CN117937118A - 全空间编码超表面结构及其模型生成方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种全空间编码超表面结构及其模型生成方法，可以应用于太赫兹通信技术领域。全空间编码超表面结构的一侧为反射空间，另一侧为反射空间。全空间编码超表面结构包括：等间距且均匀地排列的多个超表面结构单元。多个超表面结构单元中的每个超表面结构单元包括第一介质层、第二介质层和第三介质层。入射光线经过超表面结构单元会产生透射波相位和反射波相位。透射波相位与反射波相位互相独立，以实现全空间编码超表面结构在同一入射频率、同一入射偏振态和同一入射方向状态下对透射空间和反射空间进行独立调控。
Description
技术领域
本公开涉及太赫兹通信技术领域，尤其涉及一种全空间编码超表面结构及其模型生成方法。
背景技术
全空间编码超表面结构具有同时调节透射和反射的电磁波波前的能力，并且能够集成多个功能于一个超表面中，因此，全空间编码超表面结构是调控电磁波的理想结构。
目前，相关技术中的全空间编码超表面结构主要分为三类：第一类的全空间编码超表面结构在不同的入射频率下分别实现透射空间和反射空间的独立波前调控；第二类全空间编码超表面结构在不同的入射偏振态下分别实现透射空间和反射空间的独立波前调控；第三类全空间编码超表面结构在不同的入射方向下分别实现透射空间和反射空间的独立波前调控。
在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：上述这三类全空间编码超表面结构均无法在同一入射频率、同一入射偏振态和同一入射方向状态下实现透射空间和反射空间的独立波前调控。
发明内容
鉴于上述问题，本公开提供了全空间编码超表面结构及其模型生成方法。
根据本公开的第一个方面，提供了一种全空间编码超表面结构，上述全空间编码超表面结构的一侧为透射空间，另一侧为反射空间；上述全空间编码超表面结构包括：等间距且均匀地排列的多个超表面结构单元；
上述多个超表面结构单元中的每个超表面结构单元包括第一介质层、第二介质层和第三介质层；其中，上述第一介质层与上述第二介质层的连接方式为粘接，上述第二介质层与上述第三介质层的连接方式为粘接，上述第一介质层的中心轴线、上述第二介质层的中心轴线和上述第三介质层的中心轴线重合；
入射光线经过上述第三介质层、上述第二介质层和上述第一介质层，以在上述透射空间内产生透射光线和透射波相位；入射光线经过上述第三介质层和上述第二介质层，并返回至上述第三介质层，以在上述反射空间内产生反射光线和反射波相位；
上述透射波相位和上述反射波相位是基于上述第一介质层、上述第二介质层和上述第三介质层的尺寸参数确定的，上述透射波相位与上述反射波相位互相独立，以实现上述全空间编码超表面结构对上述透射空间和上述反射空间的独立调控。
根据本公开的实施例，上述第一介质层为第一硅圆柱，上述第二介质层为二氧化硅衬底，上述第三介质层为第二硅圆柱。
根据本公开的实施例，上述第一硅圆柱的尺寸参数包括第一半径，上述二氧化硅衬底的尺寸参数包括长度、宽度和厚度；上述第二硅圆柱的尺寸参数包括第二半径。
根据本公开的实施例，上述多个超表面结构单元包括第一种超表面结构单元、第二种超表面结构单元、第三种超表面结构单元和第四种超表面结构单元；
上述透射波相位与上述反射波相位互相独立包括：
上述第一种超表面结构单元的透射波相位为第一相位，上述第一种超表面结构单元的反射波相位为第一相位；
上述第二种超表面结构单元的透射波相位为第一相位，上述第二种超表面结构单元的反射波相位为第二相位；
上述第三种超表面结构单元的透射波相位为第二相位，上述第三种超表面结构单元的反射波相位为第一相位；
上述第四种超表面结构单元的透射波相位为第二相位，上述第四种超表面结构单元的反射波相位为第二相位。
根据本公开的实施例，在上述第二介质层的尺寸参数确定的情况下，上述透射波相位和上述反射波相位是基于上述第一介质层、上述第二介质层和上述第三介质层的尺寸参数确定的包括：
在上述第一半径为第一数值、第二半径为第二数值的情况下，上述第一种超表面结构单元的透射波相位为第一相位，上述第一种超表面结构单元的反射波相位为第一相位；
在上述第一半径为第三数值、第二半径为第四数值的情况下，上述第二种超表面结构单元的透射波相位为第一相位，上述第二种超表面结构单元的反射波相位为第二相位；
在上述第一半径为第五数值、第二半径为第六数值的情况下，上述第三种超表面结构单元的透射波相位为第二相位，上述第三种超表面结构单元的反射波相位为第一相位；
在上述第一半径为第七数值、第二半径为第八数值的情况下，上述第四种超表面结构单元的透射波相位为第二相位，上述第四种超表面结构单元的反射波相位为第二相位。
根据本公开的实施例，上述全空间编码超表面结构为光栅超表面编码结构，上述光栅超表面编码结构包括多个超表面结构单元；
上述光栅超表面编码结构包括第一透射端和第一反射端，上述光栅超表面编码结构的透射波相位的排布和上述反射波相位的排布不同。
根据本公开的实施例，上述全空间编码超表面结构为菲涅尔透镜超表面编码结构，上述菲涅尔透镜超表面编码结构包括多个超表面结构单元；
上述菲涅尔透镜超表面编码结构包括第二透射端和第二反射端，上述菲涅尔透镜超表面编码结构的透射波相位的排布和上述反射波相位的排布不同。
根据本公开的实施例，上述多个超表面结构单元交替放置在上述菲涅尔透镜超表面编码结构的上述第一介质层的Q个环带和上述第三介质层的R个环带上，其中，Q，R为正整数，且Q≠R。
根据本公开的第二个方面，提供了一种全空间编码超表面结构的模型生成方法，包括：
确定超表面结构单元的形状、材料和尺寸参数；
对上述超表面结构单元的尺寸参数进行扫描，得到透射振幅分布图、透射相位分布图、反射振幅分布图和反射相位分布图；
基于上述透射振幅分布图、上述透射相位分布图、上述反射振幅分布图和上述反射相位分布图，确定透射波相位与反射波相位互相独立的多个超表面结构单元；
其中，多个超表面结构单元中的每个超表面结构单元包括第一介质层、第二介质层和第三介质层；上述透射波相位和上述反射波相位是基于上述第一介质层、上述第二介质层和上述第三介质层的尺寸参数确定的；
基于上述透射波相位与反射波相位互相独立的上述多个超表面结构单元，生成由等间距且均匀地排列的上述多个超表面结构单元组成的全空间编码超表面结构的模型；其中，全空间编码超表面结构的模型包括光栅超表面编码结构的模型和菲涅尔透镜超表面编码结构的模型。
根据本公开的实施例，上述的模型生成方法，还包括：
基于电磁仿真软件对上述全空间编码超表面结构的模型进行仿真，得到上述全空间编码超表面结构的模型的衍射级次分布结果和电场分布图。
根据本公开提供的全空间编码超表面结构及其模型生成方法，全空间编码超表面结构的一侧为透射空间，另一侧为反射空间。全空间编码超表面结构包括：等间距且均匀地排列的多个超表面结构单元。多个超表面结构单元中的每个超表面结构单元包括第一介质层、第二介质层和第三介质层。入射光线经过第三介质层、第二介质层和第一介质层，以在透射空间内产生透射光线和透射波相位。入射光线经过第三介质层和第二介质层，并返回至第三介质层，以在反射空间内产生反射光线和反射波相位。透射波相位和反射波相位是基于第一介质层、第二介质层和第三介质层的尺寸参数确定的，透射波相位与反射波相位互相独立，以实现全空间编码超表面结构在同一入射频率、同一入射偏振态和同一入射方向状态下对透射空间和反射空间的独立调控。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的全空间编码超表面结构的示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的超表面结构单元的结构示意图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的第一种光栅超表面编码结构的衍射级次分布图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的第二种光栅超表面编码结构的衍射级次分布图；
图5示意性示出了根据本公开实施例的第三种光栅超表面编码结构的衍射级次分布图；
图6示意性示出了根据本公开实施例的菲涅尔透镜超表面编码结构的第二反射端的焦距为6mm时的相位分布图；
图7示意性示出了根据本公开实施例的菲涅尔透镜超表面编码结构的电场分布图；
图8示意性示出了根据本公开实施例的图7在x＝0处随z变化的光强的强度分布图；
图9示意性示出了根据本公开实施例的图8中第二反射端的聚焦位置和第二透射端的聚焦位置处的两个光斑沿x方向上的强度分布图。
图10示意性示出了根据本公开实施例的一种全空间编码超表面结构的模型生成方法的流程图。
图11(a)示意性示出了根据本公开实施例的透射振幅分布图；
图11(b)示意性示出了根据本公开实施例的透射相位分布图；
图11(c)示意性示出了根据本公开实施例的反射振幅分布图；以及
图11(d)示意性示出了根据本公开实施例的反射相位分布图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
超表面是一种由亚波长金属或电介质组件制成的超薄平面结构，超表面编码结构在太赫兹技术研究领域中备受关注，近年来涌现出了诸多在太赫兹技术研究领域和超表面编码结构相关的研究，例如全息成像、涡旋光束、消色差透镜等。但是，目前大多数超表面编码结构通常只能在纯透射模式下工作、或只能在纯反射模式下工作、或在透射模式下和反射模式下工作具有功能锁定关系，未能充分挖掘剩余的电磁空间，未能充分利用包括透射空间和反射空间的全部电磁空间(简称全空间)。因此，目前在太赫兹技术研究领域，大多数研究将重点聚焦于具有全空间调控能力的超表面编码结构，即全空间编码超表面结构。全空间编码超表面结构具有同时调节透射和反射的电磁波波前的能力，并且能够集成多个功能于一个超表面中，因此，全空间编码超表面结构成为调控电磁波的理想结构。
当前，全空间编码超表面结构主要分为三类：第一类的全空间编码超表面结构在不同的入射频率下分别实现透射空间和反射空间的独立波前调控，例如在较高的入射频率下只能实现透射空间的波前调控，在较低的入射频率下只能实现反射空间的波前调控；第二类全空间编码超表面结构在不同的入射偏振态下分别实现透射空间和反射空间的独立波前调控；第三类全空间编码超表面结构在不同的入射方向下分别实现透射空间和反射空间的独立波前调控全空间编码超表面结构。
但是，上述这三类全空间编码超表面结构均无法在同一入射频率、同一入射偏振态和同一入射方向状态下分别实现透射空间和反射空间的独立波前调控。
为了至少部分地解决相关技术中存在的技术问题，本公开的实施例提供了一种全空间编码超表面结构，可以应用于太赫兹通信技术领域。
根据本公开的实施例，全空间编码超表面结构上会产生相位突变，基于广义斯涅尔定律，可以利用相位突变的梯度进行波前调控，进而在全空间编码超表面结构上产生反常折射和反常反射。入射光线以θi的角度入射，经过存在相位突变梯度的全空间编码超表面结构时，折射率为ni的介质1中的入射光线遇到折射率为nt的介质2时会产生反射角为θr(θr≠θi)的反射光线和折射角为θt的折射光线，该反射角θr和折射角θt并不满足通常的反射定理和折射定理。假设界面上的相位突变量为并且相位突变量/>在水平方向(即x方向)上有一定的梯度分布/>根据费马原理，光线在真空中传播的路径是光程为极值时的路径，由此可以推算出广义折射定理和反射定理：
式中：nt为介质2的折射率；θt为折射角；ni为介质1的折射率；θi为入射角；k为自由空间中电磁波的波数，k＝2π/λ，其中λ为电磁波的波长；为相位突变量/>在x方向上的梯度分布；θr为反射角。
根据本公开的实施例，由公式(1)和公式(2)可知，在介质1的折射率ni、介质2的折射率nt、入射角θi为确定值的情况下，通过改变在界面上相位突变量在水平方向(即x方向)上的梯度分布/> 可以使得折射角θt和反射角θr的取值为任意值，即折射光线和反射光线可以具有任意方向。在梯度分布/>的情况下，公式(1)和公式(2)为通常的折射定理和反射定理，即意味着界面内波矢量的连续性，本领域的技术人员可以理解，在此不做过多赘述。
图1示意性示出了根据本公开实施例的全空间编码超表面结构的示意图。
如图1所示，本公开的实施例提供了一种全空间编码超表面结构100，全空间编码超表面结构100的一侧为透射空间，另一侧为反射空间。全空间编码超表面结构100包括：等间距且均匀地排列的多个超表面结构单元。多个超表面结构单元中的每个超表面结构单元10包括第一介质层11、第二介质层12和第三介质层13。其中，第一介质层11与第二介质层12的连接方式为粘接，第二介质层12与第三介质层13的连接方式为粘接，第一介质层11的中心轴线、第二介质层12的中心轴线和第三介质层13的中心轴线重合。入射光线经过第三介质层13、第二介质层12和第一介质层11，以在透射空间内产生透射光线和透射波相位入射光线经过第三介质层13和第二介质层12，并返回至第三介质层13，以在所述反射空间内产生反射光线和反射波相位。透射波相位/>和反射波相位/>是基于第一介质层11、第二介质层12和第三介质层13的尺寸参数确定的，透射波相位/>与反射波/>相位互相独立，以实现全空间编码超表面结构对透射空间和反射空间的独立调控。
如图1所示，根据本公开的实施例，太赫兹光束从全空间编码超表面结构的上方垂直入射，会分别产生相同偏振的透射波和反射波，透射波具有透射波相位反射波具有反射波相位/>
根据本公开的实施例，透射波相位反射波相位/>是基于第一介质层11、第二介质层12和第三介质层13的尺寸参数确定的。基于传输相位原理，通过调整超表面结构单元的第一介质层11、第二介质层12和第三介质层13的尺寸参数实现透射波相位/>与反射波相位/>互相独立，进而实现全空间编码超表面结构对透射空间和反射空间的独立调控。
根据本公开的实施例，传输相位是由电磁波在传输过程中产生的光程积累带来的相位，因此传输相位的表达式与由光程推导相位的表达式相似：
式中：ψ为传输相位；neff为全空间编码超表面结构的等效折射率；h为电磁波的传输距离，即全空间编码超表面结构的厚度。
根据本公开的实施例，基于传输相位原理和等效介质理论，在电磁波的波长λ和全空间编码超表面结构的厚度h不变的情况下，通过改变超表面结构单元的尺寸参数，从而改变超表面结构单元的占空比，进而改变全空间编码超表面结构的等效折射率neff，使得空间超表面编码结构可以调控传输相位ψ。而且，多个超表面结构单元的厚度为相同的值，有利于降低全空间编码超表面结构的制造成本。
根据本公开的实施例，传输相位ψ可以为透射波相位或反射波相位/>通过第一介质层11、第二介质层12和第三介质层13的尺寸参数来调控透射波相位/>和反射波相位/>透射波相位/>与反射波相位/>互相独立，且基于多个超表面结构单元的空间分布不同，以实现全空间编码超表面结构在同一入射频率、同一入射偏振态和同一入射方向状态下对透射空间和反射空间的独立调控。
图2示意性示出了根据本公开实施例的超表面结构单元的结构示意图。
如图2所示，根据本公开的实施例，超表面结构单元中的第一介质层11为第一硅圆柱，材料为本征高阻硅，介电常数为11.9。第二介质层12为二氧化硅衬底，材料为石英，介电常数为3.75。第三介质层13为第二硅圆柱，材料为本征高阻硅，介电常数为11.9。
根据本公开的实施例，由于集成电路和集成光学器件的制作材料为硅材料，第一介质层11为第一硅圆柱，第二介质层12为二氧化硅衬底，第三介质层13为第二硅圆柱，即第一介质层11、第二介质层12和第三介质层13的制作材料也为硅材料，便于与集成电路和集成光学器件集成，有利于全空间超表面结构实现在小型化和集成化的电磁波全空间调控系统中的应用。
根据本公开的实施例，第一硅圆柱的尺寸参数包括第一半径rd，二氧化硅衬底的尺寸参数包括长度、宽度和厚度；第二硅圆柱的尺寸参数包括第二半径ru。
根据本公开的实施例，第一硅圆柱的尺寸参数还包括第一高度hc，第一高度hc可以为250μm，第二硅圆柱的尺寸参数还包括第二高度，为了便于制造和加工，第二高度可以与第一高度hc相同，即250μm。二氧化硅衬底的长度和宽度可以为130μm，即超表面结构单元的周期P为130μm，二氧化硅衬底的厚度hs可以为150μm。
根据本公开的实施例，在电磁波的波长λ和全空间编码超表面结构的厚度h不变的情况下，即在电磁波的波长λ、第一硅圆柱的第一高度、第二硅圆柱的第二高度和二氧化硅衬底的长度、宽度和厚度hs都不变的情况下，通过改变第一硅圆柱的第一半径rd和第二硅圆柱的第二半径ru，使得全空间编码超表面结构能够实现全空间的1-bit相位编码，进而实现透射空间和反射空间的独立调控。
根据本公开的实施例，多个超表面结构单元包括第一种超表面结构单元、第二种超表面结构单元、第三种超表面结构单元和第四种超表面结构单元。透射波相位与反射波相位/>互相独立包括：第一种超表面结构单元的透射波相位/>为第一相位，第一种超表面结构单元的反射波相位/>为第一相位；第二种超表面结构单元的透射波相位/>为第一相位，第二种超表面结构单元的反射波相位/>为第二相位；第三种超表面结构单元的透射波相位/>为第二相位，第三种超表面结构单元的反射波相位/>为第一相位；第四种超表面结构单元的透射波相位/>为第二相位，第四种超表面结构单元的反射波相位/>为第二相位。
根据本公开的实施例，第一相位可以为0°相位，第二相位可以为180°相位。第一相位也可以为22°相位，第二相位也可以为202°相位。本公开的实施例在此处不做限制，满足第一相位和第二相位的相位差为180°即可。
根据本公开的实施例，第一种超表面结构单元可表示为“00”编码组件；第二种超表面结构单元可表示为“01”编码组件；第三种超表面结构单元可表示为“10”编码组件；第四种超表面结构单元可表示为“11”编码组件。其中，“0”代表超表面结构单元的相位为0°相位，“1”代表超表面结构单元的相位为180°相位。“0”也可以代表超表面结构单元的相位为22°相位，“1”也可以代表超表面结构单元的相位为202°相位。本公开的实施例在此处不做限制，满足“0”和“1”分别代表的超表面结构单元的相位的相位差为180°即可。
根据本公开的实施例，在透射波的振幅和反射波的振幅不变的情况下，通过第一种超表面结构单元、第二种超表面结构单元、第三种超表面结构单元和第四种超表面结构单元，可以实现全空间编码超表面结构在透射波一端的透射波相位和反射波一端的反射波相位/>的任意排列。
根据本公开的实施例，在第二介质层12的尺寸参数确定的情况下，透射波相位反射波相位/>是基于第一介质层11、第二介质层12和第三介质层13的尺寸参数确定的包括：
在第一半径rd为第一数值、第二半径ru为第二数值的情况下，第一种超表面结构单元的透射波相位为第一相位，第一种超表面结构单元的反射波相位/>为第一相位。
在第一半径rd为第三数值、第二半径ru为第四数值的情况下，第二种超表面结构单元的透射波相位为第一相位，第二种超表面结构单元的反射波相位/>为第二相位。
在第一半径rd为第五数值、第二半径ru为第六数值的情况下，第三种超表面结构单元的透射波相位为第二相位，第三种超表面结构单元的反射波相位/>为第一相位。
在第一半径rd为第七数值、第二半径ru为第八数值的情况下，第四种超表面结构单元的透射波相位为第二相位，第四种超表面结构单元的反射波相位/>为第二相位。
根据本公开的实施例，针对透射波相位而言，全空间编码超表面结构的等效折射率neff受第一介质层11、第二介质层12和第三介质层13的尺寸参数影响，在第一介质层11的第一半径rd和第三介质层13的第二半径ru数值互换的情况下，全空间编码超表面结构的等效折射率neff不发生改变，透射振幅和透射波相位不发生改变。因此，第三数值可以等于第二数值，第四数值可以等于第一数值，第七数值可以等于第六数值，第八数值可以等于第五数值。根据本公开的实施例，透射波具有透射波光强，反射波具有反射波光强。
表1示意性示出了根据本公开实施例的第一半径rd、第二半径ru、透射波相位反射波相位/>归一化的透射波光强t和归一化的反射波光强r的数值。
表1
如表1所示，根据本公开的实施例，在第一半径rd为23μm、第二半径ru为39μm的情况下，第一种超表面结构单元的透射波相位为22.15°，第一种超表面结构单元的反射波相位/>为22.60°，第一种超表面结构单元可表示为“00”编码组件。
在第一半径rd为39μm、第二半径ru为23μm的情况下，第二种超表面结构单元的透射波相位为22.15°，第二种超表面结构单元的反射波相位/>为201.71°，第二种超表面结构单元可表示为“01”编码组件。
在第一半径rd为24.5μm、第二半径ru为51.5μm的情况下，第三种超表面结构单元的透射波相位为202.03°，第三种超表面结构单元的反射波相位/>为23.73°，第三种超表面结构单元可表示为“10”编码组件。
在第一半径rd为51.5μm、第二半径ru为24.5μm的情况下，第四种超表面结构单元的透射波相位为202.39°，第四种超表面结构单元的反射波相位/>为200.94°，第四种超表面结构单元可表示为“11”编码组件。
根据本公开的实施例，第一种超表面结构单元的透射波相位第二种超表面结构单元的透射波相位/>分别与第三种超表面结构单元和第四种超表面结构单元的透射波相位/>的相位差为180°。第一种超表面结构单元的反射波相位/>第三种超表面结构单元的反射波相位/>分别与第二种超表面结构单元和第四种超表面结构单元的反射波相位/>的相位差为180°。因此，基于第一种超表面结构单元、第二种超表面结构单元、第三种超表面结构单元和第四种超表面结构单元，可以实现全空间编码超表面结构在透射波一端的透射波相位/>和反射波一端的反射波相位/>的任意排列。
根据本公开的实施例，全空间编码超表面结构为光栅超表面编码结构，光栅超表面编码结构包括多个超表面结构单元，光栅超表面编码结构包括第一透射端和第一反射端，光栅超表面编码结构的透射波相位的排布和反射波相位/>的排布不同。
根据本公开的实施例，光栅方程为：
Dsinθy＝mλ (4)
式中：θy为衍射角；D为光栅的周期；m为衍射级次。
根据本公开的实施例，由于光栅的周期D小于波长的二分之一，电磁波无法有效地散射到空间中，影响光栅超表面编码结构对透射波和反射波的调控效果。因此，将光栅超表面编码结构中的n个超表面结构单元作为一个整体的超单元，即dx＝nP。
根据本公开的实施例，由于0°相位和180°相位，即只有数字比特“0”和“1”，因此光栅的周期D＝2nP，进而可以得到衍射级次m＝1，即光栅超表面编码结构只能产生±1阶衍射，将上述数据代入公式(4)可以得到光栅超表面编码结构的衍射角θy：
根据本公开的实施例，由公式(5)可知，通过改变超表面结构单元的个数n，调控透射波的透射角θt和反射波的反射角θr，即可以将透射波和反射波衍射到不同的角度，实现光束的偏折特性。
根据本公开的实施例，光栅超表面编码结构的第一介质层11的一个超单元中所包含的超表面结构单元的个数与第三介质层13的一个超单元中所包含的超表面结构单元的个数n为3，透射波相位的排布为“000111”，反射波相位/>排布为“000111”。对该光栅超表面编码结构进行远场计算，可以得到光栅超表面编码结构的衍射级次分布图。
图3示意性示出了根据本公开实施例的第一种光栅超表面编码结构的衍射级次分布图。
如图3所示，光栅超表面编码结构的衍射级次分布图中出现了0级光束，即0阶光束，与理论上光栅超表面编码结构只能产生±1阶衍射存在轻微偏差，这是由于光栅超表面编码结构之间存在多光束干涉以及超表面结构单元之间的轻微耦合。
如图3所示，光栅超表面编码结构的1级衍射级次的透射角θt为30.5°，-1级衍射级次的透射角θt为31°，1级衍射级次的反射角θr为30.5°，-1级衍射级次的反射角θr为31°。
根据本公开的实施例，基于公式(5)可知，理论上透射角和反射角应为30.85°。图3中的透射角θt和反射角θr的数值与理论上的透射角和反射值的数值差距很小。
根据本公开的实施例，光栅超表面编码结构的第一介质层11的一个超单元中所包含的超表面结构单元的个数与第三介质层13的一个超单元中所包含的超表面结构单元的个数n为6，透射波相位的排布为“000000111111”，反射波相位/>排布为“000000111111”。对该光栅超表面编码结构进行远场计算，可以得到光栅超表面编码结构的衍射级次分布图。
图4示意性示出了根据本公开实施例的第二种光栅超表面编码结构的衍射级次分布图。
如图4所示，光栅超表面编码结构的1级衍射级次的透射角θt为14.5°，-1级衍射级次的透射角θt为14.5°，1级衍射级次的反射角θr为15°，-1级衍射级次的反射角θr为14°。
根据本公开的实施例，基于公式(5)可知，理论上透射角和反射角应为14.86°。图4中的透射角θt和反射角θr的数值与理论上的透射角和反射值的数值差距很小。
根据本公开的实施例，基于多个超表面结构单元，光栅超表面编码结构透射波相位的排布可以为“000111”，光栅超表面编码结构的反射波相位/>的排布可以为“000000111111”。对该光栅超表面编码结构进行远场计算，可以得到光栅超表面编码结构的衍射级次分布图。
图5示意性示出了根据本公开实施例的第三种光栅超表面编码结构的衍射级次分布图。
如图5所示，光栅超表面编码结构的1级衍射级次的透射角θt为31.5°，-1级衍射级次的透射角θt为29°，1级衍射级次的反射角θr为15°，-1级衍射级次的反射角θr为14°。透射角θt1与反射角θr不同，即透射角θt1与反射角θr独立。
根据本公开的实施例，基于公式(5)可知，理论上透射角应为30.85°，反射角应为14.86°。图5中的透射角θt和反射角θr的数值与理论上的透射角和反射值的数值差距很小。
根据本公开的实施例，光栅超表面编码结构的透射波相位的排布和反射波相位/>的排布不同，使得透射角θt和反射角θr不同，即将透射波和反射波衍射到不同的角度，实现光束的偏折特性，进而实现全空间编码超表面结构在同一入射频率、同一入射偏振态和同一入射方向下对透射波相位和反射波相位进行独立调控。
根据本公开的实施例，通过远场计算的实验结果，验证了光栅超表面编码结构在同一入射频率、同一入射偏振态和同一入射方向下对透射波相位和反射波相位进行独立调控的可行性，以及光栅超表面编码结构的有效性。
根据本公开的实施例，全空间编码超表面结构为菲涅尔透镜超表面编码结构，菲涅尔透镜超表面编码结构包括多个超表面结构单元，菲涅尔透镜超表面编码结构包括第二透射端和第二反射端，菲涅尔透镜超表面编码结构的透射波相位的排布和反射波相位的排布不同。
根据本公开的实施例，菲涅耳波带片是由遮挡了偶数个或奇数个半波带的结构所形成的。菲涅耳波带片消除了普通波带片在相邻两个半波带上的相干相消，使得出射光强度等于每个缝隙处透过的振幅和的平方，从而能够显著增强光强。
根据本公开的实施例，菲涅尔透镜超表面编码结构是基于菲涅耳波带片的相位型菲涅耳透镜原理进行设计的。相较于振幅型菲涅耳波带片，该菲涅尔透镜超表面编码结构具有较强的聚焦能力。
根据本公开的实施例，菲涅尔透镜超表面编码结构的焦距为f，环带个数为a，第a个环带对应的外半径为r，外半径r与焦距f之间的关系通过以下公式表示：
根据本公开的实施例，由公式(6)可知，菲涅尔透镜超表面编码结构的第二透射端和第二反射端的焦距一旦确定，便可计算出透镜奇、偶数波带的外半径r的位置，由波带的相位分布图确定全空间编程超表面的分布状态。
图6示意性示出了根据本公开实施例的菲涅尔透镜超表面编码结构的第二反射端的焦距为6mm时的相位分布图。
如图6所示，多个超表面结构单元交替放置在圆环上，图中白色区域代表相位为0°，黑色区域代表相位为180°。
根据本公开的实施例，多个超表面结构单元交替放置在菲涅尔透镜超表面编码结构的第一介质层11的Q个环带和第三介质层13的R个环带上，其中，Q，R为正整数，且Q≠R。
根据本公开的实施例，第二透射端的焦距可以为7mm，第二反射端的焦距可以为6mm，透射波相位的排布和反射波相位/>的排布不同。基于透射波相位/>的排布和反射波相位/>的排布，确定能够满足透射波相位/>的排布和反射波相位/>的排布对应的多个超表面单元结构，将多个超表面结构交替放置在菲涅尔透镜超表面编码结构的第一介质层11的Q个环带和第三介质层13的R个环带上。
菲涅尔透镜超表面编码结构的第二透射端的焦距为7mm时的相位分布图与图6类似，只是圆环数相较于图6有所增加。
根据本公开的实施例，基于菲涅尔透镜超表面编码结构的第二透射端的焦距为7mm时的相位分布图、菲涅尔透镜超表面编码结构的第二反射端的焦距为6mm时的相位分布图，以及表1中的超表面结构单元，得到菲涅尔透镜超表面编码结构。该菲涅尔透镜超表面编码结构由60×60个超表面结构单元构成，该菲涅尔透镜超表面编码结构的整体尺寸为7.8×7.8mm2。
根据本公开的实施例，通过高斯光束照射菲涅尔透镜超表面编码结构，获得在y＝0平面上沿xoz方向探测的电场分布图。
图7示意性示出了根据本公开实施例的菲涅尔透镜超表面编码结构的电场分布图。
如图7所示，图中白色线条标示的位置为菲涅尔透镜超表面编码结构所在的位置和高斯光束即光源的位置。左侧为第二反射端，右侧为第二透射端，第二反射端和第二透射端均具有良好的聚焦效果。另外第二透射端除了最明亮的光斑外，还存在其他较明显的亮斑。这种现象是由于菲涅尔透镜超表面编码结构本身存在次级焦点。第二反射端的次级焦点不太明显，因为反射强度较弱，次级焦点的强度更加微弱，被电场分布图中的背景所掩盖。
根据本公开的实施例，基于图7，提取图7中在x＝0处的随z变化的光强，得到强度分布图。
图8示意性示出了根据本公开实施例的图7在x＝0处随z变化的光强的强度分布图。
如图8所示，图中阴影部分标示菲涅尔透镜超表面编码结构的位置和高斯光束即光源的位置。左侧为第二反射端，右侧为第二透射端。通过图8中可以明显地观察到除了最亮的两个斑点外，第二反射端和第二透射端均有次级焦点。第二反射端的聚焦位置在-6mm处，即第二反射端的焦距为6mm，与理论值6mm一致。第二透射端的聚焦位置在6.8mm处，即第二透射端的焦距为6.8mm，与理论值7mm差距较小，聚焦公差仅为-2.86％。
根据本公开的实施例，为了分析菲涅尔透镜超表面编码结构的聚焦性能，基于图7，绘制图7中第二反射端的聚焦位置和第二透射端的聚焦位置处的两个光斑沿x方向上的强度分布。
图9示意性示出了根据本公开实施例的图7中第二反射端的聚焦位置和第二透射端的聚焦位置处的两个光斑沿x方向上的强度分布图。
如图9所示，将透射波的能量最强值设为单位1，得到反射波的能量约占透射波能量的56.58％。第二透射端和第二反射端的焦斑的半峰全宽分别为386μm和325μμm，表明菲涅尔透镜超表面编码结构的第二透射端和第二反射端均较好的聚焦效果。
图10示意性示出了根据本公开实施例的一种全空间编码超表面结构的模型生成方法的流程图。
如图10所示，根据本公开的实施例，该实施例的一种全空间编码超表面结构的模型生成方法1000包括操作S1010～操作S1040。
在操作S1010，确定超表面结构单元的形状、材料和尺寸参数。
在操作S1020，对超表面结构单元的尺寸参数进行扫描，得到透射振幅分布图、透射相位分布图、反射振幅分布图和反射相位分布图。
在操作S1030，基于透射振幅分布图、透射相位分布图、反射振幅分布图和反射相位分布图，确定透射波相位与反射波相位互相独立的多个超表面结构单元；其中，多个超表面结构单元中的每个超表面结构单元包括第一介质层、第二介质层和第三介质层；透射波相位和反射波相位是基于第一介质层、第二介质层和第三介质层的尺寸参数确定的
在操作S1040，基于透射波相位与反射波相位互相独立的多个超表面结构单元，生成由等间距且均匀地排列的多个超表面结构单元组成的全空间编码超表面结构的模型；其中全空间编码超表面结构的模型包括光栅超表面编码结构的模型和菲涅尔透镜超表面编码结构的模型。
根据本公开的实施例，对超表面结构单元的尺寸参数进行扫描，通过调整超表面结构单元的尺寸参数，得到在第二介质层的尺寸参数确定的情况下，第一介质层的尺寸参数和第三介质层的尺寸参数变化下的透射振幅分布图、透射相位分布图、反射振幅分布图和反射相位分布图，确定透射波相位与反射波相位互相独立的多个超表面结构单元，以使得全空间编码超表面结构实现对全空间的1-bit相位编码调控。多个超表面结构单元等间距且均匀地排列，组成全空间编码超表面结构，通过控制多个超表面结构单元的空间分布，实现全空间编码超表面结构在同一入射频率、同一入射偏振态和同一入射方向下对透射波相位和反射波相位进行独立调控，以及在任意偏振太赫兹光入射下实现对透射空间和反射空间的1-bit相位编码调控。
根据本公开的实施例，确定超表面结构单元的第一介质层的形状为圆柱形，第二介质层的形状为横截面为正方形的长方体，第三介质层的形状为圆柱形。第一介质层为硅圆柱，材料为本征高阻硅，第二介质层为二氧化硅衬底，材料为石英，第三介质层为硅圆柱，材料为本征高阻硅。第一介质层的半径和第三介质层的半径可以为13-55μm。第一介质层的高度可以为250μm，为了便于制造和加工，第三介质层的高度可以与第一介质层的高度相同，即250μm。第二介质层的长度和宽度的取值范围可以为100-200μm，即超表面结构单元的周期P取值范围可以为100-200μm，示例性地，第二介质层的长度和宽度，即超表面结构单元的周期P的取值可以为130μm，第二介质层的厚度可以为150μm。
根据本公开的实施例，为了分析超表面结构单元对透射波和反射波的调控效果，对超表面结构单元的尺寸参数进行扫描。采用CST(Computer Simulation Technology)Microwave Studio电磁仿真软件进行尺寸参数扫描、全空间编码超表面结构的仿真。在CSTMicrowave Studio电磁仿真软件中的频域求解器和时域求解器中设置超表面结构单元中的第一介质层的半径和第三介质层的半径。
根据本公开的实施例，设置第一介质层的半径和第三介质层的半径在13-55μm范围内，以步长0.5μm进行尺寸参数扫描。
根据本公开的实施例，在超表面结构单元的仿真过程中，超表面结构单元的x方向和y方向上设置Unit Cell边界条件，超表面结构单元的z方向上设置完美匹配的Open边界条件。
根据本公开的实施例，在太赫兹光束的频率为0.75THz的情况下，得到第一介质层的半径和第三介质层的半径在13～55μm范围内变化时的透射振幅分布图、透射相位分布图、反射振幅分布图和反射波相位分布图。
图11(a)示意性示出了根据本公开实施例的透射振幅分布图；图11(b)示意性示出了根据本公开实施例的透射相位分布图；图11(c)示意性示出了根据本公开实施例的反射振幅分布图；图11(d)示意性示出了根据本公开实施例的反射相位分布图。
如图11(a)和图11(b)所示，透射的振幅和透射的相位均关于rd＝ru这条线对称。这种对称是因为，对于透射而言，其有效折射率受整个超表面结构单元的影响，而若第一介质层的半径和第三介质层的半径互换时，其有效折射率未发生改变，因此超表面结构单元的透射振幅和透射相位不受影响。
如图11(c)和图11(d)所示，由于超表面结构单元在太赫兹波段对电磁波的吸收较小，因此反射振幅的变化规律与透射类似，但是大小规律相反。通过对反射相位的观察发现当rd≤35μm时，反射相位在很大程度上仅受第三介质层的影响；然而，当rd＞35μm时，经过数据处理，将反射相位和ru线性拟合后，发现反射相位与ru之间的线性关系消失，这表明部分反射光线通过第三介质层并被第一介质层反射回来。
根据本公开的实施例，基于透射振幅分布图、透射相位分布图、反射振幅分布图和反射相位分布图，在透射振幅和反射振幅保持不变的情况下，确定透射波相位与反射波相位互相独立的多个超表面结构单元。
根据本公开的实施例，基于透射波相位与反射波相位互相独立的多个超表面结构单元，生成由等间距且均匀地排列的多个超表面结构单元组成的全空间编码超表面结构的模型。
根据本公开的实施例，全空间编码超表面结构可以为光栅超表面编码结构，光栅超表面编码结构包括多个超表面结构单元，光栅超表面编码结构包括第一透射端和第一反射端，光栅超表面编码结构的透射波相位的排布和反射波相位的排布可以不同。
根据本公开的实施例，基于电磁仿真软件对所述全空间编码超表面结构的模型进行仿真，得到全空间编码超表面结构的模型的衍射级次分布结果和电场分布图。根据本公开的实施例，可以基于CST Microwave Studio电磁仿真软件中的频域求解器对光栅超表面编码结构进行模拟计算，在x和y方向上均采用周期性分布的边界条件。选择0.75THz的平面光作为入射波，通过远场计算获得光栅的衍射级次分布结果。
根据本公开的实施例，全空间编码超表面结构可以为菲涅尔透镜超表面编码结构，菲涅尔透镜超表面编码结构包括多个超表面结构单元，菲涅尔透镜超表面编码结构包括第二透射端和第二反射端，菲涅尔透镜超表面编码结构的透射波相位的排布和反射波相位的排布不同。
根据本公开的实施例，可以基于CST Microwave Studio电磁仿真软件中的时域求解器，通过频率为0.75THz的x偏振高斯光束照射菲涅尔透镜超表面编码结构，获得在y＝0平面上沿xoz方向探测的电场分布图。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种全空间编码超表面结构，所述全空间编码超表面结构的一侧为透射空间，另一侧为反射空间；所述全空间编码超表面结构包括：等间距且均匀地排列的多个超表面结构单元；
所述多个超表面结构单元中的每个超表面结构单元包括第一介质层、第二介质层和第三介质层；其中，所述第一介质层与所述第二介质层的连接方式为粘接，所述第二介质层与所述第三介质层的连接方式为粘接，所述第一介质层的中心轴线、所述第二介质层的中心轴线和所述第三介质层的中心轴线重合；
入射光线经过所述第三介质层、所述第二介质层和所述第一介质层，以在所述透射空间内产生透射光线和透射波相位；入射光线经过所述第三介质层和所述第二介质层，并返回至所述第三介质层，以在所述反射空间内产生反射光线和反射波相位；
所述透射波相位和所述反射波相位是基于所述第一介质层、所述第二介质层和所述第三介质层的尺寸参数确定的，所述透射波相位与所述反射波相位互相独立，以实现所述全空间编码超表面结构对所述透射空间和所述反射空间的独立调控。
2.根据权利要求1所述的全空间编码超表面结构，其中，所述第一介质层为第一硅圆柱，所述第二介质层为二氧化硅衬底，所述第三介质层为第二硅圆柱。
3.根据权利要求2所述的全空间编码超表面结构，其中，所述第一硅圆柱的尺寸参数包括第一半径，所述二氧化硅衬底的尺寸参数包括长度、宽度和厚度；所述第二硅圆柱的尺寸参数包括第二半径。
4.根据权利要求3所述的全空间编码超表面结构，其中，所述多个超表面结构单元包括第一种超表面结构单元、第二种超表面结构单元、第三种超表面结构单元和第四种超表面结构单元；
所述透射波相位与所述反射波相位互相独立包括：
所述第一种超表面结构单元的透射波相位为第一相位，所述第一种超表面结构单元的反射波相位为第一相位；
所述第二种超表面结构单元的透射波相位为第一相位，所述第二种超表面结构单元的反射波相位为第二相位；
所述第三种超表面结构单元的透射波相位为第二相位，所述第三种超表面结构单元的反射波相位为第一相位；
所述第四种超表面结构单元的透射波相位为第二相位，所述第四种超表面结构单元的反射波相位为第二相位。
5.根据权利要求4所述的全空间编码超表面结构，其中，在所述第二介质层的尺寸参数确定的情况下，所述透射波相位和所述反射波相位是基于所述第一介质层、所述第二介质层和所述第三介质层的尺寸参数确定的包括：
在所述第一半径为第一数值、第二半径为第二数值的情况下，所述第一种超表面结构单元的透射波相位为第一相位，所述第一种超表面结构单元的反射波相位为第一相位；
在所述第一半径为第三数值、第二半径为第四数值的情况下，所述第二种超表面结构单元的透射波相位为第一相位，所述第二种超表面结构单元的反射波相位为第二相位；
在所述第一半径为第五数值、第二半径为第六数值的情况下，所述第三种超表面结构单元的透射波相位为第二相位，所述第三种超表面结构单元的反射波相位为第一相位；
在所述第一半径为第七数值、第二半径为第八数值的情况下，所述第四种超表面结构单元的透射波相位为第二相位，所述第四种超表面结构单元的反射波相位为第二相位。
6.根据权利要求1所述的全空间编码超表面结构，其中，所述全空间编码超表面结构为光栅超表面编码结构，所述光栅超表面编码结构包括多个超表面结构单元；
所述光栅超表面编码结构包括第一透射端和第一反射端，所述光栅超表面编码结构的透射波相位的排布和所述反射波相位的排布不同。
7.根据权利要求1所述的全空间编码超表面结构，其中，所述全空间编码超表面结构为菲涅尔透镜超表面编码结构，所述菲涅尔透镜超表面编码结构包括多个超表面结构单元；
所述菲涅尔透镜超表面编码结构包括第二透射端和第二反射端，所述菲涅尔透镜超表面编码结构的透射波相位的排布和所述反射波相位的排布不同。
8.根据权利要求7所述的全空间编码超表面结构，其中，所述多个超表面结构单元交替放置在所述菲涅尔透镜超表面编码结构的所述第一介质层的Q个环带和所述第三介质层的R个环带上，其中，Q，R为正整数，且Q≠R。
9.一种全空间编码超表面结构的模型生成方法，包括：
确定超表面结构单元的形状、材料和尺寸参数；
对所述超表面结构单元的尺寸参数进行扫描，得到透射振幅分布图、透射相位分布图、反射振幅分布图和反射相位分布图；
基于所述透射振幅分布图、所述透射相位分布图、所述反射振幅分布图和所述反射相位分布图，确定透射波相位与反射波相位互相独立的多个超表面结构单元；
其中，多个超表面结构单元中的每个超表面结构单元包括第一介质层、第二介质层和第三介质层；所述透射波相位和所述反射波相位是基于所述第一介质层、所述第二介质层和所述第三介质层的尺寸参数确定的；
基于所述透射波相位与反射波相位互相独立的所述多个超表面结构单元，生成由等间距且均匀地排列的所述多个超表面结构单元组成的全空间编码超表面结构的模型；其中，全空间编码超表面结构的模型包括光栅超表面编码结构的模型和菲涅尔透镜超表面编码结构的模型。
10.根据权利要求9所述的模型生成方法，还包括：
基于电磁仿真软件对所述全空间编码超表面结构的模型进行仿真，得到所述全空间编码超表面结构的模型的衍射级次分布结果和电场分布图。
Priority Applications (1)
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| CN202410080666.6A CN117937118A (zh) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | 全空间编码超表面结构及其模型生成方法 |
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