CN210742622U - 基于相位渐变超构光栅的光学笼子 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于相位渐变超构光栅的光学笼子，所述光学笼子包括若干呈圆环且周期性分布的周期结构，每个周期结构包括若干结构单元，每个结构单元包括金属及介质材料，每个周期结构中的金属和介质材料间隔分布，所述介质材料为产生渐变的突变相位的材料。本实用新型利用覆盖2π的突变相位概念结合传统金属亚波长光栅设计的光学笼子，当一个周期结构中的结构单元为正偶数个时，各个结构单元辐射电磁波之间相互干涉相消，从而导致泄露到笼子外面的电磁能量几何为零，且超构笼子囚禁光子的能力具有很强的鲁棒性。

Description

基于相位渐变超构光栅的光学笼子

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，特别是涉及一种基于相位渐变超构光栅的光学笼子。

背景技术

如何有效控制光的折射、反射、传播以及波前等，一直是光学领域的热点研究之一。在过去几年里，科学家们提出了渐变超构表面的概念，即通过在一个周期内沿着界面方向引入覆盖2π变化的突变相位，进而在该方向引入有效波矢ξ。根据切向方向动量守恒，光在界面上发生反射和折射时满足广义的反射和折射定律：k₀sinθ_i＝k₀sinθ_r/t+ξ，从而可以实现对光的反射、折射以及波前进行有效调控。

局域突变相位概念为操控光的传播提供了新的维度，基于这个概念和广义反射和折射定律，随后科学家们提出了一系列超薄器件，实现了不对称传输、平面超构透镜、光子自旋霍尔效应等。由于渐变超构表面存在阻抗不匹配的问题，使得转化效率受到限制，近年来人们考虑用一种非超薄的渐变超构表面来操控光的传播。

与超薄超构表面类似，这种渐变超构表面在结构上具有周期性，由于较厚，类似于传统的光栅；但是与传统光栅不同的是，这种渐变超构表面界面上带有覆盖突变相位，可以对各个衍射级次进行调制，把这种较厚的渐变超构表面简称为超构光栅。研究显示：渐变超构光栅不仅具有超构表面中的各种异常光学特性，而且转化效率较高。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于相位渐变超构光栅的光学笼子。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于相位渐变超构光栅的光学笼子，以实现光学笼子内点源能量的囚禁。

为了实现上述目的，本实用新型一实施例提供的技术方案如下：

一种基于相位渐变超构光栅的光学笼子，所述光学笼子包括若干呈圆环且周期性分布的周期结构，每个周期结构包括若干结构单元，每个结构单元包括金属及介质材料，每个周期结构中的金属和介质材料间隔分布，所述介质材料为产生渐变的突变相位的材料。

作为本实用新型的进一步改进，所述光学笼子的内部和外部为空气，折射率为1。

作为本实用新型的进一步改进，所述介质材料的折射率为 n_i＝1+(i-1)λ/md，λ为光学笼子内点源的波长，m为一个周期结构结构单元的数量，d为结构单元的厚度。

作为本实用新型的进一步改进，所述光学笼子内的点源产生的波为TM波。

作为本实用新型的进一步改进，所述m为正偶数。

作为本实用新型的进一步改进，所述点源与光学笼子中心的偏离距离Δr 和光学笼子的内径R之比Δ满足Δ≤0.3。

作为本实用新型的进一步改进，所述点源位于光学笼子的中心，即Δ＝0。

作为本实用新型的进一步改进，所述结构单元内的金属为银。

本实用新型一实施例提供的技术方案如下：

一种基于相位渐变超构光栅的光学笼子的应用，所述光学笼子应用于雷达天线罩、光子隔离器件。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型利用覆盖2π的突变相位概念结合传统金属亚波长光栅设计的光学笼子，当一个周期结构中的结构单元为正偶数个时，各个结构单元辐射电磁波之间相互干涉相消，从而导致泄露到笼子外面的电磁能量几何为零，且超构笼子囚禁光子的能力具有很强的鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型中m＝6时光学笼子的结构示意图；

图2为本实用新型中m＝7时光学笼子的结构示意图；

图3a、3b分别为本实用新型中m＝6时光子笼子的透射图谱和磁场模空间分布图；

图4a、4b分别为本实用新型中m＝7时光子笼子的透射图谱和磁场模空间分布图；

图5为本实用新型中仿真模拟和分析计算得出不同m值下的透射率对比图；

图6a为本实用新型中非理想状态下点源偏离中心时光学笼子的结构示意图；

图6b、6c分别为m＝6和m＝7时，点源逐渐偏离中心的透射图谱。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

本实用新型公开了一种亚波长金属结构的光学笼子，简称超构笼子(Meta-Cage)。该超构笼子是周期性结构，一个周期结构内包含m个各不相同的结构单元。通过数值模拟以及严格的解析计算表明：该超构笼子囚禁光的能力与结构单元个数m的奇偶性有关。具体来说，当单元个数m为奇数时，放在笼子中的点源可以无阻碍地100％辐射到笼子外面；当单元个数m为偶数时，放在笼子中的点源几乎无法辐射到笼子外面，所有能量都被局域在笼子中。

参图1、图2所示，本实用新型中的光学笼子100包括若干呈圆环且周期性分布的周期结构10，每个周期结构10包括若干结构单元，每个结构单元包括金属11及介质材料12，每个周期结构10中的金属11和介质材料12间隔分布，介质材料为产生渐变的突变相位的材料，m为一个周期结构结构单元的数量，图1和图2中分别以m＝6和m＝7为例进行说明。

如图1所示，光学笼子内每个周期由6个结构单元构成，每个周期结构 10中的金属11为金属银，介质材料12为能产生渐变的突变相位的材料，每个结构单元宽度均为w，厚度均为d，单元内填充不同的折射率n_i的材料，介质材料12的折射率为n_i＝1+(i-1)λ/md，λ为光学笼子内点源的波长，i＝1、 2…6，光学笼子的内部和外部都是空气，折射率均为1。

由切向动量守恒入射角和折射角满足以下关系式：

k₀sinθ_i＝k₀sinθ_t-ξ+nG,其中θ_i和θ_t分别表示入射角和折射角，

是用来表示渐变光栅所产生的突变相位的梯度，G＝2π/p则是由于倒格矢而产生的，n为衍射级次。在该超构光栅中，为简单起见，只考虑n＝0和n＝±1情况。

将一个点源放置在光学笼子的正中心，这里只考虑横磁场模式，即TM波。参图3a所示为m＝6时光子笼子的透射图谱，沿着过圆心的直线，利用 COMSOL计算出每一点的磁场模，绘制出每一个周期磁场模的图像，如图3b 所示，由于这种结构的高度对称性我们只需考虑一半部分，也就是圆心到8R 的磁场模，图3a中阴影部分表示的是TM波在光栅内部的磁场模，其右边是光栅外部的磁场模，本实用新型中主要研究的光栅外透射的磁场模。

可以发现，TM波经过这样的笼子后，光子笼子外部的磁场模为0，也就是说TM波被全部反射回笼子内部，这与之前研究的结果相吻合。

参图2所示为m＝7时光学笼子的结构示意图，每个周期结构结构单元的数量为7，介质材料12的折射率为n_i＝1+(i-1)λ/md，λ为光学笼子内点源的波长，m为一个周期结构结构单元的数量，d为结构单元的厚度，i＝1、2… 7，其余结构均与图1中类似，此处不再进行详细说明。

参图4a所示为m＝7时光子笼子的透射图谱，沿着过圆心的直线，利用 COMSOL计算出每一点的磁场模，绘制出每一个周期磁场模的图像，如图4b 所示，图4a中阴影部分表示的是TM波在光栅内部的磁场模，其右边是光栅外部的磁场模，本实用新型中主要研究的光栅外透射的磁场模。

可以发现，m＝7时，电磁波可以几乎完全透射过这样子的光栅，m＝6时，电磁波几乎不能透过这样的光栅。

通过模拟其他m值时的情况，得到了一个新的结论：

m为奇数，电磁波可以几乎完全透射过这样子的光栅，m为偶数时，电磁波几乎不能透过这样的光栅。

当然，得出这样的结论只是初步的，因为利用COMSOL模拟计算并不够严谨，本实用新型利用更加严谨的方式来证明结论的正确性就会更加可靠。以下是从麦克斯韦方程组出发，具体解析计算的过程。

首先由于入射的是TM波，我们写出入射面的磁场强度：

以及出射面的磁场强度：

和在金属槽内磁场强度：

其中我们令

和

如果入射、透射面介质相同，则γ_3,n＝γ_1,n。如果光栅材料是完美电导体或者是介电常数是一个很大的负数，那么g(x)＝1，ν是缝内填充介质的指数，n是缝间填充介质的折射率。

接着利用麦克斯韦方程

可以将对应的电场强度表示为：

其中：

χ_i＝v_i/e₂。

最后利用边值关系，当y＝0,H₁＝H₂,E_1x＝E_2x.当y＝h,H₂＝H₃,E_2x＝E_3x得到一组多项式方程：

其中：

f＝w/p。

这样就可以解出所要求的0级衍射的透射率和反射率，即

利用以上公式，可以计算多个情况时透射率和反射率。

图5为比较了仿真模拟的结果和分析计算的结果，其中星号表示仿真模拟的透射率，球表示分析计算的透射率，可以发现两者相差无几。

这就比较系统的验证了之前的结论，证明了奇偶周期光子笼的光学特性： m为奇数，电磁波可以几乎完全透射过这样子的光栅，m为偶数时，电磁波几乎不能透过这样的光栅。

以上讨论的，都是将磁流(即点源)放置在光学笼子中心的情况，但是实际上，要想达到放置在正中心是很难做到的。虽然已经得到这种光栅透射率的奇偶特性，但是这都是基于比较理想的情况，还要讨论的是在非理想状态下，这种性质是否依然成立或者当达到什么程度，这种奇偶特性会被明显影响，换句话说，需要要检验这种光学笼子的鲁棒性是否足够好，以便这种结构可以被稳定的投入应用。

继续利用COMSOL模拟，如图6a，将磁流(点源)慢慢偏离中心，设磁流距中心的偏离距离Δr，其与环内半径R的比值设为Δ，那么以周期为6和7 为例，将Δ从0开始增大，如图6b、6c所示，发现当Δ>0.3时，这个奇偶周期的光子笼子的作用开始明显地减弱，换句话说，当偏离比Δ>0.3时，周期为奇数的光栅透光程度明显减弱，而周期为偶数的光子笼子透光程度明显增加了。

原本放在中心(Δ＝0)，此时，电磁波相当于垂直入射光栅的每一点，这是一种十分特殊的情况，但是一旦偏离这一点，对于每一点来说，不再都为垂直入射，其入射角不再为0，它的透射程度是取决于入射角的大小的，因此必然改变。不断改变偏离率，发现当偏离程度不大时，对透射程度的影响不大，一旦偏离达到一定程度，就如模拟出来的结果一样，Δ>0.3时，透射率t受到较大的影响。所以要想利用这种结构的特殊光学特性，可以不用达到正中心这种极其特殊的情况，只需保持在一定的偏离范围内即可。

因此，本实用新型中点源与光学笼子中心的偏离距离Δr和光学笼子的内径R之比Δ满足Δ≤0.3，优选地，点源位于光学笼子的中心，即Δ＝0。

由于这种并不依赖极端位置，也能显现的光学特性，更加使得光子笼子可以高效率的传感探测、成像和通讯等领域发挥重要的作用。提出的超构光栅概念也可以为简化平面光学器件提供新的思路，使其在光学器件的集成化和小型化方面实现更多应用。

本实用新型基于相位渐变超构光栅的光学笼子具有完美囚禁光子/光场的特性，可以为设计新型雷达天线罩、光子隔离器件提供新的思路和理论基础。

由以上技术方案可以看出，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型利用覆盖2π的突变相位概念结合传统金属亚波长光栅设计的光学笼子，当一个周期结构中的结构单元为正偶数个时，各个结构单元辐射电磁波之间相互干涉相消，从而导致泄露到笼子外面的电磁能量几何为零，且超构笼子囚禁光子的能力具有很强的鲁棒性。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种基于相位渐变超构光栅的光学笼子，其特征在于，所述光学笼子包括若干呈圆环且周期性分布的周期结构，每个周期结构包括若干结构单元，每个结构单元包括金属及介质材料，每个周期结构中的金属和介质材料间隔分布，所述介质材料为产生渐变的突变相位的材料。

2.根据权利要求1所述的基于相位渐变超构光栅的光学笼子，其特征在于，所述光学笼子的内部和外部为空气，折射率为1。

3.根据权利要求2所述的基于相位渐变超构光栅的光学笼子，其特征在于，所述介质材料的折射率为n_i＝1+(i-1)λ/md，λ为光学笼子内点源的波长，m为一个周期结构结构单元的数量，d为结构单元的厚度。

4.根据权利要求3所述的基于相位渐变超构光栅的光学笼子，其特征在于，所述光学笼子内的点源产生的波为TM波。

5.根据权利要求3所述的基于相位渐变超构光栅的光学笼子，其特征在于，所述m为正偶数。

6.根据权利要求3所述的基于相位渐变超构光栅的光学笼子，其特征在于，所述点源与光学笼子中心的偏离距离Δr和光学笼子的内径R之比Δ满足Δ≤0.3。

7.根据权利要求6所述的基于相位渐变超构光栅的光学笼子，其特征在于，所述点源位于光学笼子的中心，即Δ＝0。

8.根据权利要求1所述的基于相位渐变超构光栅的光学笼子，其特征在于，所述结构单元内的金属为银。

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