CN117369028B - 一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面 - Google Patents
一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于几何相位的Sb2Se3‑SiO2可重构光束切换超表面，包括：引入相变材料Sb2Se3，将在晶态和非晶态时的交叉偏振光具有高对比度的第一长方体型和第二长方体型的Sb2Se3相变材料作为超表面超原子，在Sb2Se3相变材料的状态改变后，无需任何外部激励保持此状态，Sb2Se3可直接用作可调谐的超原子，采用P‑B几何相位产生相位突变，第一长方体型和第二长方体型的Sb2Se3超原子交替排布且几何旋转方向相反使其交叉偏振光所附带的相位梯度相反，通过切换Sb2Se3相变材料的状态，从而实现光束切换，通过切换Sb2Se3相变材料的非晶态和晶态，实现高效率交叉偏振光的切换。
Description
技术领域
本发明属于光信号处理技术领域，特别是涉及一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面。
背景技术
近年来，超表面在对光的波前调控方面显示出巨大的潜力。传统光学元件依赖于光传播过程中逐渐积累的相位，而通过在波长范围内引入突变的相位变化，可以观察到这种相位沿界面线性变化的异常反射和折射现象，即广义斯涅尔定律(Generalized Laws ofReflection and Refraction)。超表面是由亚波长尺寸的超原子排列而成的平面阵列，这些超原子的几何结构和空间排列方式可根据目标相位分布而精确设计，能够实现对光场的振幅、相位、偏振态和角动量等参量的灵活调控，在光学成像、光通信、光学微操纵、超构透镜、光切换等领域具有重要的应用价值。
传统的可重构超表面主要依赖机械调控和液晶调控，机械调控主要借助弹性基底或微机电系统，采用机械形变对调控超表面的整体形变或局域应变，达到波前调控的目的，但是机械调控的形变和位移范围有限并且通常用于整体调控，因此器件功能受到限制；液晶调控主要是内部的液晶分子在电场或热场的刺激下呈现不同的排列，可以对经过的电磁波以及邻近纳米单元的谐振进行调控，从而实现对超表面光学性能调控的目的。但由于液晶分子的偏转，响应速度较慢，器件响应时间通常在亚秒到毫秒量级且液晶分子具有一定的厚度，并且不能实现对微纳单元谐振结构的独立调控。相比于机械和液晶调控，相变材料在外部激励下能改变其晶格结构，在相变过程中能够形成巨大的光学调制特性和电阻率差异，可以微化器件的结构，在晶态和非晶态之间可实现纳秒级的快速转换，且多次反复相变稳定。
传统光束切换通常使用光学元件反射镜和光栅来实现，适用于静态或低频的应用，但在需要快速、高精度和大范围的光束切换时，可能会有一些限制。相比之下，光束切换可重构超表面提供了灵活和快速的光束控制方式，因此在一些应用中更具优势。
现有的相变材料大多使用VO2和Ge2Sb2Te5(GST)，但VO2需要连续电压或激光来保持其光学特性，消耗高静态功率，而GST的高光吸收能力，在晶态时消光系数相对于非晶态有显著的提高，严重损害了现有基于相变材料的光切换的性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面，包括：SiO2衬底层和与衬底层的一表面固定连接的结构层；
所述结构层由周期性排布的M个相同的结构单元组成；
所述结构单元包括：纵向排布的第一超原子单元和第二超原子单元；
所述第一超原子单元有N个等距离横向排布的第一长方体型Sb2Se3超原子；
所述第二超原子单元有N个等距离横向排布的第二长方体型Sb2Se3超原子；
从左向右，第一超原子单元中每一个第一长方体型Sb2Se3超原子相对前一个第一长方体型Sb2Se3超原子按顺时针旋转角度Δα，以使得第一超原子单元中最后一个第一长方体型Sb2Se3超原子相对于第一个第一长方体型Sb2Se3超原子转动180°；
从左向右，第二超原子单元中每一个第二长方体型Sb2Se3超原子相对前一个第二长方体型Sb2Se3超原子按逆时针旋转角度Δα，以使得第二超原子单元中最后一个第二长方体型Sb2Se3超原子相对于第一个第二长方体型Sb2Se3超原子转动180°。
优选地，所述第一长方体型Sb2Se3超原子的高和第二长方体型Sb2Se3超原子的高相同，所述第一长方体型Sb2Se3超原子的长和宽分别与第二长方体型Sb2Se3超原子长和宽不同。
优选地，所述第一长方体型Sb2Se3超原子的长度、宽度和高度分别为280nm、410nm和850nm，所述第二长方体型Sb2Se3超原子的长度、宽度和高度分别为140nm、350nm和850nm。
优选地，当第一长方体型Sb2Se3超原子处于非晶态时，当左旋或右旋圆偏振光入射到所述第一长方体型Sb2Se3超原子上时，透射光转变为右旋或左旋圆偏振光；当第一长方体型Sb2Se3超原子处于晶态时，当左旋或右旋圆偏振光入射到所述第一长方体型Sb2Se3超原子上时，透射光仍为左旋或右旋圆偏振光；第二长方体型Sb2Se3超原子处于非晶态时，左旋或右旋圆偏振光入射到所述第二长方体型Sb2Se3超原子上时，透射光仍为左旋或右旋圆偏振光；当第二长方体型Sb2Se3超原子处于晶态时，左旋或右旋圆偏振光入射到所述第二长方体型Sb2Se3超原子上时，透射光转变为右旋或左旋圆偏振光；所述超表面器件在垂直的圆偏振光入射下，透射的圆偏振光遵循广义的斯涅耳定律。
优选地，超表面的入射与透射规律通过广义的斯涅尔定律进行计算：
其中，θt表示折射光的折射角度，θi表示入射光的入射角度，Δα为相邻超原子之间的旋转角度，nt为透射介质的有效介电常数，ni为入射介质的有效介电常数，k0为自由空间波矢，x为表示第一超原子单元和第二超原子单元中相邻超原子之间的间隔距离。
优选地，超表面器件按照波长1550nm设计。
本发明至少具有以下有益效果
本发明提出引入非易失性且低损耗相变材料Sb2Se3，将其在晶态和非晶态时交叉偏振光具有高对比度的A型结构(第一长方体型Sb2Se3超原子)和B型结构(第二长方体型Sb2Se3超原子)的Sb2Se3相变材料作为超表面超原子，利用其非易失性和消光系数几乎为零的特点，在Sb2Se3相变材料的状态改变后，无需任何外部激励保持此状态，且对光的吸收损耗较小，Sb2Se3可直接用作可调谐的超原子，采用Pancharatnam-Berry(P-B)贝里相位产生相位突变，A型和B型Sb2Se3超原子交替排布且几何旋转方向相反使其交叉偏振光所附带的相位梯度相反，异常折射角度也相反，通过切换Sb2Se3相变材料的状态，从而实现光束切换，因此，本发明可以实现单个超表面实现的光学微操纵能够实现多种类光场的产生，通过切换Sb2Se3相变材料的非晶态和晶态，实现高效率交叉偏振光的切换。
附图说明
图1为本发明可重构光束切换超表面的结构示意图；
图2为本发明第一长方体型Sb2Se3超原子和第二长方体型Sb2Se3超原子的实施结构示意图；
图3为本发明可重构光束切换超表面的实施示意图；
图4为本发明可重构光束切换超表面的实施示意图；
图5为本发明可重构光束切换超表面的实施示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1，本发明提供一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面，包括：SiO2衬底层和与衬底层的一表面固定连接的结构层；
所述结构层由周期性排布的M个相同的结构单元组成；
所述结构单元包括：纵向排布的第一超原子单元和第二超原子单元；
所述第一超原子单元有N个等距离横向排布的第一长方体型Sb2Se3超原子；
所述第二超原子单元有N个等距离横向排布的第二长方体型Sb2Se3超原子；
从左向右，第一超原子单元中每一个第一长方体型Sb2Se3超原子相对前一个第一长方体型Sb2Se3超原子按顺时针旋转角度Δα，以使得第一超原子单元中最后一个第一长方体型Sb2Se3超原子相对于第一个第一长方体型Sb2Se3超原子转动180°；
从左向右，第二超原子单元中每一个第二长方体型Sb2Se3超原子相对前一个第二长方体型Sb2Se3超原子按逆时针旋转角度Δα，以使得第二超原子单元中最后一个第二长方体型Sb2Se3超原子相对于第一个第二长方体型Sb2Se3超原子转动180°。
在本实施例中对超表面超原子结构参数的选择，在1550nm波长下，长度和宽度不同的A型结构和B型结构的Sb2Se3超原子在晶态和非晶态时交叉偏振光具有高对比度。A型和B型Sb2Se3超原子交替排布且几何旋转方向相反使其交叉偏振光所附带的相位梯度相反，异常折射角度也相反，通过切换Sb2Se3相变材料的状态，从而实现光束切换。由于Sb2Se3相变材料的非易失性，即在晶态和非晶态的时候本身都比较稳定，不需要额外的能量来维持，在晶态和非晶态之间可实现纳秒级的快速转换，可实现多次稳定反复相变。
优选地，所述第一长方体型Sb2Se3超原子的高和第二长方体型Sb2Se3超原子的高相同，所述第一长方体型Sb2Se3超原子的长和宽分别与第二长方体型Sb2Se3超原子长和宽不同。
请参阅图2，优选地，所述第一长方体型Sb2Se3超原子的长度、宽度和高度分别为280nm、410nm和850nm，所述第二长方体型Sb2Se3超原子的长度、宽度和高度分别为140nm、350nm和850nm。
在本实施例中，上层Sb2Se3结构采用长度和宽度不同的A型和B型的“长方体”超原子结构，衬底是二氧化硅衬底，上层Sb2Se3结构通过几何旋转使交叉偏振光产生相位延迟，并覆盖2π相位。
请参阅图3，在设计过程中，引入非易失性且低损耗相变材料Sb2Se3，在1550nm波长下，将其在晶态和非晶态时交叉偏振光具有高对比度的A型结构和B型结构的Sb2Se3相变材料作为超表面超原子。利用其非易失性和消光系数几乎为零的特点，在Sb2Se3相变材料的状态改变后，无需任何外部激励保持此状态，且对光的吸收损耗较小，Sb2Se3可直接用作可调谐的超原子。Sb2Se3超原子的左侧面与水平面为θ，当左/右圆偏振(LCP(Left CircularlyPolarized)/RCP(Right Circularly Polarized))入射光沿+z方向传播时，输出光场可以表示为：
其中“±”用于区分光的偏振。α是传播常数，可以表示为α＝t0±te，其中t0和te表示沿光学快轴和慢轴的复透射系数，由超原子的材料和结构决定(“+”表示交叉偏振，“-”表示共偏振)，入射光LCP/RCP经过几何旋转的超原子后分为两个偏振光。同样的偏振光只有振幅调制。交叉偏振光不仅具有幅值调制，而且具有2θ的相位调制。当角θ从0变为π时，相应的相位调制理论上可以覆盖0～2π的整个范围。
在设计Sb2Se3超原子参数时，在1550nm波长下，长度和宽度不同的A型结构和B型结构的Sb2Se3超原子在晶态和非晶态时交叉偏振光具有高对比度。由于相变材料Sb2Se3在1550nm波长下非晶态和晶态都具有的几乎为零的消光系数特性，光几乎无损耗。A型结构的Sb2Se3超原子在非晶态时具有很高的交叉偏振光，交叉偏振转化率约为95.7％，在晶态时共偏振光约占89.6％，有很少的交叉偏振光，相反B型结构的Sb2Se3超原子在非晶态时共偏振光约占92.9％，在晶态时具有很高的交叉偏振光，交叉偏振转化率约为99.7％。
在所述的基于P-B相位产生相位突变使交叉偏振光附带相位，可重构透射超表面的设计，采用了Sb2Se3-SiO2的结构，上层是两种不同结构参数的Sb2Se3的长方体型超原子，下层是SiO2的衬底。起到偏振转换作用的主要是最上层的Sb2Se3超原子，使交叉偏振光产生相位延迟。
优选地，当第一长方体型Sb2Se3超原子处于非晶态时，当左旋或右旋圆偏振光入射到所述第一长方体型Sb2Se3超原子上时，透射光转变为右旋或左旋圆偏振光；当第一长方体型Sb2Se3超原子处于晶态时，当左旋或右旋圆偏振光入射到所述第一长方体型Sb2Se3超原子上时，透射光仍为左旋或右旋圆偏振光；第二长方体型Sb2Se3超原子处于非晶态时，左旋或右旋圆偏振光入射到所述第二长方体型Sb2Se3超原子上时，透射光仍为左旋或右旋圆偏振光；当第二长方体型Sb2Se3超原子处于晶态时，左旋或右旋圆偏振光入射到所述第二长方体型Sb2Se3超原子上时，透射光转变为右旋或左旋圆偏振光；所述超表面器件在垂直的圆偏振光入射下，透射的圆偏振光遵循广义的斯涅耳定律。
广义斯涅尔定律表明水平方向的线性相位梯度将导致透射光的反常偏折效应，产生附加的偏折角，即垂直入射的光照射到具有相位梯度的超表面时将不会垂直出射，而是产生偏折，有一定的出射角。根据这一原理，通过在超表面的表层刻蚀以几何相位旋转变化的超原子，使交叉偏振光在超表面一个周期单元内形成沿着超表面方向的相位梯度，经过这类超表面反射的光束将会产生反常透射现象，带有附加的出射角。通过设计这类相位梯度超表面大周期结构，可以灵活精确地调控超表面的工作波长，光束的反常偏折角，从而实现对光束传播方向灵活控制。
附图4为本实施例所提的当Sb2Se3在处于晶态和非晶态时，顺时针排布的A型结构和逆时针排布的B型结构的超原子透射光的示意图。本发明设计了一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面，利用旋转几何相位设计了一种交替排布的Sb2Se3相变材料柱形天线的透射型相位梯度超表面。在1550nm波长下，长度和宽度不同的A型结构和B型结构的Sb2Se3超原子在晶态和非晶态时交叉偏振光具有高对比度。由于相变材料Sb2Se3在1550nm波长下非晶态和晶态都具有的几乎为零的消光系数特性，光几乎无损耗。A型结构的Sb2Se3超原子在非晶态时具有很高的交叉偏振光，交叉偏振转化率约为95.7％，在晶态时共偏振光约占89.6％，有很少的交叉偏振光，相反B型结构的Sb2Se3超原子在非晶态时共偏振光约占92.9％，在晶态时具有很高的交叉偏振光，交叉偏振转化率约为99.7％。因为A结构参数的超原子以顺时针几何相位排布，B结构参数的超原子以逆时针几何相位排布，所以当Sb2Se3处于非晶态时，A结构参数的超原子具有很高的交叉偏振光且附带正相位梯度，B结构参数的超原子大部分都为共偏振光且无附带相位梯度，因此只有A结构参数的超原子产生异常透射光；当Sb2Se3处于晶态时，由于B结构参数的超原子具有很高的交叉偏振光且附带负相位梯度，A结构参数的超原子大部分都为共偏振光且无附带相位梯度，因此只有B结构参数的超原子产生异常透射光。由于附带的相位梯度相反，所以晶态时B结构参数的超原子产生的异常透射光与非晶态时A结构参数的超原子产生的异常透射光出射方向相反。
优选地，超表面的入射与透射规律通过广义的斯涅尔定律进行计算：
其中，θt表示折射光的折射角度，θi表示入射光的入射角度，Δα为相邻超原子之间的旋转角度，nt为透射介质的有效介电常数，ni为入射介质的有效介电常数，k0为自由空间波矢，x为表示第一超原子单元和第二超原子单元中相邻超原子之间的间隔距离。
附图5为本实施例所提的基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面整体结构示意及光束转换示意图。图5(a)为，在1550nm左圆偏振光入射下，当Sb2Se3处于非晶态时，透射光会产生由A结构参数的超原子产生异常透射光，和B结构参数的超原子产生共偏振光；图5(b)为，在1550nm左圆偏振光入射下，当Sb2Se3处于晶态时，透射光会产生由B结构参数的超原子产生异常透射光，和A结构参数的超原子产生共偏振光。综上，当在Sb2Se3相变材料非晶态和晶态之间切换时，可实现光束的切换。
优选地，超表面器件按照波长1550nm设计。
综上所述，本发明提出引入非易失性且低损耗相变材料Sb2Se3，将其在晶态和非晶态时交叉偏振光具有高对比度的A型结构(第一长方体型Sb2Se3超原子)和B型结构(第二长方体型Sb2Se3超原子)的Sb2Se3相变材料作为超表面超原子，利用其非易失性和消光系数几乎为零的特点，在Sb2Se3相变材料的状态改变后，无需任何外部激励保持此状态，且对光的吸收损耗较小，Sb2Se3可直接用作可调谐的超原子，采用Pancharatnam-Berry(P-B)贝里相位产生相位突变，A型和B型Sb2Se3超原子交替排布且几何旋转方向相反使其交叉偏振光所附带的相位梯度相反，异常折射角度也相反，通过切换Sb2Se3相变材料的状态，从而实现光束切换，因此，本发明可以实现单个超表面实现的光学微操纵能够实现多种类光场的产生，通过切换Sb2Se3相变材料的非晶态和晶态，实现高效率交叉偏振光的切换。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面，其特征在于，包括：SiO2衬底层和与衬底层的一表面固定连接的结构层；
所述结构层由周期性排布的M个相同的结构单元组成；
所述结构单元包括：纵向排布的第一超原子单元和第二超原子单元；
所述第一超原子单元有N个等距离横向排布的第一长方体型Sb2Se3超原子；
所述第二超原子单元有N个等距离横向排布的第二长方体型Sb2Se3超原子；
从左向右，第一超原子单元中每一个第一长方体型Sb2Se3超原子相对前一个第一长方体型Sb2Se3超原子按顺时针旋转角度Δα，以使得第一超原子单元中最后一个第一长方体型Sb2Se3超原子相对于第一个第一长方体型Sb2Se3超原子转动180°；
从左向右，第二超原子单元中每一个第二长方体型Sb2Se3超原子相对前一个第二长方体型Sb2Se3超原子按逆时针旋转角度Δα，以使得第二超原子单元中最后一个第二长方体型Sb2Se3超原子相对于第一个第二长方体型Sb2Se3超原子转动180°。
2.根据权利要求1所述的一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面，其特征在于，所述第一长方体型Sb2Se3超原子的高和第二长方体型Sb2Se3超原子的高相同，所述第一长方体型Sb2Se3超原子的长和宽分别与第二长方体型Sb2Se3超原子长和宽不同。
3.根据权利要求1所述的一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面，其特征在于，所述第一长方体型Sb2Se3超原子的长度、宽度和高度分别为280nm、410nm和850nm，所述第二长方体型Sb2Se3超原子的长度、宽度和高度分别为140nm、350nm和850nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面，其特征在于，当第一长方体型Sb2Se3超原子处于非晶态时，当左旋或右旋圆偏振光入射到所述第一长方体型Sb2Se3超原子上时，透射光转变为右旋或左旋圆偏振光；当第一长方体型Sb2Se3超原子处于晶态时，当左旋或右旋圆偏振光入射到所述第一长方体型Sb2Se3超原子上时，透射光仍为左旋或右旋圆偏振光；第二长方体型Sb2Se3超原子处于非晶态时，左旋或右旋圆偏振光入射到所述第二长方体型Sb2Se3超原子上时，透射光仍为左旋或右旋圆偏振光；当第二长方体型Sb2Se3超原子处于晶态时，左旋或右旋圆偏振光入射到所述第二长方体型Sb2Se3超原子上时，透射光转变为右旋或左旋圆偏振光；所述超表面在垂直的圆偏振光入射下，透射的圆偏振光遵循广义的斯涅耳定律。
5.根据权利要求3所述的一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面，其特征在于，超表面的入射与透射规律通过广义的斯涅尔定律进行计算：
其中，θt表示折射光的折射角度，θi表示入射光的入射角度，Δα为相邻超原子之间的旋转角度，nt为透射介质的有效介电常数，ni为入射介质的有效介电常数，k0为自由空间波矢，x为表示第一超原子单元和第二超原子单元中相邻超原子之间的间隔距离。
6.根据权利要求3所述的一种基于几何相位的Sb2Se3-SiO2可重构光束切换超表面，其特征在于，超表面按照波长1550nm设计。
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