幅为ta(f0±nfm)＝exp(±inφ)t(f0±nfm)。其中，基频光遵守折射定理，0度入射，0度出射；而n阶高频光，由于与时变材料相互作用，在超表面出射时，有个附加相位nφ，通常随着阶数n的增加，高阶光的光强迅速衰减。
具体实施时，本实施例中的超表面，沟槽13中未填充时变材料时，周期性金沟槽可以产生超常透射峰，如图2所示在f＝171.807THz时有一个透射率为1的峰值，其对应的波长λ＝1.745μm即为周期金沟槽的共振波长。在沟槽13中填充时变材料后，以共振波长的电磁波入射到超表面上时，激发了金沟槽的共振腔膜，大大增强了沟槽中电磁波与时变材料的相互作用，提高了基频光向高阶光转换的效率，利于产生更好的高阶信号。
具体实施时，继续参照图1若干所述沟槽13将所述金膜层12分为多个金膜单元；每个所述金膜单元的高度相等，均等于所述金膜层12的厚度。每个所述金膜单元与其相邻的一个沟槽组成一个几何重复单元；多个所述金膜单元与若干所述沟槽组成若干所述几何重复单元；若干所述几何重复单元的宽度相等。在一具体实施例中，所述金膜层12厚度hm＝0.75μm，每个所述周期单元的宽度a＝0.64μm。通过控制时变材料的电磁性质可以改变超表面中各结构单元的相位，无需改变超表面上每个结构单元的形状和尺寸，降低了超表面的制造难度。
具体实施时，若干所述沟槽13的深度与所述金膜层12的厚度相等，若干所述沟槽13的宽度相等。此种情况下，当时变材料填满沟槽13时，时变材料的上表面与金膜层12的上表面齐平，时变材料的下表面与金膜层12的下表面齐平，在一具体实施例中，所述沟槽13的宽度w＝0.0325μm。
实施例二
在一具体实施方式中，本发明实施例二中提供了一种上述所述的动态调节的超表面的制造方法，包括步骤：
S1、提供一基底层；
S2、在所述基底层上镀金属膜层；
S3、对所述金属膜层进行刻蚀，在所述金属膜层上形成周期性的若干沟槽；
S4、在若干所述沟槽中填充时变材料，得到所述超表面；其中，所述时变材料为在电场调制下，电磁性质随时间变化的材料。
具体实施时，首先提供一基底层，所述基底层可以为玻璃；然后在所述基底层上镀金属膜层，镀膜方法可以为现有的磁控溅射、化学气相沉积等方法；随后对金属膜层进行刻蚀，在金属膜层上形成周期性的若干沟槽；最后在若干沟槽中填充时变材料，得到所述的超表面。由于超表面中各个结构单元的相位可通过时变材料调节，各个结构单元的形状和尺寸可以设置相同，大大降低了超表面的制造难度。
实施例三
在一具体实施方式中，本发明实施例三中提供了一种利用上述所述的动态调节的超表面进行电磁波调控的方法，所述方法包括：
M1、通过电场对若干所述沟槽中的时变材料进行周期性分组调制，使若干所述沟槽中的时变材料的初相位满足预设第一规则，得到调制后的第一超表面；
M2、利用所述第一超表面对电磁波进行调控，实现所述电磁波的偏转。
在本发明实施例三中，通过电场对若干所述沟槽中的时变材料按周期进行分组调制，异步控制不同沟槽中时变材料的初相位，使若干所述沟槽中的时变材料的初相位满足预设第一规则，得到调制后的第一超表面；其中所述预设第一规则为：φ(xn+1)＝φ(xn)+2π/N，其中，φ(xn+1)为第n+1个沟槽中的时变材料的初相位，φ(xn)为第n个沟槽中的时变材料的初相位，N为每个周期中的沟槽数量。然后利用上述第一超表面对电磁波进行调控，实现所述电磁波按预设角度进行偏转；其中，预设角度θ满足：sinθ＝λ/(Na)；其中，a为相邻沟槽的间距，λ为共振波长，所述共振波长λ为周期金属沟槽的共振波长。
具体实施时，以+1阶模(f+1＝181.807THz)的传播为例，根据仿真和理论计算sinθ＝λ/(Na)，其中a为相邻沟槽的间距，N为每个周期中的沟槽数量，可以得到出射光的偏转角度θ的理论值和仿真值如图4所示。由图4可以看出，随着N值增加，偏转角度θ逐渐降低，且偏转角度θ的理论值和仿真值能够很好地吻合。
具体实施时，如图5所示为N取不同值时得到的电场分布图，其中，虚框表示一个周期，点划线和箭头分别表示法线和波的传播方向，图5中a～f分别表示N＝3,4,5,6,7,8对应的电场分布图。由图5可以看出随着N值增加，出射光的偏转角度θ值逐渐减小，但此种电磁波调控方法不能对出射光的偏转角度连续控制。
实施例四
在一具体实施方式中，本发明实施例四中提供了一种利用上述所述的动态调节的超表面进行电磁波调控的方法，所述方法包括：
R1、通过电场对若干所述沟槽中的时变材料进行调制，使若干所述沟槽中的时变材料的初相位满足预设第二规则，得到调制后的第二超表面；
R2、利用所述第二超表面对电磁波进行调控，实现所述电磁波的连续偏转。
本发明实施例四中提供的调控方法也是通过电场对若干所述沟槽中的时变材料进行调制，与实施例三的区别是不再将沟槽按周期进行分组，并且使若干所述沟槽中的时变材料的初相位满足预设第二规则，得到调制后的第二超表面；其中所述第二规则为：φ(xn+1)＝φ(xn)+2πa sinθ/λ，其中，φ(xn+1)为第n+1个沟槽中的时变材料的初相位，φ(xn)为第n个沟槽中的时变材料的初相位，a为相邻沟槽的间距，θ为电磁波的偏转角度，λ为共振波长，所述共振波长λ为周期金属沟槽的共振波长。然后利用上述第二超表面对电磁波进行调控，实现所述电磁波的连续偏转。
具体实施时，仍然以+1阶模(f+1＝181.807THz)的传播为例，采用宽为21μm的样品，边界条件采用完美匹配层(PML)边界条件，得到不同相位控制下的电场分布图和偏转角度θ随相位差Δφ变化的理论值和仿真值对比图分别如图6和图7所示，图6中a～d是相邻沟槽中的时变材料的相位差Δφ＝φ(xn+1)-φ(xn)依次为0.5,1,1.5,2对应的电场分布图。由图6和7可以看出，随着相位差Δφ增加，偏转角度θ逐渐增加；相比于实施例三，实施例四中电磁波调控方法可以实现出射光的偏转角度连续控制。
实施例五
在一具体实施方式中，本发明实施例五中提供了一种利用上述所述的动态调节的超表面进行电磁波调控的方法，所述方法包括：
P1、通过电场对若干所述沟槽中的时变材料进行调制，使若干所述沟槽中的时变材料的初相位满足预设第三规则，得到调制后的第三超表面；
P2、利用所述第三超表面对电磁波进行调控，实现所述电磁波的聚焦。
具体实施时，需要使用上述所述的超表面进行电磁波的聚焦控制时，通过电场对若干所述沟槽中的时变材料进行调制，使若干所述沟槽中的时变材料的初相位满足预设第三规则，得到调制后的第三超表面；其中，所述预设第三规则为：
其中，φn为第n个沟槽中的时变材料的初相位，x0和y0分别为电磁波聚焦点的横坐标值和纵坐标值，xn和yn分别第n个沟槽的上表面中心点的横坐标值和纵坐标值，λ为共振波长，所述共振波长λ为周期金属沟槽的共振波长。然后利用所述第三超表面对电磁波进行调控，实现所述电磁波的聚焦。图8为利用本发明实施例五中的电磁波调控方法进行电磁波调控得到的电场分布图，其中，a～c分别为焦点坐标为(12,18)、(0,11)和(-11,8)对应的电场分布图。由图8可以看出，电场分布图中的焦点与设计目标焦点能够很好地吻合。
综上所述，本发明提供的一种动态调节的超表面及其制造方法与电磁波调控方法，超表面包括：基底层；设置在所述基底层上的金属膜层；所述金属膜层上设置有周期性的若干沟槽；所述沟槽中填充有时变材料；其中，所述时变材料为电磁性质通过电场调制随时间变化的材料。本发明通过在超表面的沟槽中填充时变材料，利用电场调制时变材料的电磁性质，进而改变超表面上每个结构单元的相位，周期金属沟槽的腔共振效应大大增强了电磁波与时变材料的相互作用，无需改变超表面上每个结构单元的形状和尺寸，降低了超表面的制造难度，能够实现多功能的超表面。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种动态调节的超表面，其特征在于，所述超表面包括：基底层；设置在所述基底层上的金属膜层；所述金属膜层上设置有周期性的若干沟槽；若干所述沟槽中填充有时变材料；其中，所述时变材料为在电场调制下，电磁性质随时间变化的材料；若干所述沟槽将所述金属膜层分为多个金属膜单元，每个所述金属膜单元与其相邻的一个沟槽组成一个几何重复单元，每个所述几何重复单元的相位通过电场调制所述时变材料的电磁性质改变，以实现所述超表面调控电磁波按预设角度进行偏转、调控电磁波按预设角度进行连续偏转以及调控电磁波在预设焦点处聚焦三个功能的切换。
2.根据权利要求1所述的动态调节的超表面，其特征在于，所述时变材料的介电常数满足：ε＝εr+M cos(ωmt+φ)；其中，εr为常数，M为时变材料的调制强度，ωm为调控角频率，φ为时变材料的初相位，t为时间。
3.根据权利要求1所述的动态调节的超表面，其特征在于，每个所述金属膜单元的高度等于所述金属膜层厚度。
4.根据权利要求3所述的动态调节的超表面，其特征在于，多个所述金属膜单元与若干所述沟槽组成若干所述几何重复单元；若干所述几何重复单元的宽度相等。
5.根据权利要求1所述的动态调节的超表面，其特征在于，若干所述沟槽的深度与所述金属膜层厚度相等；若干所述沟槽的宽度相等。
6.一种如权利要求1所述的动态调节的超表面的制造方法，其特征在于，包括步骤：
提供一基底层；
在所述基底层上镀金属膜层；
对所述金属膜层进行刻蚀，在所述金属膜层上形成周期性的若干沟槽；
在若干所述沟槽中填充时变材料，得到所述超表面；其中，所述时变材料为在电场调制下，电磁性质随时间变化的材料。
7.一种利用权利要求1所述的动态调节的超表面的电磁波调控方法，其特征在于，包括：
通过电场对若干所述沟槽中的时变材料进行周期性分组调制，异步控制不同沟槽中时变材料的初相位，使若干所述沟槽中的时变材料的初相位满足预设第一规则，得到调制后的第一超表面；其中，所述预设第一规则为：φ(xn+1)＝φ(xn)+2π/N，其中，φ(xn+1)为第n+1个沟槽中的时变材料的初相位，φ(xn)为第n个沟槽中的时变材料的初相位，N为每个周期中的沟槽数量；
利用所述第一超表面对电磁波进行调控，实现所述电磁波按预设角度进行偏转；其中，预设角度θ满足：sinθ＝λ/(Na)；其中，a为相邻沟槽的间距，λ为共振波长，所述共振波长λ为周期金属沟槽的共振波长。
8.一种利用权利要求1所述的动态调节的超表面的电磁波调控方法，其特征在于，包括：
通过电场对若干所述沟槽中的时变材料进行调制，使若干所述沟槽中的时变材料的初相位满足预设第二规则，得到调制后的第二超表面；其中，所述预设第二规则为：φ(xn+1)＝φ(xn)+2πa sinθ/λ，其中，φ(xn+1)为第n+1个沟槽中的时变材料的初相位，φ(xn)为第n个沟槽中的时变材料的初相位，a为相邻沟槽的间距，θ为电磁波的偏转角度，λ为共振波长，所述共振波长λ为周期金属沟槽的共振波长；
利用所述第二超表面对电磁波进行调控，实现所述电磁波按照预设角度θ进行连续偏转。
9.一种利用权利要求1所述的动态调节的超表面的电磁波调控方法，其特征在于，包括：
通过电场对若干所述沟槽中的时变材料进行调制，使若干所述沟槽中的时变材料的初相位满足预设第三规则，得到调制后的第三超表面；其中，所述预设第三规则为：
其中，φn为第n个沟槽中的时变材料的初相位，x0和y0分别为电磁波聚焦点的横坐标值和纵坐标值，xn和yn分别为第n个沟槽的上表面中心点的横坐标值和纵坐标值，λ为共振波长，所述共振波长λ为周期金属沟槽的共振波长；
利用所述第三超表面对电磁波进行调控，实现所述电磁波在预设焦点处的聚焦。
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