CN112748484A - 一种双功能超表面 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双功能超表面，属于微纳光学领域，包括包括由上而下依次设置的上层超单元二维周期性阵列、中间介质间隔层和下层亚波长金属光栅；上层超单元二维周期性阵列由多个上层超单元分别在垂直于下层亚波长金属光栅的栅条方向周期性排列而成；每个上层超单元由n个均匀排布的结构单元沿垂直于下层亚波长金属光栅的栅条方向周期性排列而成，相邻两个结构单元之间反射相位差为2π/n、透射相位差为零。该超表面可通过入射光偏振的不同或入射方向的不同实现不同功能，且可以对两种功能进行自由独立调控，有效解决了目前已有报道的双功能超表面器件工作模式单一或不同工作模式下功能难以独立调控的问题。

Description

一种双功能超表面

技术领域

本发明属于微纳光学领域，具体涉及一种双功能超表面。

背景技术

超表面是一种由周期性人工微结构形成的超薄二维阵列平面。自2011年哈佛大学F.Capasso等利用V形结构单元在介质表面引入的相位不连续性条件，实现了对折射波和反射波传播方向的控制，并推导出广义斯涅尔定律后，由于超表面能够在亚波长传播距离范围内使电磁波的属性发生突变,灵活有效地操纵电磁波的相位、振幅、偏振及传播模式。在光束偏折、偏振转换、平面透镜、矢量光束生成、全息成像等新颖的电磁波研究领域表现出了极大的研究价值和广泛的应用前景，因此引起了科学界和工程界的极大关注。

随着微纳加工技术的发展，光学元件呈现出小型化、集成化和多功能化的发展趋势，而超表面的出现为此类光学元件的开发提供了新思路和新途径，因此多功能超表面是目前超表面领域的一大研究热点。目前，大多数报道的多功能超表面主要工作在透射或反射单一模式下，常见的实现多功能的方法有以下几种。一是通过两组结构来分别调控不同偏振光的相位分布，比如Sergejs Boroviks等人通过将两组间隙等离激元共振结构按照特定相位排列，实现了反射模式下两种正交线偏振光束的分束和聚焦。二是基于多层非对称结构实现正反入射时的相位分布不同，如Ke Chen等人设计了一种由不同尺寸三层开口环构成的非对称超表面结构单元，正反入射时透射波的相位分布不同，从而呈现出不同的透射全息图像的功能。三是基于相变材料或化学反应实现超表面功能的转换，如PingYu等人设计了一种由两对正交的镁纳米棒和一根金纳米棒作为超单元构成的多功能超表面，通过镁的氧化和氢化可以实现超单元相位的改变，从而调控超表面的光束偏折、聚焦等特性。而同时能工作在透射和反射模式的多功能超表面结构的报道较少，其中比较典型的是JunHyung Lee等人设计了一种亚波长硅光栅结构，通过调控硅光栅的高度可以在透射和反射模式实现分束和聚焦功能。

由此可见，目前已有报道的多功能超表面器件主要存在工作模式单一、需要多组超单元复合或者多层非对称结构或者借助外力(电场、磁场、热或化学反应)才能实现不同功能，而少量能同时工作在透反双模式下的器件，其反射和透射的相位均依赖于同一参数，两种模式下的功能难以实现独立调控。

因此，本申请提出一种透反双模式可独立调控的光束偏折/线偏振滤波双功能超表面。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种双功能超表面。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双功能超表面，包括由上而下依次设置的上层超单元二维周期性阵列、中间介质间隔层和下层亚波长金属光栅；

所述上层超单元二维周期性阵列由多个上层超单元分别在垂直于所述下层亚波长金属光栅的栅条方向周期性排列而成；

每个所述上层超单元由n个均匀排布的结构单元沿垂直于所述下层亚波长金属光栅的栅条方向周期性排列而成，相邻两个所述结构单元之间反射相位差为2π/n、透射相位差为零。

优选地，所述结构单元为上层金属纳米块。

优选地，每个所述上层超单元中的多个上层金属纳米块的高度d₁及垂直于下层亚波长金属光栅的栅条方向的长度l均相同，多个所述上层金属纳米块平行于下层亚波长金属光栅的栅条方向的宽度w按照所需反射相位差的要求根据反射相位与结构参数之间对应关系选择，其中所需反射相位差根据要求的反射光束偏振角度基于广义斯涅耳定律计算得到。

优选地，所述上层金属纳米块和下层亚波长金属光栅的材料为在工作波段具有等离激元特性的金属材料，所述中间介质间隔层的材料为在在工作波段透明的介质材料。

优选地，所述双功能超表面工作波段在1.55μm通讯波段附近，所述上层金属纳米块和下层亚波长金属光栅的材料为铝、金或银中的任一种，所述中间介质间隔层的材料为二氧化硅或氟化镁。

优选地，所述双功能超表面的偏折光束的反射角θ_r为45，所述上层金属纳米块和下层亚波长金属光栅的材料为铝，所述中间介质间隔层的材料为二氧化硅，每个所述上层超单元由五个所述上层金属纳米块构成；

所述上层金属纳米块的周期为p_x＝600nm，p_y＝432nm；

所述上层金属纳米块的高度d₁＝50nm，宽度w＝300nm；

所述中间介质间隔层的厚度d₂＝50nm；

所述下层亚波长金属光栅的高度d₃＝300nm，光栅栅条宽度w_g＝216nm；

五个所述上层金属纳米块的长度l分别为：420nm、330nm、290nm、260nm和60nm。

本发明提供的双功能超表面具有以下有益效果：

本发明提供的的双功能超表面由上而下依次设置的上层超单元二维周期性阵列、中间介质间隔层和下层亚波长金属光栅，上层超单元由n个均匀排布的结构单元沿垂直于所述下层亚波长金属光栅的栅条方向周期性排列而成，达到入射光偏振不同或入射方向不同；可通过入射光偏振的不同或入射方向的不同实现不同功能，且光束偏折与线偏振滤波功能的实现机理不同，所依赖的结构参数也不同，因此可以对两种功能进行自由独立调控，有效解决了目前已有报道的双功能超表面器件工作模式单一或不同工作模式下功能难以独立调控的问题。作为一种线偏振滤波/分束器件，相较同尺寸的单层光栅线偏振滤波器，被选择透过的偏振光的透过率大幅提升；该结构还可作为一种反射光隔离器，使反射光发生偏折而不再沿原光路返回，从而有效减少或避免光通信或集成光路系统中反射光对入射光的影响和由于反射光在各光学元件之间多次反射带来的信噪比降低等影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，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1为本发明的双功能超表面的正视结构示意图；

图2为本发明的双功能超表面的俯视结构示意图；

图3为本发明的双功能超表面的仰视结构示意图；

图4为实施例1的双功能超表面结构示意图；

图5为实施例1中当x方向线偏振光入射时，双功能超表面与同尺寸单层光栅结构的透射率对比图；

图6为实施例1中x方向及y方向线偏振入射时的电场分布；

图7为实施例1中y方向线偏振入射时的远场分布；

图8为实施例1中，y方向线偏振光入射时的反射相位与上层金属纳米块长度l的关系。

附图标记说明：

上层超单元二维周期性阵列1、上层超单元11、结构单元111、中间介质间隔层2、下层亚波长金属光栅3。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明的技术方案和简化描述，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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。

本发明提供了一种双功能超表面，具体如图1至图3所示，包括由上而下依次设置的上层超单元二维周期性阵列1、中间介质间隔层2和下层亚波长金属光栅3；

上层超单元二维周期性阵列1由多个上层超单元11分别在垂直于下层亚波长金属光栅3的栅条方向周期性排列而成，如图2所示，垂直于和平行于下层亚波长金属光栅3的栅条方向分别记为x方向和y方向；

每个上层超单元11由n个均匀排布的结构单元111沿垂直于下层亚波长金属光栅3的栅条方向即x方向周期性排列而成，相邻两个结构单元111之间反射相位差为2π/n、透射相位差为零。

当x方向线偏振光入射时，可高效透过各结构单元111，当y方向线偏振光入射时，被各结构单元111高效反射。

具体的，本实施例中，结构单元111为上层金属纳米块。

具体的，本实施例中，每个上层超单元11中的多个上层金属纳米块的高度d₁及垂直于下层亚波长金属光栅3的栅条方向的长度l均相同，多个上层金属纳米块平行于下层亚波长金属光栅3的栅条方向的宽度w按照所需反射相位差的要求根据反射相位与结构参数之间对应关系选择，其中所需反射相位差根据要求的反射光束偏振角度基于广义斯涅耳定律计算得到。

进一步地，本实施例中，上层金属纳米块和下层亚波长金属光栅3的材料为在工作波段具有等离激元特性的金属材料，中间介质间隔层2的材料为在在工作波段透明的介质材料。

实施例1

基于上述结构，本实施例提供了一种工作波段在1.55μm通讯波段附近的光束偏折/线偏振滤波双功能超表面结构，偏折光束的反射角θ_r为45，计算过程如下所述；

根据广义斯涅耳定律，入射角与反射角之间存在如式(1)所示关系

其中，θ_r和θ_i分别是反射角和入射角，λ₀是入射光波长，n_i是超表面上方介质的折射率，

是所设计超表面的相位梯度。当入射光垂直入射到二维超表面上时，入射角θ_i＝0，超表面上方介质为空气(n_i＝1)可以得到

当入射光波长λ₀取1.55μm，相邻结构单元(Δx＝p_x＝432nm)相位差为2π/5时，可以得到θ_r约为45°，因此本申请中的反射角θ_r为45。

双功能超表面工作波段在1.55μm通讯波段附近时，上层金属纳米块和下层亚波长金属光栅3的材料可以选择铝、金或银中的任一种，中间介质间隔层2的材料为二氧化硅或氟化镁。

具体的，当双功能超表面工作波段在1.55μm通讯波段附近、且双功能超表面的偏折光束的反射角θ_r为45，上层金属纳米块和下层亚波长金属光栅3的材料为铝，中间介质间隔层2的材料为二氧化硅时，每个上层超单元11由五个上层金属纳米块构成，

上层金属纳米块的周期为p_x＝600nm，p_y＝432nm；

上层金属纳米块的高度d₁＝50nm，宽度w＝300nm；

中间介质间隔层2的厚度d₂＝50nm；

下层亚波长金属光栅3的高度d₃＝300nm，光栅栅条宽度w_g＝216nm；

五个上层金属纳米块的长度l分别为：420nm、330nm、290nm、260nm和60nm。

本实施例提供的超表面为光束偏折/线偏振滤波双功能超表面双功能超表面结构，入射光束由超表面上方垂直入射后，反射光为偏振方向与光栅栅条方向平行的线偏振光，且反射光在垂直于光栅栅条方向发生偏折，偏折角度由相邻结构单元之间相位差决定，可根据广义斯涅耳定律计算得到。入射光束与超表面作用后，透射光为偏振方向垂直于光栅栅条方向的线偏振光，传播方向与入射方向相同。入射光束由超表面下方垂直入射后，反射光仍为偏振方向与光栅栅条方向平行的线偏振光，反射角为90度，透射光仍为偏振方向垂直于光栅栅条方向的线偏振光，传播方向与入射方向相同。

本实施例采用全波频域有限元及时域有限积分算法对结构单元及超表面的光学特性(透射率、电场分布及远场分布)进行了仿真，结果如图5至图8所示，入射光为x或y方向线偏振光，垂直结构表面正入射，在x和y方向取周期边界条件，z方向取开放边界条件。

如图4所示为本实施例提供的具有光束偏折/线偏振滤波双功能的超表面，如图6的电场分布所示，当自然光正向垂直入射到该结构时(即从上表面纳米块入射)，对于电场垂直于光栅栅条方向的线偏振(TM线偏振)分量，由于中间介质层厚度足够薄，上层金属纳米块结构表面所激发出的局域表面等离激元和下层金属光栅栅条上表面所激发的表面等离极化激元在介质层中相互耦合，沿金属光栅栅条表面传播到衬底后再次以传播波模式辐射出去，这就使得正向入射的TM偏振可以高效透射。同时由于上层超单元中五个金属纳米块结构在垂直于栅条方向上的尺寸(即纳米块宽度)相同，因此在结构各处的局域相位一致，透射光将沿其传播方向高效透射，在1.55μm处的透过率可以达到0.74，相较同尺寸的单层光栅(透射率约0.41)，透过率可提高80.5％，如图5所示；而对于电场振动方向平行于光栅栅条方向的线偏振(TE线偏振)分量，由图6中电场分布可以看出，受边界条件的限制，在下层亚波长金属光栅表面无法激发出表面等离激元，而由于入射光波长远大于亚波长金属光栅的周期，因此无法透射，亚波长金属光栅可以等效为反射镜。当上层金属纳米块的宽度不变，长度增大时，结构单元的相位可在0-2π范围内变化，如图8所示。此时，选取合适的纳米块长度，使得各结构单元之间的相位梯度为2π/5，根据广义斯涅耳定律，反射光的波前不再垂直于结构表面，而是沿与y轴正方向夹角45°的方向反射(即反射角为45°)，如图7中远场分布所示。而当自然光反向垂直入射(即从下表面亚波长金属光栅入射)时，TE偏振光分量被亚波长金属光栅高效反射，无法与纳米块结构作用，因而反射波前仍垂直于结构表面；而对于TM偏振光，与正向入射时类似，金属光栅栅条上表面所激发的表面等离极化激元与金属纳米块结构表面所激发出的局域表面等离激元在介质层中相互耦合，沿金属纳米块表面再次以传播波模式辐射出去，沿其传播方向高效透射，透射率与正入射时相同。由此可见，该结构反向入射时可作为一种高效线偏振分束器正入射时可作为一种半透半反分束器件，同时还可以作为一种反射光隔离器，使反射光发生偏折而不再沿原入射光路返回，从而有效减少或避免光通信或集成光路系统中反射光对入射光的影响和由于反射光在各光学元件之间多次反射带来的影响。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双功能超表面，其特征在于，包括由上而下依次设置的上层超单元二维周期性阵列(1)、中间介质间隔层(2)和下层亚波长金属光栅(3)；

所述上层超单元二维周期性阵列(1)由多个上层超单元(11)分别在垂直于所述下层亚波长金属光栅(3)的栅条方向周期性排列而成；

每个所述上层超单元(11)由n个均匀排布的结构单元(111)沿垂直于所述下层亚波长金属光栅(3)的栅条方向周期性排列而成，相邻两个所述结构单元(111)之间反射相位差为2π/n、透射相位差为零。

2.根据权利要求1所述的双功能超表面，其特征在于，所述结构单元(111)为上层金属纳米块。

3.根据权利要求2所述的双功能超表面，其特征在于，每个所述上层超单元(11)中的多个上层金属纳米块的高度d₁及垂直于下层亚波长金属光栅(3)的栅条方向的长度l均相同，多个所述上层金属纳米块平行于下层亚波长金属光栅(3)的栅条方向的宽度w按照所需反射相位差的要求根据反射相位与结构参数之间对应关系选择，其中所需反射相位差根据要求的反射光束偏振角度基于广义斯涅耳定律计算得到。

4.根据权利要求3所述的双功能超表面，其特征在于，所述上层金属纳米块和下层亚波长金属光栅(3)的材料为在工作波段具有等离激元特性的金属材料，所述中间介质间隔层(2)的材料为在在工作波段透明的介质材料。

5.根据权利要求4所述的双功能超表面，其特征在于，所述双功能超表面工作波段在1.55μm通讯波段附近，所述上层金属纳米块和下层亚波长金属光栅(3)的材料为铝、金或银中的任一种，所述中间介质间隔层(2)的材料为二氧化硅或氟化镁。

6.根据权利要求5所述的双功能超表面，其特征在于，所述双功能超表面的偏折光束的反射角θ_r为45，所述上层金属纳米块和下层亚波长金属光栅(3)的材料为铝，所述中间介质间隔层(2)的材料为二氧化硅，每个所述上层超单元(11)由五个所述上层金属纳米块构成；

所述上层金属纳米块的周期为p_x＝600nm，p_y＝432nm；

所述上层金属纳米块的高度d₁＝50nm，宽度w＝300nm；

所述中间介质间隔层(2)的厚度d₂＝50nm；

所述下层亚波长金属光栅(3)的高度d₃＝300nm，光栅栅条宽度w_g＝216nm；

五个所述上层金属纳米块的长度l分别为：420nm、330nm、290nm、260nm和60nm。

Images