CN115542432B - 一种金属-电介质内嵌型超表面及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属‑电介质内嵌型超表面，包括呈单一渐变无源反射单元周期排布的超表面本体，所述超表面本体包括上下布置的顶层内嵌结构和底层反射铝镜。本发明采用上述结构的金属‑电介质内嵌型超表面，在平坦超表面等离子体结构的几何参数变化的基础上增加三维高度变化，产生等离子体模式的界面相移，这种平面光学器件可以模拟与传统光学器件闪耀光栅类似的分束功能，用于宽带反常偏转，有助于在整个可见光频率范围内外同时拥有光栅效应和等离子体相位梯度，进而实现在没有任何交叉偏振效应的情况下为不同的偏振出射波提供完全相反的相位梯度趋势，从而产生与特定光偏振相对应的完全不同方向的多功能反射光束分裂。

Description

一种金属-电介质内嵌型超表面及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光学技术，尤其涉及一种金属-电介质内嵌型超表面及其制备方法。
背景技术
传统光学元件基于几何光学以及衍射光学的原理进行光场调控，如光栅、透镜和波片等相位累积进行光束整形、操纵光的传播。由于物理光学衍射的限制，此类元件通常具有庞大的体积，在波长或者亚波长尺寸上进行光束操纵的性能有限。
针对上述问题，本领域开展了纳米光子学技术相关研究，随着纳米光子学和纳米光学领域的发展，超表面的引入扩展了结构的物理性质，有效促进了对超出衍射极限的光学场的实质性控制。
但是涉及到纳米光子学领域时，实现纳米尺度的光场调控是相当具有挑战性的。传统的二维超表面阵列通过选取适当的材料形成规则结构周期，包含有一系列连续变化又具有独特形状或者几何尺寸(角度、尺寸、间隙宽度)的离散等离子体纳米谐振器。每个离散的纳米谐振器对应于特定的共振相位延迟或振幅调谐，实现沿界面相移调整波前形状。到目前为止，已证明超表面能够实现异常反射和折射、光束分裂、光束聚焦和其他波前成形功能，这些功能可以在可见光、红外、太赫兹和微波频率下工作。
然而，实现具有宽带特性的可见光频段超表面以控制反射光传播仍然是一个相当具有挑战性的问题。这是因为离散纳米天线共振会在窄带频谱区域产生相移工作带宽有限。由于金属结构中等离子体共振对透射光产生强烈的光学损耗(欧姆损耗)，同时离散的多个元原子还使得规则反射/透射光束和其他衍射模式相互干扰产生更多不可控因素。最终欧姆损耗以及模式互扰影响下伴随反射/透射强度逐渐牺牲，导致从入射光束到异常光的转换效率低下。
相较之下，传统光学器件都是规则标准件的制作工艺完备，周期性离散结构超表面的加工制造难度会大。随着纳米制造技术的进步和发展，特别是光刻精度的升级和电子束蒸发等方法的出现，使得器件设计与器件加工兼容问题得到了一定程度的解决。
故急需一种结合传统光学器件和纳米光学的组合技术。
发明内容
为了在空间上探索具有高度变化的超表面并实现多功能的光束偏转性能，验证对于衍射光学与等离子体效应的结合以及不同液浸环境对于光束偏转性能影响，本发明提出了一种全新的超表面结构阵列，空间混合渐变宽度和高度梯度的亲和选择性润湿浸没超表面，由于巧妙地结合了局域表面等离子体共振和光栅衍射，产生宽带可见光的强偏振相关光束转向，使其在平坦型超表面的基础上出现可见光波段的偏转差异，更进一步的，在不同亲和性液体浸泡下出现偏振相关光束偏转。在等离子体或衍射效应激励下，偏转角在不同偏转波长下出现色散偏转，实现了强偏振强亲和性可切换的波束控制行为，强偏振性光束的入射以及不同亲和性溶液润湿条件之间的主动调节，同一超表面的情况下反射光束会呈现不同的光束偏转方向与偏转角度的变化。同时结构功能包括并不限于将来自超表面的反射光切换到两个相反方向，在部分波段实现光束汇聚等功能。从而解决了现有近红外可见光波段传统光学器件体积大，在波长或者亚波长尺寸上进行光束操纵的性能有限以及平坦型超表面离散的结构加工困难，传输转化效率低下的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种金属-电介质内嵌型超表面，包括呈单一渐变无源反射单元周期排布的超表面本体，所述超表面本体包括上下布置的顶层内嵌结构和底层反射铝镜。
优选的，所述顶层内嵌结构为四周包裹有隔离带的渐变梯形台体结构，所述渐变梯形台体结构的底侧与所述底层反射铝镜贴合。
优选的，所述隔离带的材质为疏水疏油的PTFE；
所述隔离带的宽度为500nm、长度为1100nm、厚度为50nm。
优选的，所述渐变梯形台体结构的材质为疏水亲油的PI；
所述渐变梯形台体结构的横截面为正方形，所述渐变梯形台体结构的横截面边长沿腰线垂直横切面由50nm渐变到350nm，所述渐变梯形台体结构的长度为1000nm。
优选的，所述底层反射铝镜的宽度为500nm、长度为1100nm。
基于金属-电介质内嵌型超表面的制备方法，包括以下步骤：
S1、通过琼斯矩阵计算直角梯形纳米谐振器沿宽度变化的相移；
S2、导向梯形的长度保持一致，等效梯度宽度为有限个宽度均匀的纳米棒，通过有限元法对纳米棒纳米谐振器单元进行仿真；
S3、确定超表面相位渐变谐振单元在正交偏振光源入射时的相位和反射系数，分别在不同偏正模式下的建立渐变结构-相位参数库；
S4、组合不同纳米宽度渐变相位变化，对等离子体激元纳米谐振器渐变单元进行物理建模，分别计算空阵列在不同偏振下的远场电场分布、相位和反射角；
S5、调整等离子体超表面模型上滴加液体的极性，在正交的偏振模式光源下经行远场电场分析，计算其对应的远场电场实际效果图；
S6、从相位和电场强度的角度对得到的等离子体基元纳米谐振器单元进行验证。
优选的，所述步骤S2中的纳米棒为均匀大小矩形长条。
优选的，所述步骤S3中的偏正模式包括TE偏振模式和TM偏振模式，入射光波段范围为500-1000nm，垂直入射超表面阵列。
优选的，所述步骤S4中沿长度方向的相位变化等效为相同横截面大小的纳米棒相位；
且所述步骤S4所述的物理建模在进行近红外光束的空间光调制器的光束扫描设计时，超表面的偏转角θr的计算公式为：
Figure GDA0004263670920000041
Figure GDA0004263670920000042
θr和θt分别为反射光的偏转角和透射角，nr和ni分别为反射和入射时介质的折射率，θ和θi为分别是梯形台体斜面倾角和入射光的偏转角度，
Figure GDA0004263670920000043
为超表面上的相位梯度，λ0为入射波长。
优选的，所述步骤S5中滴加的液体包括油性液体和水性溶液，且极性调整具体包括以下步骤：
利用底层反射铝镜表面亲水亲油、顶层内嵌结构的隔离带的疏水疏油以及渐变梯形台体结构的疏水亲油的特性，使用不同亲和性溶液选择性润湿；
当超表面样品静态浸入待测溶液中，顶部保持液面平坦均匀，根据溶液的亲和性不同在纳米尺度上积聚成空间分布，其中亲水性液滴倾向于填充金属上的沟槽表面，由于渐变梯形台体结构的疏水性，最终显示为样本上方的模板化亲水性溶液凸出阵列，而亲油性液滴倾向于填充超表面上整个沟槽，对应渐变梯形台体结构上方依然聚集，最终显示为整个样本上方的亲油性溶液凸出阵列。
本发明的有益效果如下：
(1)空模型能够对于不同偏振光产生不同的偏转效果，从而使得在不同波段的偏转方向和偏转角度不同。
(2)模型滴加不同亲和性溶液在不同偏振模式下的偏转效果不同，从而对于不同波段的偏转差异能够有效区分液体极性。
(3)可见光以及近红外波段范围由于色散能产生异常彩虹斑反射。
(4)特定波段偏振模式下能产生光束汇聚现象。
(5)规则单元结构周期排布结构简单，操作方便适合大规模样品集成。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的三维等离子体超表面阵列结构示意图；
图2为本发明的三维等离子体超表面结构单元结构示意图；
图3为本发明的水性溶液附着超表面示意图结构示意图；
图4为本发明的油性溶液附着超表面示意图结构示意图；
图5为本发明在TE偏振模式下不同入射波长的渐变宽度-反射相位参数库效果图；
图6为本发明在TM偏振模式下不同入射波长的渐变宽度-反射相位参数库效果图；
图7为本发明在入射波长为560nm-730nm的TE偏振模式下的渐变相移图；
图8为本发明在入射波长为560nm-730nm的TE偏振模式下的远场电场图；
图9为本发明在入射波长为560nm-730nm的TE偏振模式下光束反射示意图；
图10为本发明在入射波长为540nm-830nm的TM偏振模式下的渐变相移图；
图11为本发明在入射波长为540nm-830nm的TM偏振模式下的远场电场图；
图12为本发明在入射波长为540nm-830nm的TM偏振模式下光束反射示意图；
图13为本发明在入射波长为730nm-750nm的TM偏振模式下的渐变相移图；
图14为本发明在入射波长为730nm-750nm的TM偏振模式下的远场电场图；
图15为本发明在入射波长为730nm-750nm的TM偏振模式下光束汇聚示意图；
图16为本发明在超表面滴加水性溶液后TE偏振模式下对应波长的远场电场图；
图17为本发明在超表面滴加水性溶液后TE偏振模式下反射示意图；
图18为本发明在超表面滴加水性溶液后TM偏振模式下对应波长的远场电场图；
图19为本发明在超表面滴加水性溶液后TM偏振模式下反射示意图；
图20为本发明在超表面滴加油性溶液后TE偏振模式下对应波长的远场电场图；
图21为本发明在超表面滴加油性溶液后TE偏振模式下反射示意图；
图22为本发明在超表面滴加油性溶液后TM偏振模式下对应波长的远场电场图；
图23为本发明在超表面滴加油性溶液后TM偏振模式下反射示意图。
其中，1、渐变梯形台体结构；2、隔离带；3、底层反射铝镜；4、水性溶液；5、油性溶液。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
图1为本发明的三维等离子体超表面阵列结构示意图；图2为本发明的三维等离子体超表面结构单元结构示意图；图3为本发明的水性溶液附着超表面示意图结构示意图；图4为本发明的油性溶液附着超表面示意图结构示意图，如图1-图4所示，本发明的结构包括呈单一渐变无源反射单元周期排布的超表面本体，所述超表面本体包括上下布置的顶层内嵌结构和底层反射铝镜。
具体的，所述顶层内嵌结构为四周包裹有隔离带的渐变梯形台体结构，所述渐变梯形台体结构的底侧与所述底层反射铝镜贴合。其中，所述隔离带的材质为疏水疏油的PTFE；所述隔离带的宽度为500nm、长度为1100nm、厚度为50nm。所述渐变梯形台体结构的材质为疏水亲油的PI；所述渐变梯形台体结构的横截面为正方形，所述渐变梯形台体结构的横截面边长沿腰线垂直横切面由50nm渐变到350nm，所述渐变梯形台体结构的长度为1000nm，入射光场沿梯形台体的长边和短边激发效果不同，产生强偏振相关的异常偏转效果。优选的，所述底层反射铝镜的宽度为500nm、长度为1100nm，即隔离带的长宽与底层反射铝镜的长宽一致。且由于隔离带和渐变梯形台体结构使用的材料亲和性不同，不同性质的溶液在超表面上聚集的位置不同。环形隔离带聚四氟乙烯特性为疏水疏油，使得液滴不易附着在环形隔离带上，达到相邻结构单元上的溶液离散分布排列。由于聚酰亚胺材质特性为亲油疏水，水性溶液会在梯形凹槽内聚集并凸出表面。极性不同的油性液滴则会充满整个表面凸出表面，由于隔离带的缘故间隔排列有序分布，最终形成有序超表面阵列。即本实施例通过对于材料的选择，能够规范滴加在超表面上液体排布，不同亲和性的溶液在超表面聚集排布的位置不同，会独立有序分布到每一个结构单元。
基于金属-电介质内嵌型超表面的制备方法，包括以下步骤：
S1、通过琼斯矩阵计算直角梯形纳米谐振器沿宽度变化的相移；
S2、导向梯形的长度保持一致，等效梯度宽度为有限个宽度均匀的纳米棒，通过有限元法对纳米棒纳米谐振器单元进行仿真；
优选的，所述步骤S2中的纳米棒为均匀大小矩形长条。
S3、确定超表面相位渐变谐振单元在正交偏振光源入射时的相位和反射系数，分别在不同偏正模式下的建立渐变结构-相位参数库；
优选的，所述步骤S3中的偏正模式包括TE偏振模式和TM偏振模式，入射光波段范围为500-1000nm，垂直入射超表面阵列。
图5为本发明在TE偏振模式下不同入射波长的渐变宽度-反射相位参数库效果图；图6为本发明在TM偏振模式下不同入射波长的渐变宽度-反射相位参数库效果图，如图5和图6所示，可以发现随着矩形纳米棒的宽度增加，在宽带可见区实现从0到2π的剧烈相变覆盖。对于宽带超表面的传输模式，这里使用聚合物层减少光束能量损耗，以增强对反射光的剧烈相位调制。受到与纳米谐振器正交的光偏振激发，同时纳米块的宽度从50nm变为350nm时，沿x轴界面的相移会持续调谐，显示出具有宽带特征的剧烈相位覆盖
图7为本发明在TE偏振模式下不同波长下渐变相移图，图8为本发明在TE偏振模式下对应波长下远场电场图，图9为本发明在TE偏振模式下光束反射示意图，如图7-图9所示，轮廓曲线的梯度表示不同波长的相位梯度，入射光源在橙光(560nm-620nm)之间的范围会常规的反射在右侧正方向。对于相邻的红色(640nm-730nm)范围内的光束则会在叠加等离子体相位的影响和光栅衍射效应的影响下异常偏转在左侧反方向，从而产生如图8所示的远场电场图。图10为本发明在TM偏振模式下不同波长下渐变相移图；图11为本发明在TM偏振模式下对应波长下远场电场图；图12为本发明在TM偏振模式下光束反射示意图，如图10-12所示，对应的在TM偏振模式下时，橙光(540nm-580nm)波段范围内的单调递减的相位梯度，入射的TM偏振波则会在更强的LSPR效应的影响下沿正反射角向右侧传播。另外我们可以发现TM偏振时得到衍射效应的加强，反射光束在近红外(800nm-830nm)被重定向到左侧的负反射角，最终的产生如图11所示的效果示意图。此外，我们发现当入射光源为TM偏振时，在入射波长为730nm-750nm的红光波段会出现奇特的光束汇聚的现象。图13为本发明在入射波长为730nm-750nm的TM偏振模式下的渐变相移图，图14为本发明在入射波长为730nm-750nm的TM偏振模式下的远场电场图，图15为本发明在入射波长为730nm-750nm的TM偏振模式下光束汇聚示意图，如图13所示，相位没有像其他波段出现单调增加或减少的情况，相位有一个先减小后增大的规律。由图14可知，我们可以发现对应的电场同样呈现汇聚的态势。渐变型等离子体谐振器结合了闪耀光栅效应和板间等离子体耦合的机制，创造了效果的多样性和复用功能。最终可以得到如图15所示的光束汇聚现象的示意图，以平面反射超表面实现部分波段的类凹面镜的汇聚效果。
S4、组合不同纳米宽度渐变相位变化，对等离子体激元纳米谐振器渐变单元进行物理建模，分别计算空阵列在不同偏振下的远场电场分布、相位和反射角；
优选的，所述步骤S4中沿长度方向的相位变化等效为相同横截面大小的纳米棒相位；
且所述步骤S4所述的物理建模在进行近红外光束的空间光调制器的光束扫描设计时，超表面的偏转角θr的计算公式为：
Figure GDA0004263670920000091
Figure GDA0004263670920000092
θr和θt分别为反射光的偏转角和透射角，nr和ni分别为反射和入射时介质的折射率，θ和θi为分别是梯形台体斜面倾角和入射光的偏转角度，
Figure GDA0004263670920000093
为超表面上的相位梯度，λ0为入射波长。
且反射光线的偏转角度根据超表面的广义斯涅尔公式以及光栅方程确定。
S5、调整等离子体超表面模型上滴加液体的极性，在正交的偏振模式光源下经行远场电场分析，计算其对应的远场电场实际效果图；
优选的，所述步骤S5中滴加的液体包括油性液体和水性溶液，同时通过对顶层结构材料的选择，可以实现对溶液的空间排布，显示出很强的亲和敏感性；且极性调整具体包括以下步骤：
利用底层反射铝镜表面亲水亲油、顶层内嵌结构的隔离带的疏水疏油以及渐变梯形台体结构的疏水亲油的特性，使用不同亲和性溶液选择性润湿；
当超表面样品静态浸入待测溶液中，顶部保持液面平坦均匀，根据溶液的亲和性不同在纳米尺度上积聚成空间分布，其中亲水性液滴倾向于填充金属上的沟槽表面，由于渐变梯形台体结构的疏水性，最终显示为样本上方的模板化亲水性溶液凸出阵列，而亲油性液滴倾向于填充超表面上整个沟槽，对应渐变梯形台体结构上方依然聚集，最终显示为整个样本上方的亲油性溶液凸出阵列。
S6、从相位和电场强度的角度对得到的等离子体基元纳米谐振器单元进行验证。
本实施例中，对于强亲和性相关的效果演示，分别使用水和常见的有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)进行试验。水滴加在超表面阵列上保持水位平坦，在纳米尺度上形成复杂的水积聚空间分布，进行了方向光谱测量。同时以正交的偏振光源(TE和TM)进行可见光波段的连续光束扫描。
图16为本发明在超表面滴加油性溶液后TE偏振模式下对应波长的远场电场图；图17为本发明在超表面滴加油性溶液后TE偏振模式下反射示意图，TE偏振下会在黄光(560nm-570nm)和橙光(600nm-620nm)的窄带范围内进行偏转，得到如图16所示的远场电场图。TE偏振光受到衍射光栅效应的加强影响，一级光谱闪耀能量最大，零级主极大和其他次要衍射级被显著抑制。同时在LSPR效应的影响下，分别在底层金属和高聚合物导向梯形块较薄一侧以及导向梯形块与水接触界面出现电场强度较高的现象，产生如图17所示的两个窄带波段的偏转电场出现沿左侧反方向偏转的模式。
图18为本发明在超表面滴加油性溶液后TM偏振模式下对应波长的远场电场图；图19为本发明在超表面滴加油性溶液后TM偏振模式下反射示意图，相反当以TM偏振光入射的时候会有明显的差异，进行连续的波段扫描仿真发现光束偏转发生在橙光(550nm-620nm)之间。得到如图18所示的远场电场图，相比之下强的电场强度源于水和高聚物电介质的接触面，反射光束受到LSPR效应的影响正常的偏转向右侧正方向，最终的效果示意图如图19所示。
图20为本发明在超表面滴加油性溶液后TE偏振模式下对应波长的远场电场图；图21为本发明在超表面滴加油性溶液后TE偏振模式下反射示意图；图22为本发明在超表面滴加油性溶液后TM偏振模式下对应波长的远场电场图；图23为本发明在超表面滴加油性溶液后TM偏振模式下反射示意图，调整滴加的溶液，液体在结构表面的分布会出现差异，油性液体DMF会占据整个结构上方的凸起部分且相互隔离。对比干燥的空模型与油滴润湿的潮湿条件，模块化周期排布的油块将在正交偏振光下显著改变电场分布。当样品干燥时，电场会在正交偏振光源下出现不同波段的光束偏转，基于衍射光学以及等离子体光学的相位梯度产生两个方向的偏转。然而，当浸入溶液中时，它可能会随着周围折射率的变化(从1.35到1.87)从梯形的空气凹槽逐渐生长到突出的电介质块，这种地形变化使得沟槽内的共振电场限制更强。对应于TE偏振光源入射时，如图20所示在黄光(560nm-590nm)波段光束正常偏转沿右侧正方向，偏转示意图为21。对应得TM偏振光源入射对于偏转电场的改变是拓宽了偏转频段(560nm-620nm)，远场电场图如图22所示得右侧正方向偏转，右转的光束示意图如图图23所示。可以看到对比两种正交偏振的远场电场图，TE光源下在有机溶剂与导向块接触表面以及导向梯形块的较薄和较厚两侧和底层金属接触面同时发生LSPR诱导的近场热点效应，及其相邻单元之间首尾近场热点的耦合；TM偏振模式下这种近场热点几乎消失，偏转光束有序地在衍射光学的影响下产生类似闪耀光栅的光束偏转，最大的光能量有序偏转向一级光谱方向。
可见光以及近红外波段会在相同结构产生连续渐变的相位梯度，反射光束会在其中的部分波段呈现彩虹色散斑。
因此，本发明采用上述结构的金属-电介质内嵌型超表面，在平坦超表面等离子体结构的几何参数变化的基础上增加三维高度变化，产生等离子体模式的界面相移，这种平面光学器件可以模拟与传统光学器件闪耀光栅类似的分束功能，用于宽带反常偏转，有助于在整个可见光频率范围内外同时拥有光栅效应和等离子体相位梯度，进而实现在没有任何交叉偏振效应的情况下为不同的偏振出射波提供完全相反的相位梯度趋势，从而产生与特定光偏振相对应的完全不同方向的多功能反射光束分裂。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种金属-电介质内嵌型超表面，其特征在于：包括呈单一渐变无源反射单元周期排布的超表面本体，所述超表面本体包括上下布置的顶层内嵌结构和底层反射铝镜；
所述顶层内嵌结构为四周包裹有隔离带的渐变梯形台体结构，所述渐变梯形台体结构的底侧与所述底层反射铝镜贴合；
所述隔离带的材质为疏水疏油的PTFE；
所述隔离带的宽度为500nm、长度为1100nm、厚度为50nm。
2.根据权利要求1所述的金属-电介质内嵌型超表面，其特征在于：所述渐变梯形台体结构的材质为疏水亲油的PI；
所述渐变梯形台体结构的横截面为正方形，所述渐变梯形台体结构的横截面边长沿腰线垂直横切面由50nm渐变到350nm，所述渐变梯形台体结构的长度为1000nm。
3.根据权利要求1所述的金属-电介质内嵌型超表面，其特征在于：所述底层反射铝镜的宽度为500nm、长度为1100nm。
4.基于上述权利要求1-3任一项所述的金属-电介质内嵌型超表面的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、通过琼斯矩阵计算直角梯形纳米谐振器沿宽度变化的相移；
S2、导向梯形的长度保持一致，等效梯度宽度为有限个宽度均匀的纳米棒，通过有限元法对纳米棒纳米谐振器单元进行仿真；
S3、确定超表面相位渐变谐振单元在正交偏振光源入射时的相位和反射系数，分别在不同偏正模式下的建立渐变结构-相位参数库；
S4、组合不同纳米宽度渐变相位变化，对等离子体激元纳米谐振器渐变单元进行物理建模，分别计算空阵列在不同偏振下的远场电场分布、相位和反射角；
S5、调整等离子体超表面模型上滴加液体的极性，在正交的偏振模式光源下经行远场电场分析，计算其对应的远场电场实际效果图；
S6、从相位和电场强度的角度对得到的等离子体基元纳米谐振器单元进行验证。
5.根据权利要求4所述的基于金属-电介质内嵌型超表面的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中的纳米棒为均匀大小矩形长条。
6.根据权利要求4所述的基于金属-电介质内嵌型超表面的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中的偏正模式包括TE偏振模式和TM偏振模式，入射光波段范围为500-1000nm，垂直入射超表面阵列。
7.根据权利要求4所述的基于金属-电介质内嵌型超表面的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中沿长度方向的相位变化等效为相同横截面大小的纳米棒相位；
且所述步骤S4所述的物理建模在进行近红外光束的空间光调制器的光束扫描设计时，超表面的偏转角θr的计算公式为：
Figure FDA0004263670910000021
Figure FDA0004263670910000022
θr和θt分别为反射光的偏转角和透射角，nr和ni分别为反射和入射时介质的折射率，θ和θi为分别是梯形台体斜面倾角和入射光的偏转角度，
Figure FDA0004263670910000023
为超表面上的相位梯度，λ0为入射波长。
8.根据权利要求4所述的基于金属-电介质内嵌型超表面的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中滴加的液体包括油性液体和水性溶液，且极性调整具体包括以下步骤：
利用底层反射铝镜表面亲水亲油、顶层内嵌结构的隔离带的疏水疏油以及渐变梯形台体结构的疏水亲油的特性，使用不同亲和性溶液选择性润湿；
当超表面样品静态浸入待测溶液中，顶部保持液面平坦均匀，根据溶液的亲和性不同在纳米尺度上积聚成空间分布，其中亲水性液滴倾向于填充金属上的沟槽表面，由于渐变梯形台体结构的疏水性，最终显示为样本上方的模板化亲水性溶液凸出阵列，而亲油性液滴倾向于填充超表面上整个沟槽，对应渐变梯形台体结构上方依然聚集，最终显示为整个样本上方的亲油性溶液凸出阵列。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115480325A (zh) * 2022-10-10 2022-12-16 成都信息工程大学 一种用于强偏振光场调控的液浸超表面及其设计方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109444998A (zh) * 2018-11-30 2019-03-08 华中科技大学 一种超表面聚焦透镜
CN112859204A (zh) * 2021-01-11 2021-05-28 郑州航空工业管理学院 基于相变材料Ge2Sb2Te5的可重构超表面隐身斗篷
KR102262913B1 (ko) * 2019-12-31 2021-06-09 광운대학교 산학협력단 편광과 포커싱 제어가 가능한 반파장판 메타표면, 메타렌즈 및 이들의 제조방법

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10816815B2 (en) * 2014-12-10 2020-10-27 President And Fellows Of Harvard College Achromatic metasurface optical components by dispersive phase compensation
CN107045246B (zh) * 2017-03-06 2019-04-30 东南大学 一种可见光波段反射式超表面器件及反射光波长调制方法
WO2020150110A1 (en) * 2019-01-14 2020-07-23 California Institute Of Technology Electrically tunable metasurfaces incorporating a phase change material
CN111007587B (zh) * 2019-11-23 2022-04-12 重庆大学 一种全介质、宽带偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件
CN111045121B (zh) * 2019-12-17 2021-04-30 北京大学 一种偏振控制的表面等离激元双功能超表面及其设计和制备方法
CN214153215U (zh) * 2021-02-04 2021-09-07 郑州航空工业管理学院 基于石墨烯相位梯度超表面的全极化反射型平面超透镜
CN112946793A (zh) * 2021-02-08 2021-06-11 合肥工业大学 基于介质超表面的偏振非依赖宽带消色差器件
CN113466984B (zh) * 2021-06-30 2023-11-17 暨南大学 基于双柱电介质超表面的偏振器件

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109444998A (zh) * 2018-11-30 2019-03-08 华中科技大学 一种超表面聚焦透镜
KR102262913B1 (ko) * 2019-12-31 2021-06-09 광운대학교 산학협력단 편광과 포커싱 제어가 가능한 반파장판 메타표면, 메타렌즈 및 이들의 제조방법
CN112859204A (zh) * 2021-01-11 2021-05-28 郑州航空工业管理学院 基于相变材料Ge2Sb2Te5的可重构超表面隐身斗篷

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