CN113514905A - 一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器 - Google Patents

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CN113514905A CN202110642678.XA CN202110642678A CN113514905A CN 113514905 A CN113514905 A CN 113514905A CN 202110642678 A CN202110642678 A CN 202110642678A CN 113514905 A CN113514905 A CN 113514905A
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伍铁生
刘岩
钟旭
刘锐
刘智慧
杨祖宁
杨丹
张慧仙
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Guilin University of Electronic Technology
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3083—Birefringent or phase retarding elements

Abstract

本发明涉及光学相位调制技术领域，具体涉及一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器；该结构是在SiO2材质的平板上设置了铝构成的五边柱形纳米周期阵列天线，该结构能在600～1000nm波长范围激发Fabry–Perot共振，通过分别调节LSP和Fabry‑Perot参数实现了对LSPR和Fabry–Perot这对耦合共振的调谐，通过改变五边柱的高度和边长实现在在全2π范围的相位控制并对局部表面等离子体激元共振进行调谐用于实现对反射率的控制；该控制器在600～1000nm波长范围内可实现0～2π范围的调相，并完成了在43μm焦距的聚焦效果，本发明结构简单，器件结构紧凑，易于集成到现有系统，加工方便，成本低。

Description

一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器
技术领域
本发明涉及光学相位调制技术领域，尤其涉及一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器。
背景技术
传统折射型光学元件利用材料折射率的差异或面形变化来实现特定的相位分布，从而构建相应的功能器件，但器件尺寸大、不易集成、损耗较高以及应用中难以实现共形化设计的问题突出，随着技术的发展，超表面器件的研究改变了这一现状。基于表面等离子体的超表面器件利用SP局域相位的调制，使得器件结构更紧凑，易于集成到现有系统，并且设计简单，被认为是有望替代传统折射型器件的技术手段。与传统的光学器件相比，超表面器件具有亚波长尺度相位、振幅、偏振任意调控，轻薄、易集成、低损耗、表面可共形设计等诸多优点。
传统光学透镜中心厚，透镜出现球面像差等缺陷，限制了光学系统的成像和聚焦能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器，旨在解决现有技术中传统光学透镜中心厚，透镜出现球面像差等缺陷，限制了光学系统的成像和聚焦能力的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器，所述等离子体超表面标准具结构的相位调制器包括等离子体纳米天线阵列、隔离层和反射层，所述隔离层与所述等离子体纳米天线阵列固定连接，并位于所述等离子体纳米天线阵列的上方，所述反射层与所述隔离层固定连接，并位于所述隔离层的上方。
其中，所述等离子体纳米天线阵列由多个五边形金属柱组成，每个均与所述隔离层固定连接，并在所述隔离层的上方呈周期性分布。
其中，每个所述五边形金属柱的五边形边长w为20～220nm。
其中，所述隔离层的材质为二氧化硅，厚度h2为200nm。
其中，所述反射层的材质为铝，厚度h3为200nm。
本发明的一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器，可以通过所述等离子体纳米天线阵列，进行周期性调节，利用不同占空比排列金属柱对应等效折射率的差异，同样可实现传输相位的调节，从而构建相关的平面光学器件，改善由于传统光学透镜中心厚，透镜出现球面像差等缺陷，限制了光学系统的成像和聚焦能力，由于超表面结构平整，工作在同一厚度上，因此基于超表面体系实现的聚焦透镜不会出现球面像差问题。
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1是本发明提供的金属柱的边长和相位的关系曲线图。
图2是本发明提供的金属柱的反射强度和相位随边长和波长的变化图。
图3是本发明提供的目标相位与金属柱分布位置的关系曲线图。
图4是本发明提供的透镜聚焦后的效果图。
图5是本发明提供的一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器的结构示意图。
1-等离子体纳米天线阵列、2-隔离层、3-反射层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图5，本发明提供一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器，所述等离子体超表面标准具结构的相位调制器包括等离子体纳米天线阵列 1、隔离层2和反射层3，所述隔离层2与所述等离子体纳米天线阵列1固定连接，并位于所述等离子体纳米天线阵列1的上方，所述反射层3与所述隔离层2 固定连接，并位于所述隔离层的上方。
在本实施方式中，本装置为简单的周期性结构，通过控制超表面结构单元的结构参数(阵列周期，金属膜厚度等)，可以有效地控制局域表面等离子激元共振的波段及其附带的位相延迟(0-2π)，利用超表面的这一相位调控特性，设计并模拟了工作波段为1000nm的反射型超表面透镜，设计焦距和模拟焦距高度吻合，焦斑大小接近衍射极限理论值。
基于五边形阵列的反射型表面等离子激元超表面结构，结构由金属-介质- 金属(MIM)的亚波长谐振微腔构成，以铝作为衬底材料，中间隔离层为二氧化硅，顶层为周期性的五边形铝金属柱，通过光在传输过程中产生的光程差来实现相位调控。
进一步的，采用传输相位型调控在0～2π的范围内实现连续相位调控，通过光在传输过程中产生的光程差来实现相位调控，相位差的表达式为：
Figure BDA0003108619270000031
(式中:是相位差；λ是波长；neff是等效折射率；d是厚度)
在本实施方式中，可以通过调节厚度或者折射率来实现相位的调控，因此通过不同边长和厚度的铝纳米盘，结合局域表面等离子激元共振，通过改变周期，可以对入射光进行全相位延迟(0-2π)调制，利用此反射型微结构，在1000 nm波长处设计并模拟了反射型超表面平板微透镜，设计焦距和模拟焦距高度吻合，焦斑大小接近衍射极限理论值，进一步的模拟结果表明，利用超表面灵活的相位调控功能，可以实现平板透镜任意位置的离心完美聚焦。
进一步的，所述等离子体纳米天线阵列1由多个五边形金属柱组成，每个所述五边形金属柱均与所述隔离层2固定连接，并在所述隔离层2的上方呈周期性分布，周期P为1000nm；每个所述五边形金属柱的五边形边长w为 20～220nm，通过边长周期性变化实现连续相位调控；所述隔离层2的材质为二氧化硅，厚度h2为200nm；所述反射层3的材质为铝，厚度h3为200nm；以波长范围为600～1000nm的TM偏振光为入射光源，在所述等离子体纳米天线阵列1与反射层之间以及工作波长范围内激起Fabry-Perot共振。
在本实施方式中，图1(a)演示了单个所述五边形金属柱在高度为350nm时的边长和相位关系曲线，其可以实现几乎2π的相变；图1(b)为单个所述五边形金属柱高度为350nm时的边长和反射强度关系曲线，可以看出此时的反射强度值大于0.7。因此，通过增加金属柱厚度与边长，可以进一步调谐完全的2π实相变。
图2所示可通过调整纳米盘的边长来改变LSPR的位置，从而使整个图形沿着波长轴移动，使用s参数分析组来进行扫描计算，通过扫描纳米棒的高度和边长，得到反射和相位的结果。图2(a)-(b)分别表示了金属柱厚度d＝350nm时，反射强度和相位随边长和波长的变化；可以看出，在这些参数范围内，波长为 600～1000nm时，均达到了设计要求。根据扫描结果，选定了实现所需传输和相位特性的高度与波长。本发明将工作波长设定为1000nm。
图3所示为目标相位与金属柱分布位置的关系曲线，在根据上述步骤中选定的相位与边长数据，计算出所需的纳米棒边长后，依照所给图3的曲线可以确定单元的阵列排布，实现在给定的空间位置产生特定的相位值的目的。要想光线实现聚焦，从超表面传播至焦平面处的光线必须干涉相长，因此在超表面上每一点的相移应满足相位差的表达式的关系；根据上面已确定的单元边长及单元阵列排布，可进一步完成聚焦透镜的构造。
进一步的，在光源和透镜之间放置一个由PEC(完美电导体)组成的圆孔，将注入区域限制在圆形金属区域内，由于入射光被PEC孔径遮挡，它们显示出一个清晰的场截断；数值孔径在透镜设计中对聚焦性能起着决定性作用，数值孔径的计算基于公式：
NA＝sin[tan-1(D/2f)]
(式中：D为直径，f为焦距)
在本实施方式中，根据选定的基元直径D为40μm。、焦距f为43μm 计算出该超透镜的数值孔径约为0.421。之后进行FDTD仿真设置，光源为平面波,三轴边界条件全部为PML，设置z平面监视器记录焦平面处电场信息和能量信息。
沿传播轴z的远场投影表明，金属的焦距约为43um，如图4(a)和图4(b)所示，计算出的焦距与目标值50um有些偏离，这主要归因于透镜尺寸限制，使得只能使用少量的纳米棒来实现透镜半径上2π的相位变化。增加透镜的尺寸可能有助于改善结果，同时也可以通过优化其他参数来实现，例如周期。图4(c) 展示了聚焦的效果即最终得到一个焦斑。根据透镜的衍射极限公式λ/2NA，本发明设计的衍射极限约为1186nm，值得指出的是，其衍射极限接近波长时，对于小于照明波长的物体也能实现高分辨率成像。结果表明，改变纳米棒阵列的边长可以来控制其相位，但在许多情况下，必须考虑设计的其他要求，例如相位剖面和传输效率，因此要完成符合上述要求的设计，可能还需要考虑其他参数，例如高度、周期和折射率的影响。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器，其特征在于，
所述等离子体超表面标准具结构的相位调制器包括等离子体纳米天线阵列、隔离层和反射层，所述隔离层与所述等离子体纳米天线阵列固定连接，并位于所述等离子体纳米天线阵列的上方，所述反射层与所述隔离层固定连接，并位于所述隔离层的上方。
2.如权利要求1所述的一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器，其特征在于，
所述等离子体纳米天线阵列由多个五边形金属柱组成，每个所述五边形金属柱均与所述隔离层固定连接，并在所述隔离层的上方呈周期性分布。
3.如权利要求2所述的一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器，其特征在于，
每个所述五边形金属柱的五边形边长w为20～220nm。
4.如权利要求3所述的一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器，其特征在于，
所述隔离层的材质为二氧化硅，厚度h2为200nm。
5.如权利要求4所述的一种等离子体超表面标准具结构的相位调制器，其特征在于，
所述反射层的材质为铝，厚度h3为200nm。
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