CN114384612A - 超表面单元、具有其的相位可调超表面和光学系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种超表面单元、具有其的相位可调超表面和光学系统，属于超表面技术领域。本申请实施例提供的超表面单元包括包括电极层、电致动层和纳米结构；其中，所述纳米结构为亚波长结构；所述电致动层的两端设置有所述电极层；所述纳米结构设置于所述电极层远离所述电致动层的一侧；所述纳米结构被设置于所述电极层远离所述电致动层的一侧；所述电致动层在所述电极层提供的电场作用下，沿所述纳米结构的高度轴方向位移。通过本申请实施例提供的超表面单元、具有其的相位可调超表面和光学系统通过电致动层实现了对相位可调超表面进行大范围、精确的相位调节。
Description
技术领域
本申请涉及超表面技术领域，具体而言，涉及一种超表面单元、具有其的相位可调超表面和光学系统。
背景技术
超表面是一种具有亚波长纳米结构的平面结构。亚波长结构是指特征尺寸与工作波长相近或小于工作波长的结构。
相关技术中根据入射辐射的波段设计纳米结构的形状、尺寸以及排列方式使超表面可以实现对入射辐射进行调制。超表面的纳米结构是根据要调制的入射辐射波段预先设计的，且通常超表面的基底为平面结构，所以超表面的相位也是预先设计的。
因此，相关技术中超表面的相位固定，无法根据应用需求主动调节，从而无法主动改变对入射辐射的调制方式。
发明内容
为解决现有超表面无法根据应用需求主动调节相位的技术问题，本申请实施例提供了一种超表面单元、具有其的相位可调超表面和光学系统。
第一方面，本申请实施例提供了一种超表面单元，所述超表面单元包括电极层、电致动层和纳米结构；
其中，所述纳米结构为亚波长结构；
所述电致动层的两端设置有所述电极层；所述纳米结构设置于所述电致动层远离所述电致动层的一侧；
所述纳米结构被设置于所述电极层远离所述电致动层的一侧；
所述电致动层在所述电极层提供的电场作用下，沿所述纳米结构的高度轴方向位移。
可选地，所述超表面单元还包括反射层；
其中，所述反射层位于所述电极层面向所述入射辐射的一侧；
所述纳米结构被设置于所述反射层远离所述电极层的一侧。
可选地，所述超表面单元还包括匹配层；
其中，所述匹配层被设置于所述反射层远离所述电极层的一侧；
所述纳米结构被设置于所述匹配层远离所述反射层的一侧。
可选地，所述超表面单元的周期大于或等于0.3λc，并且小于或等于λc；
λc为入射辐射的中心波长。
可选地，所述纳米结构的高度为大于或等于0.3λc，并且小于或等于λc；
λc为入射辐射的中心波长。
可选地，所述反射层的厚度大于或等于30nm，并且小于或等于200nm。
可选地，所述匹配层的厚度大于或等于10nm，并且小于或等于200nm。
可选地，所述电致动层包括微机电系统或压电陶瓷单元。
可选地，所述电极层和所述电致动层对所述入射辐射的消光系数小于或等于0.1。
可选地，所述电极层包括铟锡氧化物。
可选地，所述电极层的厚度大于10nm。
可选地，所述纳米结构包括偏振相关的结构。
可选地，所述纳米结构包括偏振不相关的结构。
可选地，所述纳米结构的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅。
第二方面，本申请实施例还提供了一种相位可调超表面，所述相位可调超表面包括上述任一实施例提供的超表面单元。
可选地，所述超表面单元呈阵列排布。
可选地，所述超表面单元以可密堆积图形的形式阵列排布，以使所述纳米结构位于所述可密堆积图形的中心和/或顶点。
所述可密堆积图形包括正六边形、正四边形或扇形中的一种或多种。
可选地，所述超表面单元的周期和所述可密堆积图形的周期不同。
可选地，所述超表面单元的周期和所述可密堆积图形的周期相同。
可选地，所述相位可调超表面还包括填充物质；
所述纳米结构之间的空隙由所述填充物质填充；
其中，所述填充物质包括对所述入射辐射的消光系数小于或等于0.1的流体。
可选地，所述填充物质为空气。
可选地，所述填充物质为非空气的流体；
所述非空气的流体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，所述电致动层的高度大于或等于所述入射辐射的中心波长的10倍。
可选地，所述电致动层沿所述纳米结构的高度轴的位移至少满足：
其中，nF(λc)为所述填充物质对所述入射辐射中心波长的折射率，Δd为所述电致动层的最大行程，λc为所述入射辐射的中心波长。
可选地，所述电致动层的最大行程小于或等于500nm。
第三方面，本申请实施例还提供了一种光学系统，所述光学系统包括上述任一实施例提供的相位可调超表面。
本申请实施例提供的超表面单元、具有其的相位可调超表面和光学系统，通过电致动层两端的电极层提供的电场使电致动层产生位移，从而带动纳米结构沿着其高度轴产生位移，达到通过调整纳米结构位置实现对超表面单元的相位进行主动调控。本申请实施例提供的相位可调超表面，通过调控纳超表面单元实现了对超表面进行大范围的相位调制；并且，由于任意一个超表面单元均可调控，本申请实施例提供的相位可调超表面实现了对相位的精确调控。
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单元的一种可选的结构的立体图；
图2示出了本申请实施例所提供的相位可调超表面的一种可选的结构的侧视图；
图3示出了本申请实施例所提供的相位可调超表面的一种可选的有填充结构的立体图；
图4示出了本申请实施例所提供的相位可调超表面的再一种可选的有填充结构的侧视图
图5示出了本申请实施例所提供的相位可调超表面的又一种可选的结构的立体图；
图6示出了本申请实施例所提供的相位可调超表面的又一种可选的结构的侧视图；
图7示出了本申请实施例所提供的相位可调超表面的超表面单元的一种可选的侧视图；
图8示出了本申请实施例所提供的相位可调超表面的一种可选的俯视图；
图9示出了本申请实施例所提供的相位可调超表面的一种可选的俯视图；
图10示出了本申请实施例所提供的相位可调超表面的一种可选的俯视图；
图11示出了本申请实施例所提供的相位可调超表面中电致动层的位移与相位变化之间的关系；
图12示出了940nm工作波长下纳米结构的直径、电致动层和入射辐射的相位变化之间的变化关系；
图13示出了本申请实施例所提供的一种光学系统；
图14示出了本申请实施例所提供的又一种光学系统；
图15示出了本申请实施例所提供的光学系统焦距为6mm时沿半径方向的相位；
图16示出了本申请实施例所提供的光学系统焦距为8mm时沿半径方向的相位；
图17示出了本申请实施例所提供的光学系统从6mm焦距变焦到12mm焦距时沿半径方向电致动层的位移。
图中的附图标记分别表示：
100-超表面单元； 101-电极层； 102-电致动层；
103-纳米结构； 104-反射层； 105-匹配层；
200-填充物质。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接：可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
应当理解，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分，不代表顺序、优先级或数量。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
为了实现对超表面相位的精确、大范围地调控，使超表面能够根据应用需求主动改变对入射辐射的调制方式，如图1所示，本申请提供了一种超表面单元100，包括电极层101、电致动层102和纳米结构103。其中，电致动层102的两端设置有电极层101；纳米结构103设置于电极层101远离电致动层102的一侧。纳米结构103被设置于电极层101远离电致动层102的一侧，并且，纳米结构103为亚波长结构。
需要说明的是，在本申请实施例中，纳米结构103为全介质的纳米结构。例如，当入射辐射为可见光时，纳米结构103的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅等。本申请实施例中，纳米结构103可以是偏振相关的结构，例如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射辐射施加一个几何相位；纳米结构103也可以是偏振无关结构，例如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射辐射施加一个传播相位。
具体而言，本申请实施例提供的超表面单元100以电致动层102为基底，电致动层102的两端设置有电极层101，纳米结构103设置在电极层101远离电致动层102的一侧。电致动层102在电极层101提供的电场作用下，沿着纳米结构103的高度轴位移，从而调节纳米结构103的高度。也就是说，本申请实施例采用高度可调的基底，实现了纳米结构的高度调节。
应理解，电致动层102和电极层101可以是对入射辐射透明的材质，也可以是不透明的材质。当超表面单元100需要透射入射辐射时，电致动层102和电极层101均为对入射辐射透明的材料。例如，电致动层102可以是锆钛酸铅镧陶瓷(PLZT，lanthanum modifiedlead titanate zirconate)。或者电极层101为透明的氧化物，例如铟锡氧化物。需要说明的是，对入射辐射透明是指材料对入射辐射的消光系数小于或等于0.1，优选地，小于或等于0.01。示例性地，电极层101的厚度在10nm至几微米。
示例性地，在本申请实施例中，电致动层102包括微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)或压电陶瓷单元。优选地，电致动层102为压电陶瓷单元。例如，电极层101向电致动层102施加正电压使电致动层102伸长，向电致动层102施加负电压使电致动层102缩短。
在本申请进一步地实施方式中，该超表面单元100还包括反射层104。反射层104被设置于电极层101远离电致动层102的一侧，纳米结构103被设置于反射层104远离电极层101的一侧。反射层104使超表面单元104实现对入射辐射的调制与反射。更进一步地，该超表面单元100还包括匹配层105，匹配层105被设置于反射层104远离电极层101的一侧，纳米结构103被设置于匹配层105远离反射层104的一侧。匹配层105用于提高超表面单元100的反射率。
在一种可选的实施方式中，该超表面单元100的周期大于或等于0.3λc，并且小于或等于λc，λc为入射辐射的中心波长。可选地，在波长为940nm时，超表面单元100的周期的范围在280nm～940nm之间，优选地，超表面单元100的周期在400nm～550nm之间。示例性地，纳米结构103的高度为大于或等于0.3λc并且小于或等于2λc。可选地，在波长为940nm时，纳米结构103高度大于或等于280nm并且小于或等于1880nm之间，优选地，纳米结构103的高度在500nm～600nm之间。
在一些可选的实施例中，反射层104的厚度在30nm～200nm之间。在一些示例性的实施方式中，匹配层105厚度在10nm～200nm之间。
因此，本申请实施例的超表面单元通过电极层提供的电场驱动电致动层产生位移，从而带动纳米结构产生高度变化，实现了对单个纳米结构的位置调整。
本申请实施例还提供了一种相位可调超表面，如图2至图7所示，该相位可调超表面包括阵列排布的超表面单元100，。
具体地，超表面通过阵列排布的纳米结构实现对入射辐射的相位、幅度和偏振等特性进行调控。本申请实施例提供的相位可调超表面由阵列排布的超表面单元100构成，通过电致动层102调节超表面单元100的高度改变纳米结构103的高度，从而使超表面表面的纳米结构阵列发生改变。不同的纳米结构阵列对应不同的超表面相位，对入射辐射的调制也不同。本申请实施例提供的相位可调超表面可以是反射式超表面，也可以是透射式超表面。
本申请的一些实施例中，超表面单元100以可密堆积图形的形式阵列排布，从而使纳米结构103位于可密堆积图形的中心和/或顶点。示例性地，如图8至图10所示，前述可密堆积图形包括正六边形、正方形或扇形中的一种或多种。可选地，超表面单元100的周期和前述可密堆积图形的周期可以不同，如图8所示。图8中，可密堆积图形为正六边形，纳米结构103位于正六边形的中心和顶点。
优选地，超表面单元100的周期和前述可密堆积图形相同。优选地，超表面单元100中电极层101、电致动层102、反射层104和匹配层105垂直于纳米结构103的高度轴取得的截面形状为前述可密堆积图形，纳米结构103位于可密堆积图形的中心。例如，超表面单元100中电极层101、电致动层102、反射层104和匹配层105垂直于纳米结构103的高度轴取得的截面形状为正方形或扇形，本申请实施例提供的相位可调超表面的俯视图如图9或图10所示。
当该相位可调超表面的超表面单元100阵列排布时，纳米结构103之间不可避免地存在空隙。纳米结构103之间的空隙可以用空气或其他对入射辐射透明或半透明的填充物质200填充。即，填充物质200包括对入射辐射的消光系数小于或等于0.1的流体。
若纳米结构103之间采用空气填充，则该相位可调超表面的结构和制备工艺简单，生产成本较低。但是，采用空气填充纳米结构103之间的空隙，则该相位可调超表面的色散特性仅由纳米结构103的色散决定，也就是说采用这种结构的相位可调超表面的色散不可调节。
若要实现对本申请实施例提供的相位可调超表面的色散调节，则需要采用非空气的流体填充纳米结构103之间的空隙。优选地，填充物质200为液体。当超表面单元100的高度调节时，填充物质200会流动以填充纳米结构103之间的空隙，而同时填充物质100的上表面平整。此类结构的相位可调超表面的色散特性由纳米结构103和填充物质200的色散特性共同决定，也就是说这种结构的相位可调超表面的色散可以调节。因此，通过对填充物质200的色散特性进行调节，可以实现对本申请实施例所提供的相位可调超表面进行色散调节。需要说明的是，当纳米结构103之间的填充物质200为非空气的流体时，该填充物质200与纳米结构103的折射率差值的绝对值大于或等于0.5。
进一步地，为了通过对超表面单元100的高度调节实现对本申请实施例提供的相位可调超表面的相位进行精确调控，超表面单元100的电致动层102的高度需大于或等于入射辐射的中心波长的10倍。更进一步地，为了使该相位可调超表面的相位调制量程覆盖2π，则电致动层102沿着纳米结构103的位移范围至少满足：
公式(1)中，nF(λc)为填充物质200对入射辐射中心波长的折射率，Δd为电致动层102的最大行程，λc为入射辐射的中心波长。示例性地，入射辐射包括可见光、近红外、中红外或远红外等波段的辐射。
在一些示例性的实施例中，当入射辐射的中心波长为940nm，本申请实施例提供的相位可调超表面的纳米结构103之间采用空气填充时，该相位可调超表面中电致动层102的位移与相位的变化关系如图11所示。由图11可知，该相位可调超表面中超表面单元100的位移与相位调制变化的理论值与数值仿真结果吻合度很高。并且，图11中，该相位可调超表面的相位调制量程覆盖2π。
可以理解的是，本申请实施例中以沿着纳米结构103的高度轴方向压缩电致动层102为正位移，反之，沿着纳米结构103的高度轴方向拉伸电致动层102为负位移；正负只表示位移方向不同。示例性地，所述电致动层102的位移小于或等于500nm。
进一步考虑到纳米结构的形状和尺寸对超表面相位的影响。本申请实施例在以圆柱形结构的纳米结构103为例，展示了在940nm的工作波长下，纳米结构103的直径、电致动层102和入射辐射的相位变化之间的变化关系如图12所示。由图12可知，本申请实施例提供的相位可调超表面通过电致动层102的位移对入射辐射进行的相位调制可以覆盖整个2π相位。
需要说明的是，本申请实施例提供的超表面单元100以及包含其的相位可调超表面采用半导体工艺进行制备。也就是说，本申请实施例提供的相位可调超表面，其初始状态为阵列排布的超表面单元100均处于同一高度。即初始状态的该相位可调超表面为平面基底的超表面。当对本申请实施例提供的相位可调超表面进行相位调控时，其中部分或全部超表面单元100的高度发生变化，此时该相位可调超表面实质上为非平面基底的超表面。
因此，本申请实施例提供的相位可调超表面通过将前述实施例中的超表面单元阵列排布，实现了通过调控超表面单元的高度实现了对整个相位可调超表面的相位进行主动调控；并且，由于每个超表面单元的高度均可调控，使该相位可调超表面可以实现精确调控。
本申请实施例还提供了一种光学系统，如图13至图14所示，该光学系统包括上述任一实施例提供的相位可调超表面。
本申请一种示例的实施方式提供的光学系统为一种变焦反射式超透镜，如图13至图14所示，该变焦反射式超透镜包括本申请任一实施例所提供的相位可调超表面。
该变焦反射式超透镜的工作波长为940nm。其中，该变焦反射式超透镜的超表面单元100是周期为400nm的正四边形。纳米结构103为晶体硅材质的圆柱形结构，该圆柱形结构的高度为400nm，纳米结构103之间采用空气填充。该变焦反射式超透镜还包括匹配层105和反射层104。其中，反射层104的材质为金，厚度为30nm；匹配层105的材质为石英，厚度为20nm。如图13和图14所示，该变焦反射式超透镜中超表面单元100的电致动层102高度不同，对应状态下的该变焦反射式超透镜的焦点不同。
示例性地，将该变焦反射式超透镜的口径设置为2mm。当该变焦反射式超透镜的焦距为6mm时，其沿半径方向的相位如图15所示。当该变焦反射式超透镜的焦距为12mm时，其沿半径方向的如图16所示。图17示出了该变焦反射式超透镜从6mm焦距变焦到12mm焦距时，沿半径方向电致动层102的位移。
综上所述，本申请实施例提供的超表面单元、具有其的相位可调超表面和光学系统，通过设置在电致动层两端的电极层提供的电场使电致动层产生位移，从而带动纳米结构沿着其高度轴产生位移，达到通过调整纳米结构位置实现对该相位可调超表面的相位进行主动调控。本申请实施例提供的相位可调超表面包括阵列排布上述超表面单元，通过调控纳超表面单元实现了对超表面进行大范围的相位调制；并且，由于任意一个超表面单元均可调控，本申请实施例提供的相位可调超表面实现了对相位的精确调控。
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 (27)
1.一种超表面单元(100)，其特征在于，所述超表面单元(100)包括电极层(101)、电致动层(102)和纳米结构(103)；
其中，所述纳米结构(103)为亚波长结构；
所述电致动层(102)的两端设置有所述电极层(101)；所述纳米结构(103)设置于所述电极层(101)远离所述电致动层(102)的一侧；
所述纳米结构(103)被设置于所述电极层(101)远离所述电致动层(102)的一侧；
所述电致动层(102)在所述电极层(101)提供的电场作用下，沿所述纳米结构(103)的高度轴方向位移。
2.如权利要求1所述的超表面单元(100)，其特征在于，所述超表面单元(100)还包括反射层(104)；
其中，所述反射层(104)被设置于所述电极层(101)面向所述入射辐射的一侧；
所述纳米结构(103)被设置于所述反射层(104)远离所述电极层(101)的一侧。
3.如权利要求2所述的超表面单元(100)，其特征在于，所述超表面单元(100)还包括匹配层(105)；
其中，所述匹配层(105)被设置于所述反射层(104)远离所述电极层(101)的一侧；
所述纳米结构(103)被设置于所述匹配层(105)远离所述反射层(104)的一侧。
4.如权利要求1所述的超表面单元(100)，其特征在于，所述超表面单元(100)的周期大于或等于0.3λc，并且小于或等于λc；
λc为入射辐射的中心波长。
5.如权利要求1所述的相位可调超表面，其特征在于，所述纳米结构(103)的高度为大于或等于0.3λc，并且小于或等于λc；
λc为入射辐射的中心波长。
6.如权利要求2所述的超表面单元(100)，其特征在于，所述反射层(104)的厚度大于或等于30nm，并且小于或等于200nm。
7.如权利要求3所述的超表面单元(100)，其特征在于，所述匹配层(105)的厚度大于或等于10nm，并且小于或等于200nm。
8.如权利要求1-7任一所述的超表面单元(100)，其特征在于，所述电致动层(102)包括微机电系统或压电陶瓷单元。
9.如权利要求1-7任一所述的超表面单元(100)，其特征在于，所述电极层(101)和所述电致动层(102)对所述入射辐射的消光系数小于或等于0.1。
10.如权利要求9所述的超表面单元(100)，其特征在于，所述电极层(101)包括铟锡氧化物。
11.如权利要求1-7任一所述的超表面单元(100)，其特征在于，所述电极层(101)的厚度大于10nm。
12.如权利要求1-7任一所述的超表面单元(100)，其特征在于，所述纳米结构(103)包括偏振相关的结构。
13.如权利要求1-7任一所述的超表面单元(100)，其特征在于，所述纳米结构(103)包括偏振不相关的结构。
14.如权利要求1-7任一所述的超表面单元(100)，其特征在于，所述纳米结构(103)的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅。
15.一种相位可调超表面，其特征在于，所述相位可调超表面包括如权利要求1-12任一所述的超表面单元(100)。
16.如权利要求13所述的相位可调超表面，其特征在于，所述超表面单元(100)呈阵列排布。
17.如权利要求15所述的相位可调超表面，其特征在于，所述超表面单元(100)以可密堆积图形的形式阵列排布，以使所述纳米结构(103)位于所述可密堆积图形的中心和/或顶点。
18.如权利要求16所述的相位可调超表面，其特征在于，所述可密堆积图形包括正六边形、正四边形或扇形中的一种或多种。
19.如权利要求16所述的相位可调超表面，其特征在于，所述超表面单元(100)的周期和所述可密堆积图形的周期不同。
20.如权利要求16所述的相位可调超表面，其特征在于，所述超表面单元(100)的周期和所述可密堆积图形的周期相同。
21.如权利要求15-20任一所述的相位可调超表面，其特征在于，所述相位可调超表面还包括填充物质(200)；
所述纳米结构(103)之间的空隙由所述填充物质(200)填充；
其中，所述填充物质(200)包括对所述入射辐射的消光系数小于或等于0.1的流体。
22.如权利要求21所述的相位可调超表面，其特征在于，所述填充物质(200)为空气。
23.如权利要求21所述的相位可调超表面，其特征在于，所述填充物质(200)为非空气的流体；
所述非空气的流体与所述纳米结构(103)的折射率差值的绝对值大于或等于0.5。
24.如权利要求21所述的相位可调超表面，其特征在于，所述电致动层(102)的高度大于或等于所述入射辐射的中心波长的10倍。
25.如权利要求21所述的相位可调超表面，其特征在于，所述电致动层(102)沿所述纳米结构(103)的高度轴的位移至少满足：
其中，nF(λc)为所述填充物质(200)对所述入射辐射中心波长的折射率，Δd为所述电致动层(102)的最大行程，λc为所述入射辐射的中心波长。
26.如权利要求21所述的相位可调超表面，其特征在于，所述电致动层(102)的最大行程小于或等于500nm。
27.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括如权利要求15-26任一所述的相位可调超表面。
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