CN113946009B - 一种超构表面器件及其设计、制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超构表面器件及其设计、制备方法，其中，超构表面器件包括至下而上叠置的金属反射层、介质层和具备n重旋转对称性的金属结构层；金属结构层上设置多个单元结构，单元结构包括n个弧形结构，n个弧形结构顶点相接触，相邻两个弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数，其满足广义几何相位调控方程Φ＝±2nθ(θ为亚波长结构的方向角)，同时具备宽带圆二向色性，对左右旋圆偏振入射光具有不同吸收率。本发明可用于手性光谱仪、手性成像等系统中。

Description

一种超构表面器件及其设计、制备方法

技术领域

本发明属于电磁波相位和振幅调控技术领域，具体涉及一种超构表面器件及其设计、制备方法。

背景技术

传统光学系统通过组合多个不同面形和材质的曲面光学元件实现波前调控。这些复杂的器件组合使整个光学系统笨重、繁杂，难以满足现代光学平面化、集成化和多功能化的发展趋势。近年来，超构表面作为一种可人为设计和排列亚波长结构的功能膜层器件，又称为二维超构材料，可在亚波长尺度灵活调控光波的相位、偏振、振幅和频率，为光学系统的平面化和小型化提供了新的途径。

1956年，Pancharatnam最早发现了几何相位，随后Berry将其推广至绝热量子系统中，因此几何相位又被称为PB相位。经过不断的研究发现，旋转组成超构表面的亚波长各向异性结构可产生几何相位，即结构的方向角θ对光相位的调制满足相位方程Φ＝±2θ，相位Φ在 0～360°内发生变化。最近，提出了更加完善的广义几何相位原理，即当结构具有n(n为奇数)重旋转对称性时，相位方程为Φ＝±2nθ。广义几何相位完善了传统几何相位理论，使得亚波长各向异性结构使用小的方向角就可以实现在0～360°的相位覆盖。圆二向色性是涉及圆偏振光的二色性，即左旋光的和右旋光的差分吸收，已广泛用于手性光谱仪和手性成像系统中。但广义几何相位超构表面因受限于共轭对称性和结构中的耦合，存在带宽窄、效率低及难以实现圆二向色性等问题。

因此，如何同时实现广义几何相位调控和宽带圆二向色性，已经成为一个亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明基于具有多重旋转对称性的结构，提出一种超构表面器件及其设计、制备方法，可同时实现圆二向色性和广义几何相位调控。当左旋/右旋圆偏振光入射时，其在宽带范围内产生了广义几何相位。而与其正交的偏振光入射时，则被高效吸收，表现出圆二向色性。本发明的超构表面可替代手性光谱仪、手性成像系统中的部分光学件，满足光学系统集成化以及器件小型化功能多样化的要求。

为了达到上述目的，本发明一方面所采用的技术方案为：

一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，超构表面器件包括至下而上叠置的金属反射层、介质层和具备n重旋转对称性的金属结构层；

金属结构层包括多个单元结构，单元结构包括n个弧形结构，n个弧形结构顶点相接触，相邻两个弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数。

超构表面由金属反射层、上方的介质层、以及金属结构层组成，通过多层结构增加左旋 /右旋圆偏振光束的偏振转换效率并提高其正交偏振光的吸收率。同时，旋转结构引入广义几何相位实现任意波前调控。

进一步的，金属反射层选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种；介质层选自硅、二氧化硅、锗、氟化镁、氟化钡、二氧化钛中的任一种；金属结构层选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种。

进一步的，介质层由一层介质单层组成或两层以上的介质单层层叠组成。

进一步的，金属反射层(1)的厚度为z>λ₀/20；

介质层厚度为D且λ₀/10<D<2λ₀；

金属结构层厚度为H且λ₀/10<H<λ₀；

单元结构周期为p且λ₀/3<p<λ₀；

其中，λ₀为入射光的中心波长。

进一步的，弧形结构由单条弧线和将其绕端点旋转后的弧线首尾连接组成，旋转角度为α且π/18<α<π/3。

进一步的，弧线为阿基米德螺线、圆弧线、悬链线中的任一种。

为制备上述器件，本发明所采用的技术方案为：

在金属反射层上形成介质层；

在介质层上形成具备n重旋转对称性的金属结构层，n为奇数。

进一步的，金属结构层的形成包括以下步骤：

S1、选取弧线为阿基米德螺旋线、圆弧线、悬链线中的任一种；

S2、将单条弧线绕其端点旋转α后，将单条弧线和其旋转后的弧线首尾连接组成弧形结构；

S3、将n个弧形结构顶点相接触共同构成单元结构，相邻两个弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数；

S4、将单元结构旋转θ角且0≦θ≦360°/2n，多个单元结构排布组成金属结构层。

为设计上述兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，本发明所采用的技术方案为：一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件的设计方法，该方法包括以下步骤：

1)设计单元结构；

2)将单元结构旋转θ角且0≦θ≦360°/2n，多个单元结构排布组成金属结构层；

3)在金属结构层下方依次设置介质层和金属反射层。

进一步的，步骤1)包括以下步骤：

S21、选取弧线为阿基米德螺旋线、圆弧线、悬链线中的任一种；

S22、将单条弧线绕其端点旋转α后，将单条弧线和其旋转后的弧线首尾连接组成弧形结构；

S23、将n个弧形结构顶点相接触共同构成单元结构，相邻两个弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数。

进一步的，金属反射层的厚度为z>λ₀/20；

介质层厚度为D且λ₀/10<D<2λ₀；

金属结构层厚度为H且λ₀/10<H<λ₀，

单元结构周期为p且λ₀/3<p<λ₀；

其中，λ₀为入射光的中心波长；

金属反射层选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种；

介质层选自硅、二氧化硅、锗、氟化镁、氟化钡、二氧化钛中的任一种；

金属结构层选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种。

根据上述技术方案，设计的超构表面器件可实现广义几何相位Φ＝±2nθ(θ为亚波长结构的方向角，结构具备n重旋转对称性，且为奇数)调控，同时可实现宽带圆二向色性。

本发明的有益效果在于：本发明采用新的多重旋转对称性结构，可同时实现广义几何相位调控和宽带圆二向色性。超构表面具备较大的工作带宽，较高的偏振转换效率，且功能多样化等优势，适用于更复杂的应用环境。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例一的反射光振幅仿真结果；

图3为本发明实施例一的反射光相位仿真结果；

图4为本发明实施例一不同偏振光入射的吸收率仿真结果；

图5为本发明实施例二的结构示意图；

图6为本发明实施例二的反射光振幅仿真结果；

图7为本发明实施例二的反射光相位仿真结果；

图8为本发明实施例二不同偏振光入射的吸收率仿真结果。

附图标记说明：

1-金属反射层、2-第一介质层、3-第二介质层、4-第三介质层、5-金属结构层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明及实施例进行详细、完整地描述。所描述的实施例为本发明的一部分实施例，本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。本领域技术人员按照以下的实施例可实现权利要求中的全部内容。

如图1所示为兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件实施例一的基元结构示意图；超构表面器件包括至下而上叠置的金属反射层1、介质层和具备n重旋转对称性的金属结构层5，本实施例中，n的取值为3，实际运用时n为奇数，其值不做限制；金属结构层5为多个单元结构，单元结构包括n个弧形结构，本实施例中，n为3，3个弧形结构的顶点相接触，相邻两个弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n＝2π/3(rad)。

金属反射层1可选金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种；介质层可选硅、二氧化硅、锗、氟化镁、氟化钡、二氧化钛中的任一种；金属结构层5可选金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种。其中，介质层由至少一层的介质单层层叠组成，每层介质单层也可选硅、二氧化硅、锗、氟化镁、氟化钡、二氧化钛中的任一种。金属反射层1的厚度为z>λ₀/20；介质层厚度为D且λ₀/10<D<2λ₀，当介质层由多层介质单层组成时，介质层总厚度也位于该取值范围内。金属结构层5厚度为H且λ₀/10<H<λ₀，单元结构周期为p且λ₀/3<p<λ₀，λ₀为中心波长。

弧形结构由单条弧线和将其绕端点旋转后的弧线首尾连接组成，旋转角度为α且π/18<α<π/3，其中弧线包括阿基米德螺线、圆弧线、悬链线中的任一种。

超构表面器件单元结构的设计方法为：

S21、选取弧线为阿基米德螺旋线、圆弧线、悬链线中的任一种；这里的弧线不限于以上三种，其他弧线形成的弧形结构若能利用广义几何相位原理实现相位调控，均可以作为所选弧线。

S22、将单条弧线绕其端点旋转α后，将单条弧线和其旋转后的弧线首尾连接组成弧形结构；

S23、将n个弧形结构顶点相接触共同构成单元结构，相邻两个弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数。

一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件的设计方法为：

1)设计单元结构；

2)将以上设计的单元结构旋转θ角且0≦θ≦360°/2n，多个单元结构排布组成金属结构层5；

3)在其下方依次设置介质层和金属反射层1即组成了所需的超构表面器件。

所设计的金属反射层1的厚度为z>λ₀/20；介质层厚度为D且λ₀/10<D<2λ₀，金属结构层5厚度为H且λ₀/10<H<λ₀，单元结构周期为p且λ₀/3<p<λ₀，λ₀为中心波长；金属反射层1可选金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种；介质层可选硅、二氧化硅、锗、氟化镁、氟化钡、二氧化钛中的任一种；金属结构层5可选金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种。

一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件的制备方法为：

在金属反射层1上形成介质层；

在介质层上形成具备n重旋转对称性的金属结构层5，其中n为奇数。

金属结构层5的形成包括以下步骤：

S1、选取弧线为阿基米德螺旋线、圆弧线、悬链线中的任一种；

S2、将单条弧线绕其端点旋转α后，将单条弧线和其旋转后的弧线首尾连接组成弧形结构；

S3、将n个弧形结构顶点相接触共同构成单元结构，相邻两个弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数；

S4、将单元结构旋转θ角且0≦θ≦360°/2n，多个单元结构排布组成金属结构层5。

如图1所示，在1200-1400nm的宽带范围内，中心波长λ₀为1300nm时，单元结构周期p＝800nm，一个超构表面器件的基元结构包括厚度为z＝100nm的金属反射层1，厚度为 D＝250nm的介质层，其中介质层由三层介质单层层叠组成，分别厚度为t＝50nm的第一介质层2(本实施例中为MgF₂层)，厚度为t₁＝50nm的第二介质层3(本实施例中为a-Si层)，厚度为t₂＝150nm的第三介质层4(本实施例中为MgF₂层)以及厚度为H＝310nm的金属结构层5。本实施例中金属结构层具备3重旋转对称性。金属结构层5由不同旋向的阿基米德螺线结构组成，其中，图1右图中虚线表示的初始阿基米德螺线表达式为：

x＝c*ξsin(ξ)

y＝c*ξcos(ξ) (1)

其中c＝86.8nm，ξ为角度变量，取值范围为0～1.2π，x和y为阿基米德螺旋线不同位置的横纵坐标值。该螺线旋转α＝π/4后并与其首尾连接构成单个弧形结构。单个弧形结构分别旋转β＝2π/3和4π/3共同组成一个阿基米德螺线结构。因此，该结构具备三重旋转对称性，将整个单元结构旋转θ角时可实现广义几何相位调控，θ为亚波长结构方向角，取值范围为 0～360°/2n，本实施例中当n＝3时，θ取值范围为0～60°，因为0和60°相位相同，图3中未列出60°相位分布。

如图2所示，金属结构层5的单元结构为阿基米德螺线结构时，在左旋圆偏振光(LCP) 入射时，将其转换为右旋圆偏振光(RCP)，且在1200-1400nm的宽带范围内，平均偏振转换效率约为0.50，而RCP入射时，平均偏振转换效率约为0.12。其中，偏振转换效率定义为振幅的平方。该仿真结果表明，该结构对入射的不同偏振光产生了不同的吸收。

仿真得到的LCP入射时的相位分布如图3所示，具有三重旋转对称性(n＝3)的阿基米德螺线结构旋转角θ在0～60°范围内变化时，满足广义几何相位方程Φ＝±2nθ，即Φ＝±6θ，此时，相位Φ可完全覆盖0～360°。结果表明该结构引入了广义几何相位，且方向角θ决定了结构对光相位变化的影响。

如图4所示，阿基米德螺线结构在LCP入射时，在1200-1400nm的宽带范围内，平均吸收率约为0.43，而RCP入射时，平均吸收率约为80％。其中，在波长1300nm附近，对 RCP的吸收率较大，达到93％。该结果表明RCP入射时，该结构将其吸收，而不是直接反射。

实施例二

如图5所示为兼容广义几何相位调控和圆二向色性的超构表面器件实施例二的基元结构示意图；在1200-1300nm的宽带范围内，中心波长λ₀为1250nm时，金属结构层5厚度H＝240 nm，除与实施例一中的螺线结构不同外，其他参数(包括材料及各膜层厚度)均与实施例一相同。其中，右侧虚线表示的初始圆弧达式为：

x＝r*sin(ξ)

y＝r*cos(ξ) (2)

其中r＝200nm，是圆弧半径，ξ为角度变量，取值范围为0～0.7π，x和y为圆弧不同位置的横纵坐标值。该圆弧旋转α＝2π/9后并与其首尾连接构成单个弧形结构。单个弧形结构分别旋转β＝2π/3和4π/3共同组成一个圆弧结构。因此，该结构具备三重旋转对称性，将整个结构旋转θ角时可实现广义几何相位调控。

如图6所示，圆弧结构在左旋圆偏振光(LCP)入射时，将其转换为右旋圆偏振光(RCP)，且在1200-1300nm的宽带范围内，平均偏振转换效率约为0.19，而RCP入射时，平均偏振转换效率约为0.01。该仿真结果表明，该结构对入射的不同偏振光产生了不同的吸收。

仿真得到的LCP入射时的相位分布如图7所示，具有三重旋转对称性(n＝3)的圆弧结构旋转角θ在0～60°范围内变化时，满足广义几何相位方程Φ＝±2nθ，即Φ＝±6θ，此时，相位Φ可完全覆盖0～360°。结果表明该结构引入了广义几何相位，且方向角θ决定了结构对光相位变化的影响。

如图8所示，圆弧结构在LCP入射时，在1200-1300nm的宽带范围内，平均吸收率约为0.82，而RCP入射时，平均吸收率约为0.63。其中，在波长1240nm附近，对RCP的吸收率较大，达到88％。该结果表明RCP入射时，该结构将其吸收，而不是直接反射。

以上设计过程、实施例及仿真结果很好地验证了本发明。

因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，还可设计出满足多重旋转对称性的结构和类似的变形结构，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (11)

1.一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，其特征在于：

所述超构表面器件包括至下而上叠置的金属反射层(1)、介质层和具备n重旋转对称性的金属结构层(5)；

所述金属结构层包括多个单元结构，所述单元结构包括n个弧形结构，n个所述弧形结构顶点相接触，相邻两个所述弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数，n≥3，满足广义几何相位调控方程Φ＝±2nθ，θ为亚波长结构的方向角；

所述超构表面器件的入射光为左旋或右旋圆偏振光。

2.根据权利要求1所述的一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，其特征在于：

所述金属反射层(1)选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种；所述介质层选自硅、二氧化硅、锗、氟化镁、氟化钡、二氧化钛中的任一种；所述金属结构层(5)选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种。

3.根据权利要求1所述的一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，其特征在于：

所述介质层由一层介质单层组成或两层以上的介质单层层叠组成。

4.根据权利要求1所述的一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，其特征在于：

所述金属反射层(1)的厚度为z>λ₀/20；

所述介质层厚度为D且λ₀/10<D<2λ₀；

所述金属结构层(5)厚度为H且λ₀/10<H<λ₀；

所述单元结构周期为p且λ₀/3<p<λ₀；

其中，λ₀为入射光的中心波长。

5.根据权利要求1或2所述的一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，其特征在于：

所述弧形结构由单条弧线和将其绕端点旋转后的弧线首尾连接组成，旋转角度为α且π/18<α<π/3。

6.根据权利要求5所述的一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件，其特征在于：

所述弧线为阿基米德螺线、圆弧线、悬链线中的任一种。

7.一种如权利要求1～6中任一项所述的超构表面器件的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

在金属反射层(1)上形成介质层；

在所述介质层上形成具备n重旋转对称性的金属结构层(5)，n为奇数。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：

所述金属结构层(5)的形成包括以下步骤：

S1、选取弧线为阿基米德螺旋线、圆弧线、悬链线中的任一种；

S2、将单条弧线绕其端点旋转α后，将单条弧线和其旋转后的弧线首尾连接组成弧形结构；

S3、将n个弧形结构顶点相接触共同构成单元结构，相邻两个弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数；

S4、将所述单元结构旋转θ角且0≦θ≦360°/2n，多个单元结构排布组成所述金属结构层(5)。

9.一种兼容广义几何相位调控和宽带圆二向色性的超构表面器件的设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)设计单元结构；所述单元结构包括n个弧形结构，n个所述弧形结构顶点相接触，相邻两个所述弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数，n≥3，满足广义几何相位调控方程Φ＝±2nθ，θ为亚波长结构的方向角；

2)将所述单元结构旋转θ角且0≦θ≦360°/2n，多个单元结构排布组成金属结构层(5)；

3)在所述金属结构层(5)下方依次设置介质层和金属反射层(1)。

10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于：

所述步骤1)包括以下步骤：

S21、选取弧线为阿基米德螺旋线、圆弧线、悬链线中的任一种；

S22、将单条弧线绕其端点旋转α后，将单条弧线和其旋转后的弧线首尾连接组成弧形结构；

S23、将n个弧形结构顶点相接触共同构成单元结构，相邻两个弧形结构间的旋转角度为β＝2π/n(rad)，n为奇数。

11.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于：

所述金属反射层(1)的厚度为z>λ₀/20；

所述介质层厚度为D且λ₀/10<D<2λ₀；

所述金属结构层(5)厚度为H且λ₀/10<H<λ₀；

所述单元结构周期为p且λ₀/3<p<λ₀；

其中，λ₀为入射光的中心波长；

所述金属反射层(1)选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种；

所述介质层选自硅、二氧化硅、锗、氟化镁、氟化钡、二氧化钛中的任一种；

所述金属结构层(5)选自金、银、铝、铬、铜、镍中的任一种。