CN113687453A - 一种可变焦近红外超表面透镜及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变焦近红外超表面透镜及其控制方法，其中超表面透镜包括：衬底；第一谐振单元，设置在衬底上，包括多个第一纳米天线；第二谐振单元，设置在衬底上，包括多个第二纳米天线；其中，所述第一谐振单元和第二谐振单元均采用相变材料制成；当所述相变材料处于晶态下，所述第一纳米天线的透射偏振转化效率达到极大，所述第二纳米天线的透射偏振转化效率接近0；当所述相变材料处于非晶态下，所述第二纳米天线的透射偏振转化效率达到极大，所述第一纳米天线的透射偏振转化效率接近0。本发明采用相变材料制成谐振单元，通过控制相变材料的状态，实现表面透镜的变焦，结构简单，易于实现。本发明可广泛应用于光子器件领域。
Description
技术领域
本发明涉及光子器件领域，尤其涉及一种可变焦近红外超表面透镜及其控制方法。
背景技术
具有自适应特性的紧凑型纳米光子元件是自适应光学和空间光调制器等强大光学技术小型化的重要组成部分。虽然较大的对应物通常依赖于机械驱动，但由于固有的空间限制，在某些情况下在微观尺度上这是不可取的。现有可变焦的超表面透镜，可通过机械调焦方法进行调焦，机械调焦(MEMS)方案虽然比较灵活，但在设计和制造上具有很高的复杂性，不易于实现；另外，还有利用外加电压改变液晶晶相进而改变光传播的等效路径实现动态调焦，但是这种方案缺乏工艺(CMOS)兼容性，特别是在集成光子的应用方面。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种可变焦近红外超表面透镜及其控制方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种可变焦近红外超表面透镜，包括：
衬底；
第一谐振单元，设置在衬底上，包括多个第一纳米天线；
第二谐振单元，设置在衬底上，包括多个第二纳米天线；
其中，所述第一谐振单元和第二谐振单元均采用相变材料制成；
当所述相变材料处于晶态下，所述第一纳米天线的透射偏振转化效率达到极大，所述第二纳米天线的透射偏振转化效率接近0；
当所述相变材料处于非晶态下，所述第二纳米天线的透射偏振转化效率达到极大，所述第一纳米天线的透射偏振转化效率接近0。
进一步地，所述相变材料为Ge2Sb2Te5。
进一步地，所述衬底在投影方向上呈圆形，所述衬底被划分为多个圆环区域，每个所述圆环区域上设置同一种纳米天线，相邻的所述圆环区域上设置不同的纳米天线。
进一步地，所述第一纳米天线和所述第二纳米天线均为U形纳米天线，所述U形纳米天线包括互相平行的第一臂和第二臂，以及与所述第一臂和所述第二臂连接的第三臂；
所述第一纳米天线对应的第三臂的长度大于所述第二纳米天线对应的第三臂的长度。
进一步地，所述第一纳米天线对应的第三臂的长度为430nm，所述第二纳米天线对应的第三臂的长度为230nm。
进一步地，所述衬底采用二氧化硅制成，所述衬底的厚度为300nm。
进一步地，所述相变材料在非晶态时其节点常数为εa＝19.3+0.001，在晶态时其介电常数为εc＝53.5+14.7。
本发明所采用的另一技术方案是：
根据上所述的一种可变焦近红外超表面透镜的控制方法，包括以下步骤：
根据表面透镜的焦距要求，采用预设方式控制相变材料处于晶态或非晶态下，以实现表面透镜的动态变焦。
进一步地，所述预设方式包括电刺激、光刺激或热刺激中的至少一种。
进一步地，相变材料处于晶态下，入射光束透过超表面透镜的焦距为f＝80μm；相变材料处于非晶态下，入射光束透过超表面透镜的焦距f＝40μm。
本发明的有益效果是：本发明采用相变材料制成谐振单元，当相变材料处于晶态时，第一决定相位分布以及表面透镜的焦距；当相变材料处于非晶态时，第二决定相位分布以及表面透镜的焦距；通过控制相变材料的状态，实现表面透镜的变焦，结构简单，易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种可变焦近红外超表面透镜的结构示意图；
图2是本发明实施例中单个周期的天线1的结构示意图；
图3是本发明实施例中单个周期的天线2的结构示意图；
图4是本发明实施例中单个周期的可变焦超表面在波长为1.75μm，电场沿x方向线偏振入射下的电位移矢量图；
图5是本发明实施例中单个周期的可变焦超表面在波长为1.75μm，电场沿y方向线偏振入射下的电位移矢量图；
图6是本发明实施例中单个周期的天线1和天线2在相变材料为非晶态下对应的透射率曲线图(极化转换效率)；
图7是本发明实施例中单个周期的天线1和天线2在相变材料为晶态下对应的透射率曲线图(极化转换效率)；
图8是本发明实施例中全模仿真的天线1和天线2在相变材料为非晶态下对应的场强的全场模拟，根据设计，在非晶态情况下焦点位于40μm；
图9是本发明实施例中全模仿真的天线1和天线2在相变材料为晶态下对应的场强的全场模拟，根据设计，在晶态情况下焦点位于80μm。
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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供一种可变焦近红外超表面透镜，包括：
衬底；
第一谐振单元，设置在衬底上，包括多个第一纳米天线；
第二谐振单元，设置在衬底上，包括多个第二纳米天线；
其中，第一谐振单元和第二谐振单元均采用相变材料制成；
当相变材料处于晶态下，第一纳米天线的透射偏振转化效率达到极大，第二纳米天线的透射偏振转化效率接近0；
当相变材料处于非晶态下，第二纳米天线的透射偏振转化效率达到极大，第一纳米天线的透射偏振转化效率接近0；
其中，相变材料为Ge2Sb2Te5。
图1为本实施例的基于Ge2Sb2Te5相变的可重构近红外超表面的结构示意图，相变材料为非晶态时，由天线1(即第一纳米天线)的阵列排布(相位分布)决定超表面功能，入射光束透过超表面聚焦于40μm处。相变材料为晶态时，由天线2(即第二纳米天线)的阵列排布(相位分布)决定超表面功能，入射光束透过超表面聚焦于80μm处。其中，纳米天线的定义为：纳米指的是其结构尺寸在纳米级，天线是超表面相关领域专家直接借鉴微波天线的概念，简单理解为这种天线可以与光波发生相互作用，激发电偶极子模式。那么把纳米天线合起来理解就是本专利的纳米天线讲的是结构尺寸在纳米级，可以和入射光(电磁波)发生相互作用后，产生特定的场分布。
参见图1，在一些可选是实施例中，衬底在投影方向上呈圆形，衬底被划分为多个圆环区域，每个圆环区域上设置同一种纳米天线，相邻的圆环区域上设置不同的纳米天线。
在本实施例中，衬底呈圆形，沿着径向将圆形划分为多个圆环，圆环之间的间隔相等，同一个圆环中设置相同的天线，相邻的圆环中设置不同的天线，如此使得两种天线等间隔交叉地排列排列在衬底上。需要注意的是，衬底的形状不一定是圆形，正方形或其他多边形(正八边形)也可以，相应地，需要调整天线的设置区域的形状。
在一些可选是实施例中，第一纳米天线和第二纳米天线均为U形纳米天线，U形纳米天线包括互相平行的第一臂和第二臂，以及与第一臂和第二臂连接的第三臂；
第一纳米天线对应的第三臂的长度大于第二纳米天线对应的第三臂的长度。
图2为本实施例的天线1(即第一天线)的结构示意图，图中结构参数依次为W1为320nm，W2为90nm，d为255nm，g为250nm。图3为本本实施例的天线2(即第二天线)的结构示意图，图中θ为该光学天线光轴与x轴的夹角，根据几何相位理论，入射光透过单元结构后，交叉极化光会携带额外的突变相位并且该相位与θ满足2倍关系。所以根据功能(本实施例是聚焦)，通过改变天线1和2的光轴朝向角(θ)满足聚焦相位分布。
如图4-9所示，图4为本实施例的天线1(晶态)在x偏振入射下，观察面在x-y面所看到的电位移矢量分布图。该图不失一般性天线2满足条件时也可激发对称模式。图5为本实施例的天线1(晶态)在y偏振入射下，观察面在x-y面所看到的电位移矢量分布图。图6为本实施例天线1和2在非晶态，入射波长范围1.3-1.8μm下，极化转换透射效率(CPT)曲线。图中可以看到，在此波长范围内，天线2的极化转换透射效率始终大于天线1且天线1在波长1.4-1.8μm处的极化转换透射效率为0。图7为本发明天线1和天线2在晶态，入射波长范围1.3-1.8μm下，极化转换透射效率(CPT)曲线。图中可以看到，在此波长范围内，天线1的极化转换透射效率始终大于2且天线2在波长1.7-1.75μm处极化转换透射效率为0。图8为全模仿真的天线1和天线2在相变材料为非晶态下对应的场强的全场模拟，根据设计，在非晶态情况下焦点位于40μm。图9是本实施例全模仿真的天线1和天线2在相变材料为晶态下对应的场强的全场模拟，根据设计，在晶态情况下焦点位于80μm。综上所述，得到以下总结：由于知道光线经过元器件聚焦特定焦点所需相位分布，本实施例是将满足80μm聚焦的相位分布赋予天线1，将满足40μm聚焦的相位分布赋予天线2。根据图6和图7的关系曲线得知，在晶态和非晶态下天线1和天线2存在一个透射率差(类似我们常见的0，1开关)，也正是于此我们可以达到图1的功能(可变焦)。
进一步可以得知本实施例设计的聚焦距离是40μm和80μm，但是基于上述理论可知，聚焦距离可以灵活调节，这也正是本实施例的创新点所在。
进一步作为可选的实施例，参见图2，第一纳米天线的第一臂3、第二臂4和第三臂2均为长方体，其中第三臂2的长度为430nm，宽度为65nm；第一臂3和第二臂4的长方体长度为255nm，宽度为90nm，三个臂的高度均为260nm。
第二纳米天线的第一臂、第二臂和第三臂均为长方体，其中第三臂的长度为230nm，宽度为65nm；第一臂和第二臂的长方体长度为255nm，宽度为90nm，三个臂的高度均为260nm。
进一步作为可选的实施例，第一谐振单元和第二谐振单元采用相变材料Ge2Sb2Te5制成，衬底采用二氧化硅制成。
进一步作为可选的实施例，参见图2，衬底1的材料的厚度为300nm，当仿真单个天线结构时，衬底的形状为正方形，长度为550nm；当仿真全模结构时衬底为圆形，半径为16777nm。
进一步作为可选的实施例，相变材料在非晶态时其节点常数为εa＝19.3+0.001，在晶态时其介电常数为εc＝53.5+14.7。衬底材料的介电常数为2.1。
综上所述，本实施例为高度集成的有源光学元件提出了一种新颖的设计理念，本实施例采用了共振介质型体超表面和相变材料Ge2Sb2Te5和二为一组合。本实施例演示了双焦点透镜，为大量采用介质型超表面的有源光学元件铺平了道路。有源波前可切换超表面由上层俩个不同大小共振U形Ge2Sb2Te5(相变材料)纳米天线阵列和二氧化硅衬底组成。当电磁波(圆偏振光)从衬底下方入射时，与U形纳米天线发生相互作用，激发U形纳米天线内部产生对称与反对称模式。该双共振模式可以拓展工作带宽，正如本实施例可工作带宽为500nm。两个不同大小U形纳米天线(天线1和天线2)按照各自的功能需求(相位分布不同)等间隔交插排列形成单层亚波长结构，相位分布由单元结构的光学朝向角决定。优化的天线1在非晶态下极化转化效率(透射)接近0，而在晶态下极化转换效率较大，天线2则是非晶态下极化转换效率较大，晶态下极化转换效率接近0。本发明列子是非晶态时，天线2阵列排布(相位分布)决定入射光束透过超表面后聚焦于40μm，而在晶态时，天线1阵列排布决定入射光束透过超表面后聚焦于80μm。正是晶态和非晶态下天线1和天线2的极化转换效率存在一个差值，使得我们可以独立调控天线1和天线2的相位分布，满足各自的聚焦方程，实现灵活动态调焦。
本实施例还提供了一种基于上述的一种可变焦近红外超表面透镜的控制方法，包括以下步骤：
根据表面透镜的焦距要求，采用预设方式控制相变材料处于晶态或非晶态下，以实现表面透镜的动态变焦；
其中，预设方式包括电刺激、光刺激或热刺激中的至少一种；
相变材料处于晶态下，入射光束透过超表面透镜的焦距为f＝80μm；相变材料处于非晶态下，入射光束透过超表面透镜的焦距f＝40μm。
本实施例的控制方法与上述的超表面透镜具有对应的关系，因此具有超表面透镜中相应的技术效果。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种可变焦近红外超表面透镜，其特征在于，包括：
衬底；
第一谐振单元，设置在衬底上，包括多个第一纳米天线；
第二谐振单元，设置在衬底上，包括多个第二纳米天线；
其中，所述第一谐振单元和第二谐振单元均采用相变材料制成；
当所述相变材料处于晶态下，所述第一纳米天线的透射偏振转化效率达到极大，所述第二纳米天线的透射偏振转化效率接近0；
当所述相变材料处于非晶态下，所述第二纳米天线的透射偏振转化效率达到极大，所述第一纳米天线的透射偏振转化效率接近0。
2.根据权利要求1所述的一种可变焦近红外超表面透镜，其特征在于，所述相变材料为Ge2Sb2Te5。
3.根据权利要求1所述的一种可变焦近红外超表面透镜，其特征在于，所述衬底在投影方向上呈圆形，所述衬底被划分为多个圆环区域，每个所述圆环区域上设置同一种纳米天线，相邻的所述圆环区域上设置不同的纳米天线。
4.根据权利要求1所述的一种可变焦近红外超表面透镜，其特征在于，所述第一纳米天线和所述第二纳米天线均为U形纳米天线，所述U形纳米天线包括互相平行的第一臂和第二臂，以及与所述第一臂和所述第二臂连接的第三臂；
所述第一纳米天线对应的第三臂的长度大于所述第二纳米天线对应的第三臂的长度。
5.根据权利要求4所述的一种可变焦近红外超表面透镜，其特征在于，所述第一纳米天线对应的第三臂的长度为430nm，所述第二纳米天线对应的第三臂的长度为230nm。
6.根据权利要求1所述的一种可变焦近红外超表面透镜，其特征在于，所述衬底采用二氧化硅制成，所述衬底的厚度为300nm。
7.根据权利要求1所述的一种可变焦近红外超表面透镜，其特征在于，所述相变材料在非晶态时其节点常数为εa＝19.3+0.001i，在晶态时其介电常数为εc＝53.5+14.7i。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种可变焦近红外超表面透镜的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据表面透镜的焦距要求，采用预设方式控制相变材料处于晶态或非晶态下，以实现表面透镜的动态变焦。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述预设方式包括电刺激、光刺激或热刺激中的至少一种。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，相变材料处于晶态下，入射光束透过超表面透镜的焦距为f＝80μm；相变材料处于非晶态下，入射光束透过超表面透镜的焦距f＝40μm。
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