CN114265130B - 基于全介质超表面的透反射光调控器件及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全介质超表面的透反射光调控器件及其工作方法，包括多层纳米柱阵列；每层所述纳米柱阵列均被包覆层包覆；其中，每层所述纳米柱阵列中的纳米柱具有不同的结构尺寸，以实现在不同入射方向时对透射光波或反射光波的不同相位调控。

Description

基于全介质超表面的透反射光调控器件及其工作方法

技术领域

本发明涉及微纳光学技术领域，特别是涉及一种基于全介质超表面的透反射光调控器件及其工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

超表面(Metasurface)是微纳光学研究领域中的一个重要分支，在过去十年间引起了研究人员们极大的关注。对构成超表面的微纳结构或超构原子(Meta-atom)进行精心设计，可实现亚波长局域光场的任意操控，这使得诸如曲面透镜、棱镜、波片、偏振分束器等传统光学元件的平面化成为可能。此外，超表面所特有的灵活设计方法进一步使其能够实现多种不同光场操控功能的单片集成。例如，通过采用偏振、频率和入射角等属性以及多样化的空间复用策略，大量支持多种光调控功能的单层超表面被开发。然而，目前已报道的多功能超表面多数仅支持对单一空间光场(透射或反射空间)的调控。例如，基于金属-介质-金属薄膜的超表面通常被用来实现反射光场的高效调控，在可见光波段可获得高达80％的反射效率。然而金属薄膜的存在致使该类型的结构无法实现对透射光的调控。目前，基于金属等离子超表面实现可见光波前调控的最高透射效率仅为42.5％。为了进一步提升效率，多数研究采用基于硅、二氧化钛、氮化硅等具有高折射率低吸收系数的材料来构建全介质超表面，透射效率可高达90％以上。

开发一种能够在透射和反射空间中独立操控光的全空间型光学器件对构建高集成度紧凑型光学系统具有重要意义。最近有研究表明可通过多层等离子超表面实现这一目标。例如，复旦大学的周磊教授课题组提出了一种基于四层金属微结构和三层微波介质板的多层等离子超表面，基于金属微结构的层间耦合和等效光栅作用，调节金属微结构的形貌与尺寸可实现对一对正交线偏振光的透射/反射以及对应偏振光场相位0～2π的联合调控，因此该器件可通过偏振态的切换实现对透射和反射电磁波的两种功能集成。(参考文献[1]：T.Cai,G.Wang,S.W.Tang,H.X.Xu,J.W.Duan,H.J.Gao,F.X.Guan,S.L.Sun,Q.He,andL.Zhou,“High-efficiency and full-space manipulation of electromagnetic wavefronts with metasurfaces,”Physical Review Applied 8(3):034033,2017.)基于类似原理，东南大学崔铁军教授课题组提出了基于五层金属微结构和四层介质板的超表面，其利用光入射方向与偏振态的联合切换来实现对透射和反射光的三种功能集成。(参考文献[2]：L.Zhang,R.Y.Wu,G.D.Bai,H.T.Wu,Q.Ma,X.Q.Chen,and T.J.Cui,“Transmission-reflection-integrated multifunctional coding metasurface for full-spacecontrols of electromagnetic waves,”Advanced Functional Materials28(33):1802205,2018.)值得注意的是，上述全空间型多功能超表面均被设计在微波频段工作，因此其多层结构可通过常规印刷电路板工艺制备获得。然而，该多层金属架构不适合用以设计工作在可见光频段的超表面器件。原因之一是金属的固有吸收损耗会导致超表面器件的工作效率急剧下降。此外，组成可见光超表面器件的超构原子通常具有纳米级别的特征尺寸，因而多采用微纳米光刻工艺来制备。由于构成各层超表面的超构原子具有不同的几何形状，该制备流程需要准备多达4至5种掩膜版，致使该方法成本高，制备过程也过于繁琐。

目前全空间型超表面器件的设计方式应用在可见光频段时存在的以下两个主要技术问题：

全空间型超表面的基本超构单元多是由金、银、铝等金属材料制备的微结构，由于金属对可见光具有强烈的吸收损耗，因而其对透射与反射光的调控效率将急剧下降，阻碍了其在构建高性能平面光子器件与系统中的发展。

其次，可实现三种光场调控功能的全空间型超表面器件均采用5层金属微结构的超构原子，为了实现对透射与反射电磁波的独立调控，各层微结构被设计成不同的结构特征与尺寸，具有较高的结构设计复杂度，同时多个掩膜版的制备也致使加工成本较高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于全介质超表面的透反射光调控器件及其工作方法，本发明的全介质超表面含有多层矩形单元晶胞(Unit Cell)，单元晶胞内部均包含一个超构原子，上下多层的纳米柱(超构原子)阵列可被设计成不同结构尺寸用以实现在不同入射方向时对透射光波或反射光波的不同相位调控。

根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种基于全介质超表面的透反射光调控器件，采用如下技术方案：

一种基于全介质超表面的透反射光调控器件，包括：

多层纳米柱阵列；每层所述纳米柱阵列均被包覆层包覆；

其中，每层所述纳米柱阵列中的纳米柱具有不同的结构尺寸，以实现在不同入射方向时对透射光波或反射光波的不同相位调控。

进一步地，所述纳米柱的形状设置为能够实现一对正交线偏振光的透射与反射的形状。

进一步地，所述纳米柱为长方体型纳米柱，纳米柱阵列中的所有所述长方体型纳米柱厚度相同，宽度和长度不同。

进一步地，所述每层纳米柱阵列中的每个长方体型纳米柱与包覆层构成矩形单元晶胞结构。

进一步地，各层所述纳米柱阵列上下堆叠在基底上；所述基底为玻璃基底。

进一步地，所述基于全介质超表面的透反射光调控器件包括双层所述纳米柱阵列。

进一步地，所述基于全介质超表面的透反射光调控器件包括三层所述纳米柱阵列。

进一步地，所述纳米柱为非晶硅纳米柱。

进一步地，所述包覆层为SU-8环氧基负性光刻胶。

根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种基于全介质超表面的透反射光调控器件的工作方法，采用如下技术方案：

一种双层基于全介质超表面的透反射光调控器件的工作方法，通过光入射方向以及线偏振态的选择，经过如第一方案所述的基于全介质超表面的透反射光调控器件实现不同功能的光束波前调控。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、相比现有的基于5层超构原子的全空间型超表面，本发明中的全空间型超表面仅采用两层或者三层纳米柱(超构原子)阵列即可实现三种不同光束波前调控功能的单片集成。因此，本发明中所提超表面的结构设计复杂度低，用于光刻加工的掩膜版数量少，制备流程简单，成本低。

2、本发明中的超表面全部由介质材料构成，避免使用金属及其带来的固有吸收损耗。由于采用的介质材料具有极低的吸收系数，因此可以大幅提升该器件对全空间光的调控效率，尤其是透射光的透射效率可以达到70％以上。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一中利用光束入射方向与偏振态实现三种光场调控功能(F1,F2,F3)的双层全介质超表面工作概念图与三维立体结构示意图；

图2是本发明实施例一中双层全介质超表面下层矩形单元晶胞结构示意图；

图3是本发明实施例一中扫描纳米柱长度(L)和宽度(W)仿真得到的入射x偏振光的透射率；

图4是本发明实施例一中扫描纳米柱长度(L)和宽度(W)仿真得到的入射x偏振光的透射相位分布；

图5是本发明实施例一中扫描纳米柱长度(L)和宽度(W)仿真得到的入射y偏振光的反射率；

图6是本发明实施例一中扫描纳米柱长度(L)和宽度(W)仿真得到的入射y偏振光的反射相位分布；

图7是本发明实施例一中筛选得到的可同时满足x偏振高透射率和y偏振高反射率，同时对相应偏振实现-π至π相位调控的纳米柱宽度；

图8是本发明实施例一中筛选得到的可同时满足x偏振高透射率和y偏振高反射率，同时对相应偏振实现-π至π相位调控的纳米柱长度；

图9是本发明实施例一中基于双层全介质超表面对顶部正入射光束实现光束异常偏折的概念图；

图10是本发明实施例一中双层全介质超表面层间距离对入射x偏振和y偏振透射与反射率的仿真结果；

图11是图9所述双层全介质超表面，对从顶部正入射x偏振发生光束透射偏折(F₁)和y偏振发生光束反射偏折(F₂)所对应在xz面内的电磁场相位分布仿真结果；

图12是图9所述双层全介质超表面，透射x偏振光和反射y偏振光在各个衍射级次的效率；

图13是图9所述双层全介质超表面，对从底部正入射x偏振发生光束透射偏折(F₁)和y偏振发生光束反射偏折(F₃)所对应在xz面内的电磁场相位分布仿真结果；

图14是图9所述双层全介质超表面，透射x偏振光和反射y偏振光在各个衍射级次的效率；

图中：1-基底；2-第一纳米柱阵列；3-第一包覆层；4-第二纳米柱阵列；5-第二包覆层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种基于全介质超表面的透反射光调控器件，双层或者三层全介质超表面对从顶部和底部入射的y偏振光反射并可以分别实现两种不同的反射波前调控功能(如正入射光束向右反射F₂和向左反射F₃)，此外，双层或者三层全介质超表面对顶部和底部入射的x偏振光均会透射，实现相同的透射波前调控功能(如正入射光束向右透射F₁)。

其中，双层或者三层全介质超表面可通过光入射方向以及线偏振态的选择进行三种不同功能的光束波前调控，图1左半部分所示是以垂直正入射的光实现三种不同折射/反射角的光束异常偏折功能为例，除此之外，双层或者三层全介质超表面还可以实现不同功能波前调控的复用，如完成正入射光束的异常偏折(异常折射，异常反射)、生成带有不同轨道角动量的涡旋光束、矢量光束和多种全息成像等不同波前调控功能的组合，也可用以实现平面透镜、平面抛物面镜等，在光路压缩和紧凑型光学系统的构建中具有广泛的应用场景。

一种基于全介质超表面的透反射光调控器件，包括：

多层纳米柱阵列；每层所述纳米柱阵列均被包覆层包覆；

其中，每层所述纳米柱阵列中的纳米柱具有不同的结构尺寸，以实现偏振光不同入射方向时对透射或反射光波的不同相位调控。

具体地，所述纳米柱的形状设置为能够实现一对正交线偏振光的透射与反射的形状；所述纳米柱为长方体型纳米柱；除了长方体结构形状之外，本实施例中的纳米柱也可被设计成其他可实现一对正交线偏振光的透射与反射的形状，如椭圆形状的结构和十字架形状结构。

针对长方体型纳米柱，纳米柱阵列中的所有所述长方体型纳米柱厚度相同，宽度和长度不同。

具体地实施例中，各层所述纳米柱阵列上下堆叠在基底上；所述基底为玻璃基底。

具体地，所述基于全介质超表面的透反射光调控器件包括双层所述纳米柱阵列或者所述基于全介质超表面的透反射光调控器件包括三层所述纳米柱阵列。

其中，以全空间型三功能集成双层基于全介质超表面的透反射光调控器件为例，具体包括：

第一纳米柱阵列2和第二纳米柱阵列4；

所述第一纳米柱阵列2和所述第二纳米柱阵列4上下堆叠，且所述第一纳米柱阵列2和所述第二纳米柱阵列4均被包覆层包覆；

其中，所述第一纳米柱阵列2中的纳米柱和所述第二纳米柱阵列4中的纳米柱具有不同的结构尺寸，以实现偏振光不同入射方向时对透射或反射光波的不同相位调控。

具体地，包覆层包括第一包覆层3和第二包覆层5，第一包覆层3包覆第一纳米柱阵列2，第二包覆层5包覆第二纳米柱阵列4。

由于双层全介质超表面在沿传播方向的对称性，其对顶部和底部入射的x偏振光均可实现透射且波前调控功能F₁相同。如图1右半边所示的三维立体结构示意图表明双层全介质超表面含有两层矩形单元晶胞(Unit Cell)，各单元晶胞内部均包含一个具有高折射率、低吸收系数材料制备的矩形纳米柱超构原子，各超构原子被具有低折射率系数的材料包裹；上下两层的超构原子可被设计成不同结构尺寸用以实现不同入射方向时对透射或反射光波的不同相位调控。其中，矩形纳米柱超构原子为纳米柱，下文中以纳米柱阵列论述为主。

双层全介质超表面的结构组成由下往上依次为基底1，第一纳米柱阵列2，第一包覆层3，第二纳米柱阵列4，第二包覆层5。

具体地，基底1为玻璃基底，纳米柱为非晶硅纳米柱，包覆层均为SU-8环氧基负性光刻胶。

光入射至微纳结构时，微纳结构的组成材料及结构尺寸不同均会对光产生不同影响(包括透射/反射率、透射/反射相位延迟)。传统全介质超表面均是将不同尺寸的微纳结构排布在相同大小周期分布的正方形单元晶胞里，微纳结构所处的环境折射率是空气，改变微纳结构的长度和宽度可实现对透射或者反射光0～2π相位的调控。

而本实施例提出了一种矩形单元晶胞，同时设置微纳结构的环境折射率为SU-8(具有如1.45～1.6低折射率参数的其他介质材料均可)，通过仿真扫描结构参数发现其可实现对水平和垂直偏振光的透射和反射以及2π相位的调控。

如图2所示，双层全介质超表面中下层中所对应的矩形单元晶胞结构图，晶胞内含有一个坐落在玻璃基底上的矩形硅纳米柱，并被SU-8包覆。由于硅具有高折射率(n＝4.077)和低吸收系数(k＝0.005)，当纳米柱厚度较大时，其可被视为两端截断的波导(truncated waveguide)和具有低品质因数值(quality factor)的法布里珀罗纳米谐振器(Fabry-Perot nanoresonator)，支持多种波导模式沿z轴方向传播，且模式的有效折射率与纳米柱尺寸相关，并在与玻璃及SU-8的交界面处反射，由于本实施例的超表面晶胞是矩形而非方形，因此模式间可具有相长干涉(constructiveinterference)与相消干涉(destructiveinterference)的可能，相长干涉导致光的透射，相消干涉导致光的反射。

因此，通过设计硅纳米柱形状为长方体型，其横截面为矩形，可允许某一偏振(如x偏振)透射而其正交偏振(如y偏振)反射。此外，硅纳米柱的透射率、反射率以及输出光的散射相位也会受到晶格周期(Lattice period)和矩形硅纳米柱长宽尺寸的影响。本发明设计的超表面器件工作波长为690nm，矩形单元晶格的周期为P_x＝300nm，P_y＝360nm，矩形硅纳米柱厚度H＝320nm，也就是说所有纳米柱的厚度相同，均为H＝320nm。为了实现x偏振透射，y偏振反射，以及各偏振光任意形式的波前调控，应筛选多个长宽度尺寸不同的矩形硅纳米柱，选取规则是纳米柱对两种正交偏振光的相位调控互不影响且均可实现-π至π的调控范围。

为了实现对x偏振高效透射，y偏振高效反射，同时满足各偏振光包含2π的相位调控范围，我们利用FDTD仿真研究了硅纳米柱长宽度变化对输出光的效率和相位影响。对矩形单元晶胞沿x和y方向的边界条件设置为周期，沿z方向的边界条件设置为完美吸收层(PML)，在基底里放置平面光源使光沿z方向传播，在光源下方放置平面监视器和点监视器记录反射率和反射相位，在硅纳米柱上方放置平面监视器和点监视器分别记录透射率和透射相位。如图3所示，是对光源偏振沿x方向时，扫描硅纳米柱长度从70nm至260nm，宽度从70nm至320nm记录的透射x偏振光的透射率(T_Ex)以及相位

变化。图4则是当光源偏振沿y方向时，扫描硅纳米柱长度从70nm至260nm，宽度从70nm至320nm下反射y偏振光的反射率(R_Ey)以及相位

变化。

通过图3、图4、图5以及图6所示可知，在所研究的纳米柱长宽度范围内，有大面积的长宽度值满足x偏振光的高透射率和2π相位调节范围；同样有大面积的长宽度值满足y偏振光的高反射率和2π的相位调节范围。因此具备独立调控透射(x偏振)和反射(y偏振)光波前的潜能。

进一步地，我们将2π相位调控范围以0.25π为间隔等分成8份，也就是要寻找8个硅纳米柱单元分别对输出光具有相对相位延迟-π，-0.75π，-0.5π，-0.25π，0，0.25π，0.5π，0.75π。为实现对透射x偏振和反射y偏振独立的2π相位调控，我们制定如下规则：

纳米柱1组：寻找8个硅纳米柱对x偏振实现-π相对相位延迟，对y偏振实现-π，-0.75π，-0.5π，-0.25π，0，0.25π，0.5π，0.75π相对相位延迟；

纳米柱2组：寻找8个硅纳米柱对x偏振实现-0.75π相对相位延迟，对y偏振实现-π，-0.75π，-0.5π，-0.25π，0，0.25π，0.5π，0.75π相对相位延迟；

纳米柱3组：寻找8个硅纳米柱对x偏振实现-0.5π相对相位延迟，对y偏振实现-π，-0.75π，-0.5π，-0.25π，0，0.25π，0.5π，0.75π相对相位延迟；

纳米柱4组：寻找8个硅纳米柱对x偏振实现-0.25π相对相位延迟，对y偏振实现-π，-0.75π，-0.5π，-0.25π，0，0.25π，0.5π，0.75π相对相位延迟；

纳米柱5组：寻找8个硅纳米柱对x偏振实现0相对相位延迟，对y偏振实现-π，-0.75π，-0.5π，-0.25π，0，0.25π，0.5π，0.75π相对相位延迟；

纳米柱6组：寻找8个硅纳米柱对x偏振实现0.25π相对相位延迟，对y偏振实现-π，-0.75π，-0.5π，-0.25π，0，0.25π，0.5π，0.75π相对相位延迟；

纳米柱7组：寻找8个硅纳米柱对x偏振实现0.5π相对相位延迟，对y偏振实现-π，-0.75π，-0.5π，-0.25π，0，0.25π，0.5π，0.75π相对相位延迟；

纳米柱8组：寻找8个硅纳米柱对x偏振实现0.75π相对相位延迟，对y偏振实现-π，-0.75π，-0.5π，-0.25π，0，0.25π，0.5π，0.75π相对相位延迟；

因此，我们寻找64个硅纳米柱结构就可以实现对x偏振和y偏振光波前的任意独立调控。为实现上述目标，我们利用复振幅误差公式

来对x偏振和y偏振具有不同相位延迟组合(从-π至π)的硅纳米柱长宽度值进行排序，其中，

和

分别代表对x偏振和y偏振所需要的理想相位延迟，对每组

使∈值取得最小时的T_Ex，

R_Ey，

所对应硅纳米柱即为该相位组合的最优结构。经优化筛选后对x偏振和y偏振实现独立-π至π相位调控的硅纳米柱宽度(W)和硅纳米柱长度(L)展示在图7和图8所示。

根据需求可从中筛选64种纳米柱结构：

纳米柱1组：W＝178nm,L＝250nm；W＝180nm,L＝254nm；W＝182nm,L＝260nm；W＝192nm,L＝274nm；W＝192nm,L＝316nm；W＝244nm,L＝146nm；W＝228nm,L＝168nm；W＝70nm,L＝134nm；

纳米柱2组：W＝78nm,L＝132nm；W＝76nm,L＝144nm；W＝72nm,L＝162nm；W＝70nm,L＝188nm；W＝228nm,L＝318nm；W＝70nm,L＝278nm；W＝80nm,L＝120nm；W＝84nm,L＝120nm；

纳米柱3组：W＝98nm,L＝118nm；W＝98nm,L＝126nm；W＝96nm,L＝136nm；W＝92nm,L＝156nm；W＝88nm,L＝182nm；W＝84nm,L＝220nm；W＝76nm,L＝314nm；W＝78nm,L＝320nm；

纳米柱4组：W＝112nm,L＝114nm；W＝108nm,L＝120nm；W＝106nm,L＝130nm；W＝100nm,L＝148nm；W＝98nm,L＝172nm；W＝96nm,L＝196nm；W＝90nm,L＝284nm；W＝90nm,L＝296nm；

纳米柱5组：W＝94nm,L＝302nm；W＝114nm,L＝118nm；W＝112nm,L＝128nm；W＝110nm,L＝142nm；W＝104nm,L＝166nm；W＝100nm,L＝194nm；W＝96nm,L＝276nm；W＝96nm,L＝292nm；

纳米柱6组：W＝98nm,L＝296nm；W＝230nm,L＝96nm；W＝118nm,L＝124nm；W＝114nm,L＝142nm；W＝110nm,L＝160nm；W＝106nm,L＝184nm；W＝100nm,L＝262nm；W＝98nm,L＝290nm；

纳米柱7组：W＝258nm,L＝90nm；W＝254nm,L＝94nm；W＝250nm,L＝98nm；W＝238nm,L＝106nm；W＝224nm,L＝120nm；W＝112nm,L＝178nm；W＝106nm,L＝214nm；W＝102nm,L＝286nm；

纳米柱8组：W＝118nm,L＝274nm；W＝150nm,L＝258nm；W＝148nm,L＝264nm；W＝162nm,L＝320nm；W＝256nm,L＝114nm；W＝238nm,L＝124nm；W＝112nm,L＝204nm；W＝142nm,L＝102nm；

利用上述8组硅纳米柱可实现对透射x偏振光和反射y偏振光的任意波前调控。

进一步地，基于上述8组硅纳米柱构建双层全介质超表面，从超表面顶部和底部入射的y偏振光均可被反射，同时各反射光的波前可被独立调控。而入射x偏振光的透射相位延迟是上层与下层硅纳米柱两个相位延迟相加之和。相位延迟是实现波前调控功能的基础也是必需。

x偏振光会被透射，由于x偏振光会经过两层纳米柱，所以两层纳米柱对光的相位延迟均需要考虑；对于y偏振光，其入射至一层纳米柱就会被反射，所以只需要考虑单层纳米柱的相位延迟。

需要说明的是，64种硅纳米柱结构并非是两层纳米柱阵列中所有纳米柱的数量，纳米柱的种类也并非绝对是64。

对于本实施例所提到的波前调控，需要双层或三层超表面对入射光提供空间变化的相位分布，具体可通过在超表面各个位置处放置不同尺寸的纳米柱(提供不同相位延迟)来实现。因此，纳米柱所提供的相位延迟是实现本实施例所提到的波前调控的基础。而为了满足任意的波前调控，要求纳米柱必须能够提供0～2π整个2π范围的相位延迟(0和2π是相等的，因此只要满足2π范围内的调控即可)。由于0～2π是一个连续的范围，通常我们无需实现其整个连续范围，仅需要把它离散化为几个值，通常将0～2π均等的离散化成8个值或者6个值再或者4个值，相位离散化的数目越少，波前调控的性能越差。

本实施例采用的是8个离散相位值，又由于本申请对透射的水平偏振和反射的垂直偏振是独立调控的，即对水平x偏振的透射相位调控时，对垂直y偏振的反射相位调控可以取任意值(如对x偏振相位调控是0时，对y偏振相位调控可取到8个离散相位的任意一个值；对x偏振相位调控是0.25π时，对y偏振相位调控依旧可以取到8个离散相位的任意一个值)，因此共需要8×8＝64个结构方可满足上述要求。若选用6个或者4个离散相位值，仅需要筛选36和16种纳米柱结构，但由此带来的弊端是波前调控的效率会变差。

如前所述，64并非是两层纳米柱阵列的纳米柱数量，纳米柱的数量与波前调控功能有关。如本实施例提出的光束偏折功能，该功能的实现仅需要组建超表面的纳米柱所对应的相位延迟是0～2π的线性变化。如前所述的纳米柱分组中，从左至右，纳米柱提供的相位延迟变化是由-π至0.75π线性变化的，由于每层超表面仅需8个纳米柱因此双层超表面共计16个纳米柱。

仍需注意的是，此处的每层8个纳米柱是构成了每层超表面的一个超晶胞，因此需将8个纳米柱看作一个整体，然后沿着x和y方向周期阵列出去，在不设置器件大小的情况下，每层超表面的纳米柱数量可以是无限的。在一些特殊的波前调控应用中，该数量通常是有限的。如实现光聚焦的超表面透镜，一旦透镜的尺寸被确定，则纳米柱的数量也会被确定。比如方形的透镜，单晶胞的周期为300×360nm，若透镜大小是30×36um，则每层纳米柱数量是100×100＝10000个；因此，超表面内纳米柱的数量会随波前调控功能的改变而改变。

我们利用光束偏折的例子来说明本发明所述双层全介质超表面能对透射与反射光实现三种不同功能的高效调控。我们将8个矩形硅纳米柱沿x方向排列构成一个超晶胞(Supercell)，超晶胞沿x和y方向周期排列。相邻两个硅纳米柱的中心间距为P_x＝300nm，因此超晶胞沿x方向周期为2400nm，沿y方向周期为P_y＝360nm。为了实现正入射光束的偏折，8个硅纳米柱需要在沿x空间方向上提供一个线性变化的相位延迟。

需要注意的是，上述示例中8个硅纳米柱构建的超晶胞具有沿x空间方向的线性变化的相位延迟，因此实现的是正入射光沿x空间方向的偏折；若实现的是正入射光沿y方向的偏折，则应该将8个硅纳米柱沿y方向构建超晶胞，故此时超晶胞沿x方向的周期为300nm，沿y方向周期为2880nm。

根据前述获得的8组硅纳米柱单元构建超晶胞，选择纳米柱N组中的第N个硅纳米柱沿x轴正方向顺序排列(N＝1,2,…,7,8)，它们对入射x偏振光和y偏振光提供的相位延迟

为(-π,-π),(-0.75π,-0.75π),(-0.5π,-0.5π),(-0.25π,-0.25π),(0,0),(0.25π,0.25π),(0.5π,0.5π),(0.75π,0.75π)，这8个硅纳米柱作为双层全介质超表面的上层超表面使用；选择纳米柱组2中的8个硅纳米柱沿x轴正方向逆序排列，它们对入射x偏振光和y偏振光提供的相位延迟

为(-0.75π,0.75π)，(-0.75π,0.5π)，(-0.75π,0.25π),(-0.75π,0),(-0.75π,-0.25π),(-0.75π,-0.5π),(-0.75π,-0.75π),(-0.75π,-π)，这8个硅纳米柱选为双层全介质超表面的下层超表面。

由于筛选的单个矩形硅纳米柱独立工作即可实现x偏振透射，y偏振反射，上下两层超表面的间距理论上不会严重影响超表面的性能。基于如图9所示的是入射光被透射和反射的概念图，我们进一步通过FDTD仿真研究了层间间距从100nm到1000nm时入射x偏振与y偏振光的透射率与反射率，如图10所示，结果表明高透射率的是x偏振光，高反射率的是y偏振光，与理论相符。

此外，上层与下层超表面对x和y偏振光提供了不同的空间相位延迟分布，因此可实现对正入射光的不同偏折。根据广义斯涅尔定律(Generalized Snell’sLaw ofRefraction and Reflection)可知，上层超表面对正入射的x和y偏振光提供相同的空间相位分布(-π至0.75π)，由于玻璃基底与SU-8的折射率存在细微区别，发生透射偏折与反射偏折的偏折角分别为11.39°与10.62°；下层超表面对正入射的x和y偏振光提供相反的空间相位分布(-π至0.75π和0.75π至-π)，发生透射偏折与反射偏折的方向相反，偏折角分别约为10.62°和-11.39°。

正入射光束的异常偏折现象可通过透射或反射光在光路截面的光场相位分布观察出。如图11所示为从顶部入射的x偏振光和y偏振光在xz截面内的电磁场相位分布仿真结果，可知正入射x偏振光的波前在玻璃基底空间发生透射向右偏折，偏折角约为11.21°，而正入射y偏振光的波前在SU-8中发生反射向右偏折，偏折角约为10.71°，与理论值相近。由于包覆在SU-8中的超晶胞沿x轴方向的周期为2400nm，相对于工作波长690nm来讲可以出现11个衍射级次，我们进一步分析了各衍射级次下的输出光效率。

如图12所示，入射x偏振光经异常偏折效应后有约70％的能量透射至1级衍射级次，入射y偏振光经异常偏折效应后有约62％的能量反射至1级衍射级次。如图13所示则为从底部入射的x偏振光和y偏振光在xz截面内的电磁场相位分布仿真结果，可知正入射x偏振光的波前在SU-8空间发生透射向右偏折，偏折角约为10.71°，而正入射y偏振光的波前在玻璃基底发生反射向左偏折，偏折角约为-11.44°。如图14所示，表明入射x偏振光经异常偏折效应后有约71％的能量透射至1级衍射级次，入射y偏振光经异常偏折效应后有约80％的能量反射至1级衍射级次。

本发明提出的双层全介质超表面可通过一系列标准加工制备工艺制作。首先，借助于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺在玻璃基底上沉积非晶硅薄膜。其次，在非晶硅薄膜上旋涂光刻胶，并利用电子束光刻(EBL)技术形成对应下层超表面的光刻胶纳米柱阵列图案。然后，通过电子束蒸发技术沉积铝膜，通过铝剥离和等离子刻蚀获得对应下层超表面的硅纳米柱阵列。最后，利用旋涂技术在下层超表面基础上形成SU-8薄膜并通过紫外光对其固化，在固化的SU-8薄膜上重复上述步骤以获得上层超表面所对应的硅纳米柱阵列。

本发明的核心部件是两层垂直堆叠的包含高折射率纳米柱的矩形单元晶格所构成的双层超表面结构。对于纳米柱材料，除了本发明实例提到的非晶硅，其他在可见光频段具有高折射率和低吸收系数的材料，包括不同形态的硅(单晶硅，多晶硅，氢化非晶硅)，以及二氧化钛，氮化硅，氮化镓等都可以作为其材料。对于上下两层超表面的覆盖层，同样可以使用其他在可见光频段具有低折射率和吸收系数的材料，如SiO2，PMMA，PDMS。

采用相同的结构设计规则，本发明中的双层全介质超表面也可以应用到其他频段。如采用硅可实现红外至太赫兹频段的全空间型多功能超表面；采用氧化铪作为构成纳米柱的材料可以实现紫外波段的全空间型超表面。

若不采用本实施例所述的双层全介质超表面，采用三层全介质超表面也是可以实现相同的功能(透反射光三种功能调控)；顶层的单层全介质微纳结构就可以实现水平和垂直偏振光的透射以及0～2π相位调控；采用相同规则，底层的单层全介质微纳结构也可以实现水平和垂直偏振光的透射以及0～2π相位调控；而中间层可以设计一个全介质光栅结构，功能就是实现水平偏振光的透射和垂直偏振光的反射。

实施例二

本实施例公开了一种基于全介质超表面的透反射光调控器件的工作方法，采用如下技术方案：

基于全介质超表面的透反射光调控器件的工作方法，通过光入射方向以及线偏振态的选择，经过如实施例一所述的全空间型三功能集成双层基于全介质超表面的透反射光调控器件实现不同功能的光束波前调控。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于全介质超表面的透反射光调控器件，其特征在于，包括：

多层纳米柱阵列；每层所述纳米柱阵列均被包覆层包覆；

其中，每层所述纳米柱阵列中的纳米柱具有不同的结构尺寸，以实现在不同入射方向时对透射光波或反射光波的不同相位调控；

所述纳米柱的形状设置为能够实现一对正交线偏振光的透射与反射的形状；

所述纳米柱为长方体型纳米柱，纳米柱阵列中的所有所述长方体型纳米柱厚度相同，宽度和长度不同。

2.如权利要求1所述的基于全介质超表面的透反射光调控器件，其特征在于，所述每层纳米柱阵列中的每个长方体型纳米柱与包覆层构成矩形单元晶胞结构。

3.如权利要求2所述的基于全介质超表面的透反射光调控器件，其特征在于，各层所述纳米柱阵列上下堆叠在基底上；所述基底为玻璃基底。

4.如权利要求1所述的基于全介质超表面的透反射光调控器件，其特征在于，所述基于全介质超表面的透反射光调控器件包括双层所述纳米柱阵列。

5.如权利要求1所述的基于全介质超表面的透反射光调控器件，其特征在于，所述基于全介质超表面的透反射光调控器件包括三层所述纳米柱阵列。

6.如权利要求1所述的基于全介质超表面的透反射光调控器件，其特征在于，所述纳米柱为非晶硅纳米柱。

7.如权利要求1所述的基于全介质超表面的透反射光调控器件，其特征在于，所述包覆层为SU-8环氧基负性光刻胶。

8.一种双层基于全介质超表面的透反射光调控器件的工作方法，其特征在于，通过光入射方向以及线偏振态的选择，经过如权利要求1-7任一项所述的基于全介质超表面的透反射光调控器件实现不同功能的光束波前调控。

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