CN116466418A - 一种时空减反膜及抗反射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时空减反膜及抗反射系统，本发明的时空减反膜包括：非线性介质，非线性介质在目标光源的倾斜照射下产生折射率的移动变化，并实现动态界面，以减少入射波由入射介质入射至透射介质时的反射。本发明的时空减反膜通过目标光源倾斜照射非线性介质，使非线性介质产生折射率的移动变化，形成具有动态界面的时空超材料，以减少入射波由入射介质入射至透射介质时的反射。本发明将无反射从纯空间和纯时间拓展到时空领域，并利用时空打破空间和时间的平移对称性，实现频率波矢的调控。
Description
技术领域
本发明涉及光学材料领域，尤其是指一种时空减反膜及抗反射系统。
背景技术
当光在两种不同介质之间的界面上传播时，反射现象就会发生。抑制反射对信息转化和传递的实际应用，如谐振器、天线、滤波器和透镜等方面，具有十分重要的意义。目前，就抑制纯空间或纯时间界面上的反射现象而言，布鲁斯特效应和材料涂层等技术已被广泛用。减反膜是减少光-物质相互作用时空间或时间反射的关键技术之一。在包含空间和时间的维度上，不同介质之间的时空界面会自然的产生反射现象，这对信息的传播是不利的。如何消除时空界面上的反射目前仍然是极其棘手的。
光的反射指光与物质相互作用时，由于界面两旁介质的阻抗不匹配，光的传播方向发生变化又返回原来介质中的现象。在许多光学系统中，减少反射是非常需要的。传统的光学减小反射是利用不同波长范围内的单层或多层介电薄膜和渐变折射率表面结构来实现的。这些方法不仅要求要具有非平面的表面，还会涉及到复杂的制造工艺和集成器件。因此，需要一种新的减反方案来解决上述问题。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构合理的时空减反膜。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种时空减反膜，用于设置在入射介质和透射介质之间，该时空减反膜包括：
非线性介质，所述非线性介质在目标光源的倾斜照射下产生折射率的移动变化，形成具有动态界面的时空超材料，以减少入射波由入射介质入射至所述透射介质时的反射。
在本发明的一个实施例中，入射波由入射介质入射至所述时空超材料后，全部透射至所述透射介质。
在本发明的一个实施例中，入射波由入射介质入射至所述时空超材料后，全部透射至所述透射介质时，所述时空超材料满足以下条件：
其中，n2为时空超材料的折射率，n1为入射介质的折射率，n3为透射介质的折射率，a为奇数，Δx为非线性介质在空间域的厚度，λ为入射波的波长，β为归一化的动态界面速度。
在本发明的一个实施例中，所述非线性介质在目标光源的倾斜照射下产生折射率的移动变化Δn，满足：
Δn＝NI
其中，N为非线性介质的折射率系数，I为目标光源的光强度。
在本发明的一个实施例中，所述目标光源在非线性介质上的入射角为m，m满足：0度<m<90度。
在本发明的一个实施例中，所述动态界面为超光速动态界面、光速动态界面或亚光速动态界面。
在本发明的一个实施例中，所述目标光源为泵浦光源。
在本发明的一个实施例中，所述非线性介质为氧化铟锡。
在本发明的一个实施例中，所述非线性介质上设置有减速介质，所述目标光源由所述减速介质照射至所述非线性介质，以降低所述动态界面的速度。
本发明提供了一种抗反射系统，其包括上述任一所述的时空减反膜以及所述目标光源；所述非线性介质在目标光源的倾斜照射下产生折射率的移动变化，形成具有动态界面的时空超材料，以减少入射波由入射介质入射至所述透射介质时的反射。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明的时空减反膜通过目标光源倾斜照射非线性介质，使非线性介质产生折射率的移动变化，形成具有动态界面的时空超材料，以减少入射波由入射介质入射至透射介质时的反射。本发明将无反射从纯空间和纯时间拓展到时空领域，并利用时空打破空间和时间的平移对称性，实现频率波矢的调控。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是时空体系下亚光速界面介质和超光速界面介质中波的散射行为示意图；
图2是本发明一实施例中空减反膜对平面波激发的场分布的影响图；
图3是本发明一实施例中时空减反膜对窄带脉冲激发的磁场分布的影响图；
图4是本发明一实施例中时空减反膜实现时空无反射结构图；
图5是本发明一实施例中时空减反膜在ITO(氧化铟锡)材料上的实现结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1，其中，(a)和(b)为时空体系下亚光速界面介质的散射行为示意图，(c)和(d)超光速界面介质中波的散射行为示意图。横坐标x为空间域，纵坐标ct为时间域，格子区域、灰色区域和圆点区域分别对应折射率为n1、n2、n3的介质。入射波、反射波和透射波分别用Ψinc、Ψ-、Ψ+标记。时空减反膜的厚度在空间域为Δx，在时空域为d。
由于时变介质一般可分为两种，即移动界面介质和移动物质介质，虽然这两种构型的电磁响应不同，但经过适当的洛伦兹变换后，它们可以相互切换。为了便于实际实现，这里主要讨论移动物质介质。在不失一般性的前提下，我们考虑折射率分别记为n1和n3的两种介质之间的动态界面。动态界面沿x轴以速度vb匀速运动，而各介质中的分子/原子保持静止。入射光沿x轴传播，与动态界面相互作用。
不同的折射率导致两种介质之间的阻抗不匹配，不可避免地产生反射。为了完整起见，我们这里考虑两种经典的动态界面，即亚光速和超光速界面。对于亚光速界面，反射波和透射波在动态界面的两侧(如图1中(a)所示)。对于超光速界面，由于因果关系，反射波和透射波共存于动态界面的同一侧(如图1中(c)所示)。在动态界面中加入时空超材料(如图1中(b)和(d)所示)，上述散射特性会有显著的改变。该超材料的时空厚度为d，厚度d在空间域上的投影为Δx。当d和n经过精心设计时，反射波会消失。我们将这样一种超材料定义为时空减反膜。由于空间和时间上平移对称性的破坏，不同的调制速度会导致色散中模式(ω＝ck/n1，)之间的跃迁。在均匀移动界面介质中，kvb-ω始终是一个守恒量。因此，入射和透射的频率关系如下:
式中，ωinc，ω+分别为入射频率和透射频率，β＝vb/c为真空中归一化为光速的界面速度βsub，βsup。调制速度使透射波的频率变化为然而因为在空间(时间)人造介质中光的散射必须遵循频率(动量)守恒，很难在纯空间或时间人造介质中实现灵活的跃迁。
为要实现时空的减反膜，我们研究了移动界面介质散射的反射波的反射系数。通过施加一维时空边界条件即:
其中,分别为电场、电位移、磁通量密度、磁场，/>为从介质j到介质i的单位矢量。在一维情况下，假设电场和电位移沿y轴极化，即而磁通密度和磁场沿z轴极化，即/>和/>如果没有添加时空超材料，该结构的反射系数为：
无论调制速度如何，亚光速和超光速界面反射波的反射系数都不能为零。然而，在折射率为n2的时空超材料存在的情况下，该结构的反射系数为：
若要使亚光速界面和超光速界面介质中的反射系数减小到零，要满足以下条件：
其中，n2为时空超材料的折射率，n1为入射介质的折射率，n3为透射介质的折射率，a为奇数，Δx为非线性介质在空间域的厚度，λ为入射波的波长，β为归一化的动态界面速度。
基于上述理论，本发明公开了一种时空减反膜，用于设置在入射介质和透射介质之间，其包括：
非线性介质，所述非线性介质在目标光源的倾斜照射下产生折射率的移动变化，形成具有动态界面的时空超材料，以减少入射波由入射介质入射至所述透射介质时的反射。进一步地，入射波由入射介质入射至所述动态界面后，全部透射至所述透射介质。其中，所述目标光源在非线性介质上的入射角为m，m满足：0度<m<90度。
为了验证本发明的有效性，在一具体实施例中，入射波采用平面波，考察时空减反膜对磁场分布的影响。这里，本发明将三种介质的折射率分别设置为n1，n3和时空减反膜的厚度设为a＝1，亚光速界面设为β＝0.2，超光速界面设为β＝1.25。在没有加入时空减反膜时，反射波在亚光速体系(超光速体系)清晰可见(如图2中(a)、(d)和图(c)、(f)顶部的时空场分布)。将所设计的时空减反膜置于动态界面时，从图2中(b),(e)和图(c),(f)的底部中消失的干涉图案可以看出，反射波被完全消除。图2中，(a)、(b)为β＝0.2无/有减反膜时的时空场分布；(c)为β＝0.2和ct＝1μm处的场分布(如图2中(a)和(b)中黑色实线所示)；(d)、(e)为β＝1.25时，无/有减反膜时的时空场分布；(f)为β＝1.25和x＝5μm处的场分布(由(d)和(e)中的黑色实线表示)。黑色虚线表示不同介质之间的动态界面，格子区域、灰色区域和圆点区域分别对应折射率为n1、n2、n3的介质。(c)和(f)中的灰色区域对应的是时空减反膜。
图3表明，所提出的时空减反膜也适用于窄带脉冲。采用时域有限差分方法计算高斯脉冲激发的场分布。其中，时空减反膜应用于亚光速体系(图3中(b))或超光速体系(图3中(d))，反射会被显著抑制。相比之下，在不使用时空减反膜的情况下，反射波在亚光速体系(图3中(a))和超光速体系(图2中(c))界面上可以明显区分。
图3中(e)-(h)也证明了本发明所提出的方案还可以实现高效的频率和波矢转换。在β＝0.2的亚光速体系中，透射频率和波矢分别变为1.33finc和2.67kinc(如图3中(f)所示)。在超光速体系下，透射频率和波矢分别变为0.17finc和0.33kinc(见图3中(h))。这里要注意的是，转换信号的强度比入射信号的强度要高得多，但利用常规技术实现如此高效的频率和波矢转换是具有很大挑战性的。图3中，(a)、(b)为β＝0.2时，有无减反膜的时空场分布；(c)、(d)为β＝1.25时，无/有减反膜时的时空场分布；(e)-(h)为倒数域(a)-(d)场的强度分布，下方虚线是对应情况的色散曲线。圆形、三角形和正方形的点分别表示入射波、反射波和透射波的强度。
为了证明本发明时空减反膜的可行性，本发明在非线性介质——氧化铟锡(ITO)中实现了它。在非线性介质中，由于克尔效应，在合适强度的泵浦光束照射下，可以引起折射率的移动变化Δn(Δn＝NI，其中N为非线性介质的折射率系数，I为目标光源的光强度)，从而实现速度为vb＝-c/cosθ的界面运动。当泵浦光以一定角度斜入射于氧化铟锡(ITO)表面时，动态界面可以实现超光速运动，即β＝-1/cosθ。如图4所示，泵浦光以入射角m＝90°-θ，强度Ipump,1(t)，Ipump,2(t)入射到氧化铟锡(ITO)板(n1)，实现及超光速动态界面。当时空减反膜(n2)的空间厚度Δx调到适当值时可以完全抑制反射。这里，我们设置θ为60°，则有β＝-2。因为该非线性材料的折射率系数达到～10-10m2/W，此时泵浦光的强度～109W/m2，则有n2＝1.2497+0.01i，n3＝1.5845+0.01i。如图5中(b)所示，当时空减反膜的厚度调到图5中(a)中的A值时(即Δx＝3.1622μm)，反射被充分抑制。入射波通过该结构后产生的频率和波矢分别为0.0426finc和0.5871kinc。综上，在利用时空减反膜(氧化铟锡(ITO))实现时空无反射的同时也可以实现高效的频率波矢转换。
进一步地，所述动态界面为超光速动态界面、光速动态界面或亚光速动态界面。当泵浦光以一定角度斜直接入射于氧化铟锡(ITO)表面时，动态界面可以实现超光速运动。当需要降低所述动态界面的速度，实现光速动态界面或亚光速动态界面时，可在所述非线性介质上设置减速介质，所述目标光源由所述减速介质照射至所述非线性介质，以降低所述动态界面的速度。
其中，在图4中，以氧化铟锡(ITO)为主要材料，强度为Ipump,1(t)，Ipump,2(t)的泵浦光束以90°-θ斜入射照射ITO分别产生新折射率n2，n3，其中时空减反膜的空间厚度为Δx。入射波、反射波和透射波分别用Ψinc、Ψ-、Ψ+标记。
其中，在图5中，(a)为反射系数与空间厚度的关系。插图显示了实验装置的原理图。两个泵浦光以90°-θ角从ITO上的自由空间入射。两种光束分别对应强度为Ipump,1和Ipump,2的泵浦光。点A的位置对应|R|＝0；(b)为窄带脉冲激发的时空场分布。插图分别显示了在固定位置x0处泵浦光随时间变化的介电常数和强度分布的简化图。泵浦光的θ＝60°，入射波长为1μm。
本发明的时空减反膜通过目标光源倾斜照射非线性介质，使非线性介质产生折射率的移动变化，形成具有动态界面的时空超材料，以减少入射波由入射介质入射至透射介质时的反射。本发明将无反射从纯空间和纯时间拓展到时空领域，并利用时空打破空间和时间的平移对称性，实现频率波矢的调控。
本发明一实施例还提供了一种抗反射系统，其包括上述实施例中所述的时空减反膜以及所述目标光源；所述非线性介质在目标光源的倾斜照射下产生折射率的移动变化，并实现动态界面，以减少入射波由入射介质入射至所述透射介质时的反射。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种时空减反膜，用于设置在入射介质和透射介质之间，其特征在于，包括：
非线性介质，所述非线性介质在目标光源的倾斜照射下产生折射率的移动变化，形成具有动态界面的时空超材料，以减少入射波由入射介质入射至所述透射介质时的反射。
2.根据权利要求1所述的时空减反膜，其特征在于，入射波由入射介质入射至所述时空超材料后，全部透射至所述透射介质。
3.根据权利要求2所述的时空减反膜，其特征在于，入射波由入射介质入射至所述时空超材料后，全部透射至所述透射介质时，所述时空超材料满足以下条件：
其中，n2为时空超材料的折射率，n1为入射介质的折射率，n3为透射介质的折射率，a为奇数，Δx为非线性介质在空间域的厚度，λ为入射波的波长，β为归一化的动态界面速度。
4.根据权利要求1所述的时空减反膜，其特征在于，所述非线性介质在目标光源的倾斜照射下产生折射率的移动变化Δn，满足：
Δn＝NI
其中，N为非线性介质的折射率系数，I为目标光源的光强度。
5.根据权利要求1所述的时空减反膜，其特征在于，所述目标光源在非线性介质上的入射角为m，m满足：0度<m<90度。
6.根据权利要求1所述的时空减反膜，其特征在于，所述动态界面为超光速动态界面、光速动态界面或亚光速动态界面。
7.根据权利要求1所述的时空减反膜，其特征在于，所述目标光源为泵浦光源。
8.根据权利要求1所述的时空减反膜，其特征在于，所述非线性介质为氧化铟锡。
9.根据权利要求1所述的时空减反膜，其特征在于，所述非线性介质上设置有减速介质，所述目标光源由所述减速介质照射至所述非线性介质，以降低所述动态界面的速度。
10.一种抗反射系统，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的时空减反膜以及所述目标光源；所述非线性介质在目标光源的倾斜照射下产生折射率的移动变化，形成具有动态界面的时空超材料，以减少入射波由入射介质入射至所述透射介质时的反射。
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