CN114325886B - 超表面及其设计方法、装置及电子设备 - Google Patents

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CN114325886B CN202210169285.6A CN202210169285A CN114325886B CN 114325886 B CN114325886 B CN 114325886B CN 202210169285 A CN202210169285 A CN 202210169285A CN 114325886 B CN114325886 B CN 114325886B
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Abstract

本申请提供了一种超表面及其设计方法、装置及电子设备，属于光学技术领域。其中，该超表面包括基底和周期性排列在所述基底至少一侧的纳米结构；其中，所述纳米结构的等效折射率平均值与所述基底的折射率的差值或差值的平均值小于或等于目标值。本申请实施例提供的超表面通过调控纳米结构等效折射率平均值和基底折射率的差值或差值的平均值小于目标值提高了超表面的透过率。本申请实施例提供的超表面设计方法，通过配置纳米结构类型、周期和高度，计算纳米结构等效折射率平均值和基底折射率的差值或差值的平均值，最后选择差值或差值的平均值最小的纳米结构配置，从而得到透过率高于现有技术的超表面。

Description

超表面及其设计方法、装置及电子设备
技术领域
本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种超表面及其设计方法、装置及电子设备。
背景技术
超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，包括基底层和其上周期性排布的纳米结构。一般地，可通过纳米结构来调制入射辐射的相位、振幅、偏振等特性。
超表面的透过率主要由基底层与纳米结构的吸收以及纳米结构的谐振决定。主要通过直接在超表面上蒸镀增透膜来提高超表面的透过率。
然而，现有技术受工艺和增透膜自身厚度的影响会改变超表面的微观结构。例如增透膜沉积在各纳米结构的间隙中，从而改变超表面相位，对透过率的提升效果有限。
因此，亟需一种透过率高于现有技术的超表面。
发明内容
为解决现有技术中超表面透过率提高有限的技术问题，本申请实施例提供一种超表面及其设计方法、装置及电子设备。
第一方面，本申请实施例提供了一种超表面，所述超表面包括基底和周期性排列在所述基底至少一侧的纳米结构；
其中，所述纳米结构的等效折射率平均值与所述基底的折射率的差值或差值的平均值小于或等于目标值。
可选地，所述目标值小于或等于1。
可选地，所述目标值小于或等于0.5。
可选地，所述差值或差值的平均值与所述基底的折射率的比值小于0.35。可选地，所述超表面至少满足：
其中，λ为所述入射辐射的波长；R为所述超表面的反射率；n1(λ)为所述纳米结构的等效折射率；n2(λ)为所述基底的折射率；
所述纳米结构的等效折射率为单个纳米结构与周围的填充材料组成的填充单元的折射率。
可选地，所述填充材料与所述纳米结构的折射率差值的绝对值大于或等于0.5。
可选地，所述超表面对1550nm波段的平均透过率大于84.9％。
可选地，所述超表面对8μm至12μm波段的平均透过率大于79.9％。
第二方面，本申请实施例还提供了一种超表面设计方法，所述方法包括：
步骤S1，配置超表面的纳米结构的类型；
步骤S2，配置纳米结构的参考周期和参考高度，并分别计算所述参考周期和所述参考高度下各个类型纳米结构的等效折射率；
步骤S3，根据所述步骤S2的计算结果选择等效折射率平均值与基底折射率的差值最小或差值的平均值最小的纳米结构；
步骤S4，对步骤S3中选择的纳米结构进行数值仿真，得到所述纳米结构的相位与透过率曲线；
步骤S5，基于所述相位与透过率曲线，判断所述纳米结构是否满足设计要求；若不满足，则返回所述步骤S2，重新配置参考周期和参考高度并重复所述步骤S2至所述步骤S5；
步骤S6，若所述步骤S5仍不能得到满足设计要求的纳米结构；则返回所述步骤S1，重新配置纳米结构的类型，并重复所述步骤S1至所述步骤S6。
可选地，所述纳米结构的类型包括纳米结构的形状。
可选地，所述纳米结构的形状包括圆柱、方柱、环柱或阶梯型中的一种或多种。
可选地，当所述步骤S1中配置至少两种纳米结构类型时，所述步骤S1还包括：
配置纳米结构中各类型的比例。
可选地，所述设计要求包括透过率大于或等于0.3，并且且小于或等于0.999。
可选地，所述设计要求包括相位覆盖2π。
第三方面，本申请实施例还提供了一种超表面设计装置，包括：
配置模块，被配置为配置超表面的纳米结构的类型；
计算模块，被配置为配置纳米结构的周期和高度并分别计算参考周期和参考高度下各个类型纳米结构的等效折射率；
选择模块，被配置为基于所述计算模块的计算结果选择等效折射率平均值与基底折射率的差值最小或差值的平均值最小的纳米结构；
仿真模块，被配置为对所述选择模块选择的纳米结构进行数值仿真，得到所述选择模块选择的纳米结构的相位与透过率曲线。
第四方面，本申请实施例提供了一种电子设备，包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述收发器、所述存储器和所述处理器通过所述总线相连，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述任一实施例所述的超表面设计方法中的步骤。
第四方面，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施例所述的超表面设计方法中的步骤。
本申请实施例提供的超表面及其设计方法、装置及电子设备，至少取得了以下有益效果：
本申请实施例提供的超表面通过调控纳米结构等效折射率平均值和基底折射率的差值或差值的平均值小于目标值提高了超表面的透过率。
本申请实施例提供的超表面设计方法、装置及电子设备，首先配置纳米结构类型、周期和高度，之后将菲涅尔方程推广到超表面以计算纳米结构等效折射率平均值和基底折射率的差值或差值的平均值，最后选择差值或差值的平均值最小的纳米结构配置进行数值仿真验证，从而得到透过率高于现有技术的超表面。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1示出了本申请实施例所提供的超表面的可选的结构示意图；
图2示出了本申请实施例所提供的纳米结构的一种可选结构的透视图；
图3示出了本申请实施例所提供的纳米结构的又一种可选结构的透视图；
图4示出了本申请实施例所提供的超结构单元的一种可选的结构示意图；
图5示出了本申请实施例所提供的超结构单元的又一种可选的结构示意图；
图6示出了本申请实施例所提供的超结构单元的又一种可选的结构示意图；
图7示出了本申请实施例所提供的超表面设计方法的一种可选的流程示意图；
图8示出了本申请实施例所提供的超表面的相位与透过率曲线；
图9示出了本申请实施例所提供的超表面的透过率与纳米结构直径的关系图；
图10示出了本申请实施例所提供的超表面设计装置的示意图；
图11示出了本申请实施例所提供的一种用于执行超表面设计方法的电子设备的结构示意图。
图中附图标记分别表示：
100-基底；200-纳米结构；300-填充材料；
1001-配置模块；1002-计算模块；1003-选择模块；1004-仿真模块；
1110-总线；1120-处理器；1130-收发器；1140-总线接口；1150-存储器；1160-用户接口。
具体实施方式
在本申请实施例的描述中，所属技术领域的技术人员应当知道，本申请实施例可以实现为方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。因此，本申请实施例可以具体实现为以下形式：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)、硬件和软件结合的形式。此外，在一些实施例中，本申请实施例还可以实现为在一个或多个计算机可读存储介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读存储介质中包含计算机程序代码。
上述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读存储介质的任意组合。计算机可读存储介质包括：电、磁、光、电磁、红外或半导体的系统、装置或器件，或者以上任意的组合。计算机可读存储介质更具体的例子包括：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存(Flash Memory)、光纤、光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件或以上任意组合。在本申请实施例中，计算机可读存储介质可以是任意包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置、器件使用或与其结合使用。
上述计算机可读存储介质包含的计算机程序代码可以用任意适当的介质传输，包括：无线、电线、光缆、射频(Radio Frequency，RF)或者以上任意合适的组合。
可以以汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、集成电路配置数据或以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请实施例操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，例如：Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言，例如：C语言或类似的程序设计语言。计算机程序代码可以完全的在用户计算机上执行、部分的在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行以及完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括：局域网(LAN)或广域网(WAN)，可以连接到用户计算机，也可以连接到外部计算机。
本申请实施例通过流程图和/或方框图描述所提供的方法、装置、电子设备。
应当理解，流程图和/或方框图的每个方框以及流程图和/或方框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，这些计算机可读程序指令通过计算机或其他可编程数据处理装置执行，产生了实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的装置。
也可以将这些计算机可读程序指令存储在能使得计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式工作的计算机可读存储介质中。这样，存储在计算机可读存储介质中的指令就产生出一个包括实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的指令装置产品。
也可以将计算机可读程序指令加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，使得在计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机或其他可编程数据处理装置上执行的指令能够提供实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的过程。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一些情况下，超表面的纳米结构与基底的材料并不相同。在又一些情况下，纳米结构的材料和基底的材料相同。发明人发现，相同结构的超表面，相较于基底与纳米结构采用同一种材料的超表面，当基底和纳米结构采用不同的材料时超表面的透过率产生变化。
发明人进一步发现，不论纳米结构与基底的材料是否相同，由于纳米结构的等效折射率与基底的折射率存在差值，当入射辐射照射在超表面时会发生类似菲涅尔效应的反射。因此，降低了超表面的透过率，造成超表面应用时信噪比下降，不利于超透镜在需要高透过率场景下的应用。例如，晶体硅纳米柱结构和基底对波长1550nm的单波长入射辐射最高为84.9％，对波长8～12μm的宽谱入射辐射的透过率最高为79.9％，均不高于85％。
如图1所示，本申请实施例提供了的超表面包括基底100和周期性排列在基底100至少一侧的纳米结构200。其中，纳米结构200的等效折射率平均值与基底100的折射率的差值或差值的平均值小于或等于目标值。通常，纳米结构200位于基底100的任意一侧；一些情况下，基底100的两侧均具有纳米结构200。
应理解，本申请实施例中，折射率和目标值均与入射辐射的波长相关。例如，同一基底或同一纳米结构对不同波段入射辐射的折射率不同；目标值相同的超表面对不同波段的入射辐射折射率和透过率不同。可选地，当入射辐射为可见光时，目标值小于或等于0.5可选地，当入射辐射为红外波段时，目标值小于或等1.0。可选地，当入射辐射为紫外波段时，目标值小于或等于0.4。在一些情况下，纳米结构200的等效折射率平均值与基底100的折射率的差值或差值的平均值除以基底100的折射率所得的比值小于0.35。
图2和图3示出了本申请实施例提供的超透镜的一个纳米结构200的透视图。可选地，超透镜上各纳米结构200之间被填充材料300填充，填充材料300包括空气或在工作波段透明或半透明的其他材料。该填充材料300的折射率与纳米结构200的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。
具体而言，本申请实施例所提供的超表面基于菲涅尔反射，其原理如下。
当光从一种折射率为n1的介质向另一种折射率为n2的介质传播时，在两者的交界处(通常称作界面)可能会同时发生光的反射和折射。菲涅尔方程描述了入射辐射的不同分量被折射和反射的情况，也描述了入射辐射反射时的相变。此方程成立的条件是：界面是光滑平面，入射辐射是平面波，边际效应可被忽略。
对于垂直入射的平面波，其反射率R由公式(1)决定：
公式(1)中，λ为入射辐射的波长。
将公式(1)推广到超表面，则纳米结构200的等效折射率为n1(λ)，基底100的折射率为n2(λ)。为了提高超表面的透过率，需要使反射率R尽可能低。纳米结构200的等效折射率是指单个纳米结构与周围的填充材料300组成的填充单元的折射率。
通常，纳米结构200的等效折射率可以通过占空比法计算，占空比法是指根据纳米结构200和填充材料300所占的空间的比例进行计算，计算公式如下：
n1(λ)＝ρ′nu(λ)+ρ″nf(λ) (2)；
ρ′+ρ″＝1 (3)；
其中，λ为入射辐射的波长；nu(λ)为纳米结构200的折射率；nf(λ)为填充材料的折射率；n1(λ)为计算得到纳米结构200的等效折射率，ρ’为纳米结构200的面积占填充单元面积的比例，ρ”为填充材料的面积占填充单元面积的比例。纳米结构200或填充材料300占填充单元的面积比例是指，纳米结构200或填充材料300垂直于高度轴的截面占填充单元垂直于高度轴的截面积的比例。此处的填充材料300可以是空气，也可以是其他对入射辐射高透过率的材料。此处的高透过率可以是材料对目标波段的消光系数小于0.1。
对于单波长的入射辐射，需要超表面上纳米结构200的等效折射率平均值与基底100折射率的差值最小，如公式(4)所示：
其中，为超表面上各类型纳米结构200的等效折射率的平均值；n2为超表面的基底100折射率；λ为入射波长。
对于宽谱入射辐射，需要超表面上纳米结构200的等效折射率平均后与基底100折射率的差值在不同波长下的平均值最小，如公式(5)所示：
其中，为超表面上各类型纳米结构200的等效折射率的平均值；n2为超表面的基底折射率；λmin为最小入射波长；λmax为最大入射波长。
如图2所示，纳米结构200可以是偏振相关结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。如图3所示，纳米结构200可以是偏振无关结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。
根据本申请的实施方式，超透镜包括基底和设置在基底上的纳米结构层，如图4至图6所示，其中纳米结构层包括布置成阵列的超结构单元。
如图4所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成扇形。如图5所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正六边形的阵列。此外，如图6所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正方形的阵列。本领域技术人员应认识到，微结构层中包括的超结构单元还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本申请的范围内。
根据本申请的实施方式，超结构单元可以具有纳米结构。如图4至图6所示，根据本申请的实施方式，每个微结构单元的中心位置和/或顶点位置处分别设置有纳米结构。根据本申请的实施方式，纳米结构是全介质结构单元。可选地，根据本申请的实施方式，纳米结构在可见光波段、红外光波段或紫外光波段具有高透射率。根据本申请的实施方式，纳米结构可由如下材料中的至少之一形成：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅、晶体锗、硫化锌和硒化锌等。
因此，本申请实施例提供的超表面基于菲涅尔方程，通过控制纳米结构的等效折射率平均值与基底折射率的差值或差值的平均值小于目标值，使纳米结构的等效折射率与基底折射率相匹配，从而提高了超表面对入射辐射的透过率。
另一方面，如图7所示，本申请实施例提供了一种超表面设计方法，适用于前述任一实施例所提供的超表面。该方法包括以下步骤S1至步骤S6。
步骤S1，配置超表面的纳米结构的类型。
步骤S2，配置纳米结构的参考周期和参考高度，并分别计算参考周期和参考高度下各个类型纳米结构的等效折射率。
步骤S3，基于步骤S2的计算结果选择等效折射率平均值与基底折射率的差值最小或差值的平均值最小的纳米结构。
步骤S4，对步骤S3中选择的纳米结构进行数值仿真，得到该纳米结构的相位与透过率曲线。
步骤S5，基于相位与透过率曲线，判断纳米结构是否满足设计要求；若不满足，则返回步骤S2，重新配置参考周期和参考高度并重复步骤S2至步骤S5。
步骤S6，若步骤S5仍不能得到满足设计要求的纳米结构；则返回步骤S1，重新配置纳米结构的类型，并重复步骤S1至步骤S6。
接下来，对本申请实施例所提供的超表面设计方法进行详细描述。
对于步骤S1，根据本申请的实施方式，纳米结构的类型指的是纳米结构的形状。纳米结构可以是偏振相关的形状，此类结构对入射辐射施加一个几何相位。纳米结构也可以是偏振不敏感的形状，此类结构对入射辐射施加一个传播相位。纳米结构的类型还包括纳米结构中各类型的比例和分布等属性。
对于同一超表面，其上的纳米结构可以是同一类型，例如均为纳米圆柱、纳米环柱、纳米方柱等结构中的一种。对于同一超表面，其上的纳米结构也可以是不同类型，例如纳米结构的类型包括纳米圆柱、纳米环柱、纳米方柱或阶梯型纳米结构等结构中的一种或多种。当配置两种或两种以上纳米结构类型时，还需要配置各类型纳米结构所占的比例。
在本申请实施例步骤S1中，需要根据设计要求初步确定该超表面上纳米结构的类型。该类型包括一种或多种纳米结构类型。
对于步骤S2，其原理基于菲涅尔方程在超表面的推广。将超表面上纳米结构及其周围的填充材料视为一个整体，即填充单元。根据公式(2)和公式(3)可以计算出纳米结构的等效折射率。
根据本申请的实施方式，配置纳米结构的参考周期和参考高度指的是根据超表面的设计要求预估纳米结构的周期和高度。计算在参考周期和参考高度下步骤S1中所配置的各类型纳米结构的等效折射率，是指计算超表面上所有纳米结构的等效折射率。
一般情况下，可选地，步骤S2中计算各类型纳米结构的等效折射率的平均值的方式包括计算全部纳米结构的等效折射率，即计算超表面上所有纳米结构的等效折射率后取平均值。例如，假设超表面上纳米圆柱、纳米方柱和纳米环柱所占的比例分别为50％、20％和30％，计算时不考虑各类型纳米结构所占的比例，采用遍历法算出所有纳米结构的等效折射率后取平均值。
进一步地，还可以按类型计算，即可以按照超表面上纳米结构的类型分别计算各类型纳米结构的等效折射率平均值后计算超表面上纳米结构等效折射率的平均值。例如，假设超表面上纳米圆柱、纳米方柱和纳米环柱所占的比例分别为50％、20％和30％，计算时分别算出50％纳米圆柱的等效折射率、20％纳米方柱的等效折射率和30％纳米环柱的等效折射率，然后求取平均值，该平均值为超表面上纳米结构的等效折射率平均值。
更进一步地，还可以按比例推算，即分别计算各类型单个纳米结构的等效折射率，然后按照各类型纳米结构的比例计算超表面上总的纳米结构等效折射率。例如，假设超表面上纳米圆柱、纳米方柱和纳米环柱所占的比例分别为50％、20％和30％，先计算出单个纳米圆柱、单个纳米方柱和单个纳米环柱的等效折射率，然后根据各类型纳米环柱所占的比例加权平均得到超表面上纳米结构的等效折射率的平均值。
需要说明的是，参考周期和参考高度时根据设计要求进行预测得到的预测值。预测值可以根据经验获得，也可以通过纳米结构数据库中获得。
对于步骤S3，选择步骤S2中等效折射率平均值与基底折射率的超值最小或差值的平均值最小的纳米结构类型，是为了使纳米结构的折射率与基底的折射率相匹配。对于单波长的入射辐射，如公式(4)所示；对于宽谱入射辐射，如公式(5)所示。
在相同周期、相同高度下，采用前述差值或差值的平均值最小的纳米结构类型与基底配合形成的超表面透过率最高。
应理解，步骤S3中选择的纳米结构类型为参考周期和参考高度下的最优解，若参考周期和/或参考高度预估不准确，则该最优解不一定满足设计需求。因此，还需要对该纳米结构类型进行仿真验证其透过率，从而引入了如下所示的步骤S4至步骤S6。
首先，在本申请实施例中，步骤S4中数值仿真通过解麦克斯韦方程组可以得到超透镜的相位与透过率曲线。可选地，步骤S4中解麦克斯韦方程组的方法包括时域有限差分法(FDTD，Finite Difference Time Domain)或严格耦合波分析法(RCWA，RigorousCoupled Wave Analysis)。
然后，执行步骤S5，判断基于数值仿真得到的相位与透过率曲线是否满足设计要求。一般超表面的设计要求相位与透过率曲线所有波长相位覆盖2π，透过率T大于T0，T0为0.3至0.999之间任意数值。
若相位与透过率曲线不能满足设计要求，则说明步骤S1和/或步骤S2的配置不能满足设计要求。为了节约设计程序，首先保持步骤S1中对纳米结构类型的配置不变，返回步骤S2，重新配置参考周期和参考高度，重复步骤S2至步骤S5，直至得到满足设计要求的相位与透过率曲线。该相位与透过率曲线对应的纳米结构配置(类型、周期、高度)为本申请实施例中超表面设计的最优解。
若步骤S5中仍不能得到满足设计要求的相位与透过率曲线，则证明步骤S1中对纳米结构类型的配置不正确，则需要执行步骤S6。即，返回步骤S1中重新配置纳米结构类型后重复上述实施例提供的步骤S1至步骤S6直至获得满足设计要求的相位与透过率曲线。
需要说明的是，由于从步骤S2开始循环的运算量小于从步骤S1开始循环，因此，当相位与透过率曲线不满足设计要求时，本申请实施例中优先执行步骤S2至步骤S5的策略更为有利。也就是说，在步骤S6中嵌套步骤S5，在步骤S6的循环计算中优先执行步骤S5的循环，只有当步骤S5无法获得满足设计要求的相位与透过率曲线时才执行步骤S6。
实施例1
基于本申请实施例提供的超表面设计方法，获得超表面参数配置如下。超表面上纳米结构的材质为非晶硅，类型为圆柱结构，直径从100nm到400nm变化，高度H为1500nm。纳米结构以方形超结构单元的形式周期性排列，周期P为500nm。该超表面的基底为石英玻璃。
当入射辐射的波长为1550nm时，基底的折射率为1.444。当纳米结构直径从100nm到400nm直径变化时，纳米结构的等效折射率平均值为1.749。根据公式(1)可得，该超表面的理论平均反射率为0.91％，透过率为99.09％。
经过数值仿真，可得该超表面的相位与透过率曲线如图8所示。由图8可得，该超表面的平均透过率为96.9％，比传统超透镜84.9％的透过率高12％。传统超透镜通过使用硅作为基底和纳米结构的材料，从而达到84.9％的透过率。
实施例2
基于本申请实施例提供的超表面设计方法，获得超表面参数配置如下。超表面上纳米结构的材质为晶体硅，类型为圆柱结构，直径从600nm到2400nm变化，高度H为13μm。纳米结构以六边形超结构单元的形式周期性排列，周期P为3μm。该超表面的基底为硫系玻璃。经过数值仿真，可得该超表面对于8～12μm入射辐射的透过率与纳米结构直径的关系如图9所示。图9中，该超表面的平均透过率为90.8％，比传统超透镜79.9％的透过率高11.1％。
综上所述，本申请实施例提供的超表面及其设计方法，首先配置纳米结构类型、周期和高度，之后将菲涅尔方程推广到超表面以计算纳米结构等效折射率平均值和基底折射率的差值或差值的平均值，最后选择差值或差值的平均值最小的纳米结构配置进行数值仿真验证，从而得到透过率高于现有技术的超表面。本申请实施例提供的超表面，通过调控纳米结构等效折射率平均值和基底折射率的差值或差值的平均值小于目标值提高了超表面的透过率。
上文结合图7，详细描述了本申请实施例提供的超表面设计方法，该方法也可以通过相应的装置实现，下面将结合图10，详细描述本申请实施例提供的超表面设计装置。
图10示出了本申请实施例所提供的一种超表面设计装置的结构示意图。如图10所示，该超表面设计装置包括：
配置模块1001，被配置为配置超表面的纳米结构的类型。
计算模块1002，被配置为配置纳米结构的周期和高度并分别计算参考周期和参考高度下各个类型纳米结构的等效折射率。
选择模块1003，被配置为基于算模块1002的计算结果选择等效折射率平均值与基底折射率的差值最小或差值的平均值最小的纳米结构。
仿真模块1004，被配置为对选择模块1003选择的纳米结构进行数值仿真，得到该纳米结构的相位与透过率曲线。
因此，本申请实施例的超表面设计装置，通过第一配置模块、第二配置模块、选择模块和仿真模块，根据菲涅尔反射在超表面的推广，利用纳米结构等效折射率和基底折射率的匹配，提高了超表面的透过率。
此外，本申请实施例还提供了一种电子设备，包括总线、收发器、存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该收发器、该存储器和处理器分别通过总线相连，计算机程序被处理器执行时实现上述超表面设计方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
具体的，参见图11所示，本申请实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括总线1110、处理器1120、收发器1130、总线接口1140、存储器1150和用户接口1160。收发器1130、存储器1150和处理器1120通过总线1110相连。
在本申请实施例中，该电子设备还包括：存储在存储器1150上并可在处理器1120上运行的计算机程序，计算机程序被处理器1120执行时实现以下步骤：
步骤S1，配置超表面的纳米结构的类型。
步骤S2，配置纳米结构的参考周期和参考高度，并分别计算参考周期和参考高度下各个类型纳米结构的等效折射率。
步骤S3，根据步骤S2的计算结果选择等效折射率平均值与基底折射率的差值最小或差值的平均值最小的纳米结构。
步骤S4，对步骤S3中选择的纳米结构进行数值仿真，得到该纳米结构的相位与透过率曲线。
步骤S5，基于相位与透过率曲线，判断纳米结构是否满足设计要求；若不满足，则返回步骤S2，重新配置参考周期和参考高度并重复步骤S2至步骤S5。
步骤S6，若步骤S5仍不能得到满足设计要求的纳米结构；则返回步骤S1，重新配置纳米结构的类型，并重复步骤S1至步骤S6。
收发器1130，用于在处理器1120的控制下接收和发送数据。
本申请实施例中，总线架构(用总线1110来代表)，总线1110可以包括任意数量互联的总线和桥，总线1110将包括由处理器1120代表的一个或多个处理器与存储器1150代表的存储器的各种电路连接在一起。
总线1110表示若干类型的总线结构中的任何一种总线结构中的一个或多个，包括存储器总线以及存储器控制器、外围总线、加速图形端口(Accelerate Graphical Port，AGP)、处理器或使用各种总线体系结构中的任意总线结构的局域总线。作为示例而非限制，这样的体系结构包括：工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，ISA)总线、微通道体系结构(Micro Channel Architecture，MCA)总线、扩展ISA(Enhanced ISA，EISA)总线、视频电子标准协会(Video Electronics Standards Association，VESA)、外围部件互连(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线。
处理器1120可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中硬件的集成逻辑电路或软件形式的指令完成。上述的处理器包括：通用处理器、中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)、复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable LogicDevice，CPLD)、可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)、微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)或其他可编程逻辑器件、分立门、晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或执行本申请实施例中公开的各方法、步骤及逻辑框图。例如，处理器可以是单核处理器或多核处理器，处理器可以集成于单颗芯片或位于多颗不同的芯片。
处理器1120可以是微处理器或任何常规的处理器。结合本申请实施例所公开的方法步骤可以直接由硬件译码处理器执行完成，或者由译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、闪存(FlashMemory)、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、寄存器等本领域公知的可读存储介质中。所述可读存储介质位于存储器中，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
总线1110还可以将，例如外围设备、稳压器或功率管理电路等各种其他电路连接在一起，总线接口1140在总线1110和收发器1130之间提供接口，这些都是本领域所公知的。因此，本申请实施例不再对其进行进一步描述。
收发器1130可以是一个元件，也可以是多个元件，例如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。例如：收发器1130从其他设备接收外部数据，收发器1130用于将处理器1120处理后的数据发送给其他设备。取决于计算机系统的性质，还可以提供用户接口1160，例如：触摸屏、物理键盘、显示器、鼠标、扬声器、麦克风、轨迹球、操纵杆、触控笔。
应理解，在本申请实施例中，存储器1150可进一步包括相对于处理器1120远程设置的存储器，这些远程设置的存储器可以通过网络连接至服务器。上述网络的一个或多个部分可以是自组织网络(ad hoc network)、内联网(intranet)、外联网(extranet)、虚拟专用网(VPN)、局域网(LAN)、无线局域网(WLAN)、广域网(WAN)、无线广域网(WWAN)、城域网(MAN)、互联网(Internet)、公共交换电话网(PSTN)、普通老式电话业务网(POTS)、蜂窝电话网、无线网络、无线保真(Wi-Fi)网络以及两个或更多个上述网络的组合。例如，蜂窝电话网和无线网络可以是全球移动通信(GSM)系统、码分多址(CDMA)系统、全球微波互联接入(WiMAX)系统、通用分组无线业务(GPRS)系统、宽带码分多址(WCDMA)系统、长期演进(LTE)系统、LTE频分双工(FDD)系统、LTE时分双工(TDD)系统、先进长期演进(LTE-A)系统、通用移动通信(UMTS)系统、增强移动宽带(Enhance Mobile Broadband，eMBB)系统、海量机器类通信(massive Machine Type of Communication，mMTC)系统、超可靠低时延通信(UltraReliable Low Latency Communications，uRLLC)系统等。
应理解，本申请实施例中的存储器1150可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性存储器和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器包括：只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存(Flash Memory)。
易失性存储器包括：随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如：静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data RateSDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambus RAM，DRRAM)。本申请实施例描述的电子设备的存储器1150包括但不限于上述和任意其他适合类型的存储器。
在本申请实施例中，存储器1150存储了操作系统1151和应用程序1152的如下元素：可执行模块、数据结构，或者其子集，或者其扩展集。
具体而言，操作系统1151包含各种系统程序，例如：框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序1152包含各种应用程序，例如：媒体播放器(Media Player)、浏览器(Browser)，用于实现各种应用业务。实现本申请实施例方法的程序可以包含在应用程序1152中。应用程序1152包括：小程序、对象、组件、逻辑、数据结构以及其他执行特定任务或实现特定抽象数据类型的计算机系统可执行指令。
此外，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述超表面设计方法实施例的各个过程，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
具体而言，计算机程序被处理器执行时可实现以下步骤：
步骤S1，配置超表面的纳米结构的类型。
步骤S2，配置纳米结构的参考周期和参考高度，并分别计算参考周期和参考高度下各个类型纳米结构的等效折射率。
步骤S3，根据步骤S2的计算结果选择等效折射率平均值与基底折射率的差值最小或差值的平均值最小的纳米结构。
步骤S4，对步骤S3中选择的纳米结构进行数值仿真，得到该纳米结构的相位与透过率曲线。
步骤S5，基于相位与透过率曲线，判断纳米结构是否满足设计要求；若不满足，则返回步骤S2，重新配置参考周期和参考高度并重复步骤S2至步骤S5。
步骤S6，若步骤S5仍不能得到满足设计要求的纳米结构；则返回步骤S1，重新配置纳米结构的类型，并重复步骤S1至步骤S6。
计算机可读存储介质包括：永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，是可以保留和存储供指令执行设备所使用指令的有形设备。计算机可读存储介质包括：电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备以及上述任意合适的组合。计算机可读存储介质包括：相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性随机存取存储器(NVRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带存储、磁带磁盘存储或其他磁性存储设备、记忆棒、机械编码装置(例如在其上记录有指令的凹槽中的穿孔卡或凸起结构)或任何其他非传输介质、可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本申请实施例中的界定，计算机可读存储介质不包括暂时信号本身，例如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如穿过光纤电缆的光脉冲)或通过导线传输的电信号。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所披露的装置、电子设备和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的、机械的或其他的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或也可以不是物理单元，既可以位于一个位置，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来解决本申请实施例方案要解决的问题。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术作出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(包括：个人计算机、服务器、数据中心或其他网络设备)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而上述存储介质包括如前述所列举的各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种超表面，其特征在于，所述超表面包括基底(100)和周期性排列在所述基底(100)至少一侧的纳米结构(200)；
其中，所述纳米结构(200)的等效折射率平均值与所述基底(100)的折射率的差值或差值的平均值小于或等于目标值；并且，所述目标值满足：
当入射辐射为紫外波段时，所述目标值小于或等于0.4；
当入射辐射为可见光时，所述目标值小于或等于0.5；
当入射辐射为红外波段时，所述目标值小于或等于1.0。
2.如权利要求1所述的超表面，其特征在于，所述差值或差值的平均值与所述基底(100)的折射率的比值小于0.35。
3.如权利要求1-2任一所述的超表面，其特征在于，所述超表面至少满足：
其中，λ为入射辐射的波长；R为所述超表面的反射率；n1(λ)为所述纳米结构(200)的等效折射率；n2(λ)为所述基底(100)的折射率；
所述纳米结构(200)的等效折射率为单个纳米结构与周围的填充材料(300)组成的填充单元的折射率。
4.如权利要求3所述的权利要求，其特征在于，所述填充材料(300)与所述纳米结构(200)的折射率差值的绝对值大于或等于0.5。
5.如权利要求1所述的权利要求，其特征在于，所述超表面对1550nm波段的平均透过率大于84.9％。
6.如权利要求1所述的权利要求，其特征在于，所述超表面对8μm至12μm波段的平均透过率大于79.9％。
7.一种超表面设计方法，其特征在于，适用于权利要求1-6任一所述的超表面，所述方法包括：
步骤S1，配置超表面的纳米结构的类型；
步骤S2，配置纳米结构的参考周期和参考高度，并分别计算所述参考周期和所述参考高度下各个类型纳米结构的等效折射率；
步骤S3，根据所述步骤S2的计算结果选择等效折射率平均值与基底折射率的差值最小或差值的平均值最小的纳米结构；
步骤S4，对步骤S3中选择的纳米结构进行数值仿真，得到所述纳米结构的相位与透过率曲线；
步骤S5，基于所述相位与透过率曲线，判断所述纳米结构是否满足设计要求；若不满足，则返回所述步骤S2，重新配置参考周期和参考高度并重复所述步骤S2至所述步骤S5；
步骤S6，若所述步骤S5仍不能得到满足设计要求的纳米结构；则返回所述步骤S1，重新配置纳米结构的类型，并重复所述步骤S1至所述步骤S6。
8.如权利要求7所述的超表面设计方法，其特征在于，所述纳米结构的类型包括纳米结构的形状。
9.如权利要求8所述的超表面设计方法，其特征在于，所述纳米结构的形状包括圆柱、方柱、环柱或阶梯型中的一种或多种。
10.如权利要求7所述的超表面设计方法，其特征在于，当所述步骤S1中配置至少两种纳米结构类型时，所述步骤S1还包括：
配置纳米结构中各类型的比例。
11.如权利要求7所述的超表面设计方法，其特征在于，所述设计要求包括透过率大于或等于0.3，并且小于或等于0.999。
12.如权利要求7所述的超表面设计方法，其特征在于，所述设计要求包括相位覆盖2π。
13.一种超表面设计装置，其特征在于，适用于权利要求7-12任一所述的超表面设计方法，所述超表面设计装置包括：
配置模块(1001)，被配置为配置超表面的纳米结构的类型；
计算模块(1002)，被配置为配置纳米结构的周期和高度并分别计算参考周期和参考高度下各个类型纳米结构的等效折射率；
选择模块(1003)，被配置为基于所述计算模块(1002)的计算结果选择等效折射率平均值与基底折射率的差值最小或差值的平均值最小的纳米结构；
仿真模块(1004)，被配置为对所述选择模块(1003)选择的纳米结构进行数值仿真，得到所述选择模块(1003)选择的纳米结构的相位与透过率曲线。
14.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括总线(1110)、处理器(1120)、收发器(1130)、总线接口(1140)、存储器(1150)、用户接口(1160)和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序；
所述收发器(1130)、所述存储器(1150)和所述处理器(1120)通过所述总线(1110)相连，所述计算机程序被所述处理器(1120)执行时实现所述权利要求7-12任一所述的超表面设计方法中的步骤。
15.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述权利要求7-12任一所述的超表面设计方法中的步骤。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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