CN210155357U - 一种波长依赖型双功能全介质超表面结构 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种波长依赖型双功能全介质超表面结构，包括衬底层、上层纳米结构和下层纳米结构；在所述衬底层的上端面和下端面分别设置有上层纳米结构和下层纳米结构，所述上层纳米结构由同一规格但摆放角度各异的椭圆或矩形纳米柱排列组成，而下层纳米结构由另一规格但摆放角度各异的椭圆或矩形纳米柱排列组成；所述上层纳米结构和下层纳米结构中各个椭圆或矩形纳米柱的摆放角度根据期望的相位分布确定。本实用新型可根据入射波长的不同而在两种特定功能之间进行切换，可提高光学系统的集成度。

Description

一种波长依赖型双功能全介质超表面结构
技术领域
本实用新型涉及纳米光学技术领域，具体涉及一种波长依赖型双功能全介质超表面结构。
背景技术
超表面结构是近年来发展的一类光束控制器件，具体通过设计特定的亚波长结构，达到改变光束的幅度、相位或偏振态的目的。当前，超表面结构已成功应用于实现分束器、光束生成器、平面(消色差) 透镜、超分辨率成像等。随着光学技术的发展，对于光学器件的集成性和功能复用性的要求也越来越高，而对于超表面结构而言，若同一个结构可实现多种功能，将有利于提高光学器件的集成度。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种波长依赖型双功能全介质超表面结构，可以在两个不同的波长实现不同的功能。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种波长依赖型双功能全介质超表面结构，包括衬底层、上层纳米结构和下层纳米结构；在所述衬底层的上端面和下端面分别设置有上层纳米结构和下层纳米结构，所述上层纳米结构由多个同一规格但摆放角度各异的椭圆或矩形纳米柱排列组成，而下层纳米结构由多个另一规格并且摆放角度各异的椭圆或矩形纳米柱排列组成；所述上层纳米结构和下层纳米结构中各个椭圆或矩形纳米柱的摆放角度根据期望的相位分布确定。
进一步地，所述上层纳米结构和下层纳米结构均采用高折射率和低损耗的材料制成。
进一步地，对于设定的入射波长为λ1的圆偏振光，所述上层纳米柱结构为等效半波片，下层纳米柱结构为等效全波片；而对于设定的入射波长λ2的圆偏振光，所述下层纳米柱结构为等效半波片，上层纳米柱结构为等效全波片。
本实用新型的有益效果在于：
提供的波长依赖型双功能全介质超表面结构可根据入射波长的不同而在两种特定功能之间进行切换，可提高光学系统的集成度。
附图说明
图1为本实用新型实施例中超表面结构的总体示意图；
图2为图1中单元结构的上层纳米柱的横截面示意图；
图3为图1中单元结构的下层纳米柱的横截面示意图；
图4为本实用新型实施例中上层纳米柱、衬底层和下层纳米柱的连接示意图；
图5为本实用新型实施例中入射波长为λ1＝780nm经过超表面结构生成零阶贝塞尔光束的原理示意图；
图6为本实用新型实施例中设计的平面轴锥镜期望的相位分布；
图7为与图6对应的上层椭圆纳米结构摆放图；
图8为本实用新型实施例中入射波长为λ2＝660nm经过超表面结构光束聚焦在轴上一点的原理示意图；
图9为本实用新型实施例中设计的平面透镜期望的相位分布；
图10为与图9对应的下层椭圆纳米结构摆放图；
图11为本实用新型实施例中光束通过超表面结构后的x-z平面上的归一化光场分布；
图12为本实用新型实施例中在不同传输距离处的x-y平面上的归一化光场分布；
图13为与图12对应的横向归一化强度分布；
图14为本实用新型实施例中光束通过超表面结构后的x-z平面上的归一化光场分布；
图15为本实用新型实施例中在聚焦位置附近处的x-y平面上的归一化光场分布；
图16为与图15对应的横向归一化强度分布。
具体实施方式
以下将结合附图对本实用新型作进一步的描述，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，但本实用新型的保护范围并不限于本实施例。
本实施例提供一种波长依赖型双功能全介质超表面结构，如图1-4 所示，包括衬底层1、上层纳米结构2和下层纳米结构3。在所述衬底层1的上端面和下端面分别设有上层纳米结构2和下纳米柱结构层 3，上层纳米结构2由多个同一规格但摆放角度各异的椭圆纳米柱21 排列组成，而下层纳米结构3由多个另一规格但摆放角度各异的椭圆纳米柱31排列组成。在本实施例中，针对设定的入射波长λ1＝780nm，所述上层椭圆纳米柱为等效半波片，所述下层椭圆纳米柱为等效全波片；针对设定的入射波长λ2＝660nm，所述下层椭圆纳米柱为等效半波片，所述上层椭圆纳米柱为等效全波片。
满足上述要求的上层椭圆纳米柱和下层椭圆纳米柱规格为：上层椭圆纳米柱的长轴a1＝238nm，短轴b1＝70nm，高h1＝600nm，晶胞大小为Sx＝Sy＝300nm；下层椭圆纳米柱的长轴a2＝248nm，短轴b2＝94nm，高h2＝800nm，晶胞大小为Sx＝Sy＝300nm。在某一特定波长入射下，全波片对光场相位分布基本无影响；对于半波片而言，可通过控制上层椭圆纳米柱或下层椭圆纳米柱的摆放角度θ1或θ2获得期望的相位分布，从而实现特定波长入射的功能。
进一步地，所述衬底层1采用的是二氧化硅，上层椭圆纳米柱 21和下层椭圆纳米柱31均采用的是硅材料。
图5-10表示的是本实施例中的超表面结构在不同波长可实现平面轴锥镜和平面透镜的双功能器件的原理图。图5表示的是入射波长为λ1＝780nm经过超表面结构生成零阶贝塞尔光束的原理示意图；图6 展示的是设计的平面轴锥镜期望的相位分布，而图7是对应的上层椭圆纳米结构摆放图。图8表示的是入射波长为λ2＝660nm经过超表面结构光束聚焦在轴上一点的原理示意图；图9展示的是设计的平面透镜期望的相位分布，而图10是对应的下层椭圆纳米结构摆放图。
对于λ1＝780nm入射生成零阶贝塞尔光束，相位分布需满足以下公式：
Figure DEST_PATH_GDA0002339949540000051
而对于λ2＝660nm入射聚焦光束，相位分布需满足以下公式：
Figure DEST_PATH_GDA0002339949540000052
其中，NA为数值孔径，f为预设焦距。相位分布
Figure DEST_PATH_GDA0002339949540000053
可根据公式
Figure DEST_PATH_GDA0002339949540000054
和
Figure DEST_PATH_GDA0002339949540000055
通过确定上层纳米结构2和下层纳米结构3上对应位置的椭圆纳米柱摆放角度θ1、θ2而得到。
图11-13描述了本实施例中超表面结构作为NA＝0.7的平面轴锥镜生成零阶贝塞尔光束的演化过程。图11展示的是光束通过超表面结构后的x-z平面上的归一化光场分布；图12表示的是在不同传输距离处的x-y平面上的归一化光场分布；图13是相应的横向归一化强度分布。从图11-13的模拟结果可以看出，光束中心光强极强而光束旁瓣很弱，且光强在最大无衍射距离Zmax＝15.3μm之内主瓣宽度基本不变,符合贝塞尔光束的基本传输特征。其半高全宽FWHM约为 440nm，十分接近理论极限值400nm，说明了设计的结构较好地实现了轴锥镜生成贝塞尔光束的功能。
图14-16描述了本实施案例中超表面结构作为f＝15μm的平面透镜进行光束聚焦的演化过程。图14展示的是光束通过超表面结构后的x-z平面上的归一化光场分布；图15表示的在聚焦位置附近处的 x-y平面上的归一化光场分布；图16相应的横向归一化强度分布。图14-16显示了该平面透镜在设计聚焦位置f＝15.4μm附近提供了强聚焦能力，获得了高度对称的焦斑。其焦斑半高全宽FWHM为480nm，接近衍射极限值(0.5λ/NA＝467nm)，说明了设计的结构实现了平面透镜的良好聚焦性能。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种波长依赖型双功能全介质超表面结构，其特征在于，包括衬底层、上层纳米结构和下层纳米结构；在所述衬底层的上端面和下端面分别设置有上层纳米结构和下层纳米结构，所述上层纳米结构主要由多个同一规格但摆放角度各异的椭圆或矩形纳米柱排列组成，而下层纳米结构主要由多个另一规格并摆放角度各异的椭圆或矩形纳米柱排列组成；所述上层纳米结构和下层纳米结构中各个椭圆或矩形纳米柱的摆放角度根据期望的相位分布确定。
2.根据权利要求1所述的波长依赖型双功能全介质超表面结构，其特征在于，所述上层纳米结构和下层纳米结构均采用硅材料制成。
3.根据权利要求1所述的波长依赖型双功能全介质超表面结构，其特征在于，对于入射波长λ1＝780nm的圆偏振光，所述上层纳米柱结构为等效半波片，下层纳米柱结构为等效全波片；而对于入射波长λ2＝660nm的圆偏振光，所述下层纳米柱结构为等效半波片，上层纳米柱结构为等效全波片。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111708175A (zh) * 2020-06-29 2020-09-25 国科光芯(海宁)科技股份有限公司 一种结构光投影装置
CN111999901A (zh) * 2020-06-23 2020-11-27 南开大学 一种产生多波段消色差贝塞尔光束的超表面轴锥器件

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