CN218298697U - 一种超表面 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超表面，属于光学的技术领域。该超表面包括：纳米结构、绝缘层和调控层。纳米结构包括相变纳米结构和非相变纳米结构；所述纳米结构以矩阵的形式排列，并且相变纳米结构和非相变纳米结构分别设置于所述矩阵交替的行中；矩阵的任一列中任意两个相邻的纳米结构的光相位相差π/2；纳米结构之间填充有绝缘层，用于透过入射辐射；调控层包括多个调控单元；矩阵中的每一列纳米结构的一侧对应设置有一个调控单元，以独立调控每一列中相变纳米结构的相变态。本实用新型提供的超表面，通过调控单元改变相变纳米结构的相位，实现在右旋和左旋圆偏振光之间的切换，在光学器件中可以进行更灵活的应用。

Description

一种超表面

技术领域

本实用新型涉及光学的技术领域，具体而言，涉及一种超表面。

背景技术

在传统的方式中，通常使用1/4波片产生圆偏振光。将1/4波片的快轴或慢轴调整成与线偏振光的偏振方向成45度角，使得线偏振光穿过该1/4波片后的慢轴分量比快轴分量延迟1/4个设计波长，并具有相同的振幅分量，最终产生圆偏振光。通过上述方式，只能产生固定旋向的圆偏振光。因而存在着无法实现右旋和左旋圆偏振光之间的切换，缺乏灵活性的问题。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种可以实现在产生右旋和左旋圆偏振光之间切换的超表面。

一种超表面，所述超表面包括纳米结构、绝缘层和调控层；

所述纳米结构包括相变纳米结构和非相变纳米结构；所述纳米结构以矩阵的形式排列，并且相变纳米结构和非相变纳米结构分别设置于所述矩阵交替的行中；所述矩阵的任一列中，任意两个相邻的所述纳米结构的光相位相差π/2；

所述纳米结构之间填充有绝缘层，用于透过入射辐射；

所述调控层包括多个调控单元；所述矩阵中的每一列所述纳米结构的一侧对应设置有一个调控单元，用于独立调控每一列所述相变纳米结构的相变态。

在一种可能的实现方式中，所述矩阵的任一列中的第2i个纳米结构的光相位比第2i-1个纳米结构的光相位超前π/2，其中i为自然数，且i≥1。

在一种可能的实现方式中，所述矩阵的任一列中的第2i个纳米结构的光相位比第2i-1个纳米结构的光相位迟滞π/2，其中i为自然数，且i≥1。

在一种可能的实现方式中，所述矩阵的任一行中的所述纳米结构的光相位周期性变化，同一行中的每一周期内，所述纳米结构的光相位沿相同方向梯度递增。

在一种可能的实现方式中，所述矩阵同一行中的每一周期内，所述纳米结构的光相位沿相同方向梯度递增，相邻的两个所述纳米结构的光相位差值相同。

在一种可能的实现方式中，所述矩阵同一行的每一个周期内设置有n个所述纳米结构，相邻的两个所述纳米结构的光相位相差2π/n。

在一种可能的实现方式中，所述调控单元包括激励层、第一电极和第二电极；

所述第一电极和所述第二电极分别设置于所述激励层的两端。

在一种可能的实现方式中，所述激励层对入射辐射透明。

在一种可能的实现方式中，所述相变纳米结构包括Ge_xSb_yTe_z材料。

在一种可能的实现方式中，所述调控单元包括激光发射装置和激光聚焦装置。

本实用新型实施例提供的上述方案中，采用超表面代替1/4波片，利用其纳米结构的相位可变性，调控入射偏振光的两子波的相位差，实现在产生左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之间切换，并使得形成的圆偏振光可以和背景光分离。

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示出了本实用新型所提供的超表面的一个实施例的整体结构示意图；

图2示出了本实用新型所提供的超表面的结构图；

图3示出了本实用新型所提供的纳米结构的形状示意图；

图4示出了本实用新型提供的初始状态下纳米结构的相位分布图；

图5示出了本实用新型提供的初始状态下的圆偏振光的输出；

图6示出了本实用新型提供的调控之后的纳米结构的相位分布图；

图7示出了本实用新型提供的调控之后的圆偏振光的输出；

图8示出了本实用新型所提供的一个实施例的调控层30的示意图；

图9示出了本实用新型所提供的超表面调控层30的工作状态示意图。

附图标记列表：

10-纳米结构、11-非相变纳米结构、12-相变纳米结构、20-绝缘层、30-调控层、310-调控单元、311-第一电极、312-第二电极、315-激励层。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本实用新型中的具体含义。

现有技术中有用超表面满足1/4波片的相位，从而实现产生圆偏振光的技术方案，但通过上述方式设置的超表面相位无法调控，仅能产生固定旋向的圆偏振光，在应用于光学器件时缺乏调节的灵活性。

有鉴于此，本申请提出一种可以实现在产生右旋和左旋圆偏振光之间切换的超表面。

参见图1，本实用新型实施例提供了一种超表面，该超表面包括纳米结构10，绝缘层20，以及调控层30。

绝缘层20由工作波段透明的材料组成，如图5和图7所示，其中线偏振光A射入至超表面的一侧，通过超表面对光线A的相位调制后，从超表面另一侧出射调制后的圆偏振光B。纳米结构10以矩阵的形式分布在绝缘层20中，且纳米结构10的至少一端暴露在绝缘层20以外，绝缘层20使得每个纳米结构10之间彼此热绝缘。

在本申请实施例及各可选实施例中，可以通过在绝缘层20中增加或预留矩阵排布的多个孔洞，并将纳米结构10填充进入孔洞的方式将纳米结构10与绝缘层20相结合；也可以通过在矩阵排布的多个纳米结构10之间的空隙中填充工作波段透明的材料以形成绝缘层20的方式将纳米结构10与绝缘层20相结合。

在本申请实施例及各可选实施例中，纳米结构10可以是一系列成矩阵排布的柱状纳米结构单元，其中需要说明的是，纳米结构可理解为包含全介质或电浆子的、能够导致相位突变的亚波长结构，而纳米结构单元为通过对超表面进行划分而得到以每个纳米结构为中心的结构单元。其中每个周期中的纳米结构组成一个超结构单元，其中超结构单元为可密堆积图形，例如可以为正四边形、正六边形等等，每个周期中包含一组纳米结构，并且超结构单元的顶点和/或中心例如可以设置有纳米结构。在超结构单元为正六边形的情况下，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，在其为正方形的情况下，正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，超结构单元应为六边形顶点及中心排布的纳米结构，或者为正方形顶点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超表面形状的限制，在超表面边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图2所示，所述超结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个超结构单元成阵列排布形成超表面结构。

如图2中的(1)所示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构和环绕其的6个与其距离相等的周边的纳米结构，各周边纳米结构沿着环周均匀分布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。

在本申请实施例及各可选实施例中，纳米结构10为透射式的，其中光线射入至纳米结构10后，该纳米结构10对光线进行相位调制，并出射调制后的光线，该出射光线为透射光。

如图2中的(2)所示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构和环绕其的4个与其距离相等的周边的纳米结构，组成正方形。

为简洁和清楚起见，实施例附图中只绘制了超结构单元中心设置的纳米结构，应理解，在图中六边形、正方形的轮廓顶点/交点处也设置有纳米结构。

在本申请实施例及各可选实施例中，纳米结构10可以是偏振相关结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。纳米结构10可以是正结构也可以是负结构。例如，纳米结构10可以是椭圆形柱、纳米鳍等结构。图3示出了纳米结构10为椭圆形柱或纳米鳍时的纳米结构单元的结构示意图。根据本申请的实施方式，纳米结构的特征尺寸大于或等于0.2λ_c，且小于或等于0.8λ_c；λ_c为入射辐射的中心波长。

在本申请实施例及各可选实施例中，可选地，纳米结构的排列周期大于或等于0.3λ_c，且小于或等于2λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长。根据本申请的实施方式，可选地，纳米结构的高度大于或等于0.3λ_c，且小于或等于5λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长。根据本申请的实施方式，示例性地，纳米结构的特征尺寸大于或等于0.2λ_c，且小于或等于0.8λ_c；λ_c为入射辐射的中心波长。

在本申请实施例及各可选实施例中，纳米结构10的分布方式可以如图4所示。在超表面的初始状态下，所有的纳米结构10以矩阵的形式排布，其中所有的2i行(偶数行)为非相变纳米结构11，所有的2i-1行(奇数行)为相变纳米结构12。

在本申请实施例及各可选实施例中，非相变纳米结构11可以是氮化硅、熔融石英、氮化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等；相变纳米结构12可以是Ge_xSb_yTe_z(简称GST)材料等。

GST作为常用的相变材料，其由锗(Ge)、锑(Sb)和碲(Te)三种元素组成,在可重写光盘技术上被广泛应用。固态GST有晶态和非晶态两种相态,两态的介电常数存在较大的差别。

当非晶态GST温度超过结晶温度(多为160℃)时,非晶态会首先相变为亚稳态的面心立方晶体结构,类似于NaCl。如果温度继续升高,亚稳态晶体结构会变为稳态的六方结构。非晶态到晶态的相变过程可通过把GST放置于加热板上加热、使用激光脉冲照射、外加电压等手段来实现。

相反地,把晶态GST加热超过其熔点(多为640℃)并液化,后经急速冷却可形成非晶态GST。整个冷却凝固过程需要在10ns内急速完成,如果凝固时间过长，液态GST有充足时间重组为晶态结构。在应用激光的情况下,GST从晶态到非晶态的相变往往需要较大功率的短脉冲(脉宽<10ns)激光。

GST晶态或非晶态的相变过程一旦完成,即使撤去外部激励并回到室温环境，GST仍可长时间保持相变后的晶态或非晶态。GST的晶化比例可通过控制晶化过程的物理参数获得，例如，对非晶态GST进行加热,晶化比例可通过改变加热温度或加热时间来调控,以获得不同的折射率。

在本申请实施例及各可选实施例中，可选地，如图4所示，该矩阵的任一列中的第2i个纳米结构10的光相位比第2i-1个纳米结构的光相位超前π/2，其中i为自然数，且i≥1。即在整个纳米结构10矩阵中，每个由相变纳米结构12构成的行都比前一个非相变纳米结构11构成的行的相位延后π/2。

可选地，如图4所示，规定从左向右为第一方向，该矩阵的任一行的每一周期内设置有8个纳米结构10，沿第一方向上，纳米结构10的光相位沿相同方向梯度递增，每个纳米结构的光相位相较前一个延后π/4，形成整体沿第一方向梯度递增的光相位。

在此情况下，如图5所示，在沿矩阵行方向的线偏振光射入时，整体结构的向右梯度递增的相位将使得透射光向右偏折，而来自相邻两个填充结构行产生的子波由于相对前一个纳米结构行所延后的π/2相位而发生干涉，形成右旋圆偏振光。

在本申请实施例及各可选实施例中，该超表面还包括调控层30，如图1所示，调控层30在矩阵中的每一列纳米结构10的一侧设置一个调控单元310；调控单元310可以独立调控每一列纳米结构10的相变态。调控每一列纳米结构10的相位时，每一列纳米结构10当中，第2i-1行(奇数行)的相变纳米结构12的相位发生改变，第2i行(偶数行)的非相变纳米结构11的相位保持不变；因而可以使每个由相变纳米结构12构成的行相对前一个非相变纳米结构11构成的行的相位由延后π/2改变为超前π/2。

如图7所示，经过调节后，在沿矩阵行方向的线偏振光射入时，来自相邻两个填充结构行产生的子波由于相对前一个纳米结构超前π/2相位，发生干涉，形成左旋圆偏振光。进而实现了通过控制每一列纳米结构10的相位来控制透射光在右旋圆偏振光和左旋圆偏振光之间的切换。

同理地，通过控制每一列纳米结构10的相位，也可以使每个由相变纳米结构12构成的行相对前一个非相变纳米结构11构成的行的相位由超前π/2改变为延后π/2，从而实现透射光在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之间的切换。因而，该超表面可以实现令其透射光在左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之间自由切换的效果。

在本申请实施例及各可选实施例中，相变纳米结构12可以通过在外加激励(如热、光、外加电压)下改变物质内部的晶格,大幅度地改变介电常数。

可选地，可以采用外加光信号的方式来实现对相变纳米结构12的相位调控，例如通过改变施加在超表面上的光信号，从而调控相变纳米结构12，达到所需的相位分布。

在一个实施例中，可以采用激光控制的方式实现对相变纳米结构12的相位调控。调控层30可以包括：激光发射装置，以及激光聚焦装置。激光发射装置用于发射功率可调的激光光束，激光光束通过激光聚焦装置的调控后，会聚在相变纳米结构12上，使得相变纳米结构12发热，进行相变态的改变。

在通过光信号进行调控的过程中，可以调制光信号的入射方向偏离出射光的接收段，以避免调控光信号对原有的入射辐射造成干扰。在超表面工作时，可以通过改变激光光束的发射功率来调节相变纳米结构12的相位，也可以通过改变相变纳米结构12上激光光束的会聚量来调节相变纳米结构12的相位。

在另一个实施例中，可以采用外加电压的调控方式实现对相变纳米结构12的相位调控。由于需要令矩阵中每一列中的相变纳米结构12的相位相同，所以需要对不同调控单元310设置单独的调控电压，同时，绝缘层20使得每个纳米结构10之间彼此电绝缘和热绝缘。

参见图8，每个调控单元310包括：激励层315，第一电极311，以及第二电极312。激励层315对于入射光工作波段透明，且激励层315会根据流经电流的不同产生不同的焦耳热，例如，激励层315可以由氧化铟锡(Indium-Tin Oxide，简称ITO)构成。参见图9所示出的，第一电极311和第二电极312分别设置于激励层315两端，激励层315直接与一列中的每个相变纳米结构12接触；在第一电极311和第二电极312施加的电压之下，激励层315通电发热，热量向相变纳米结构12进行直接地传导，使得矩阵中每一列中的相变纳米结构12温度独立地升高，发生相变态的改变。

在超表面工作时，可以通过改变第一电极311和第二电极312对激励层315施加的电压来调节矩阵中每一列上的相变纳米结构12的相位。

上述实施例及优选实施例中，超表面产生的圆偏振光的旋向是可以自由切换的，满足了产生的右旋和左旋圆偏振光可切换的灵活性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种超表面，其特征在于，所述超表面包括纳米结构(10)、绝缘层(20)和调控层(30)；

所述纳米结构(10)包括相变纳米结构(12)和非相变纳米结构(11)；所述纳米结构(10)以矩阵的形式排列，并且相变纳米结构(12)和非相变纳米结构(11)分别设置于所述矩阵交替的行中；所述矩阵的任一列中，任意两个相邻的所述纳米结构(10)的光相位相差π/2；

所述纳米结构之间填充有绝缘层，用于透过入射辐射；

所述调控层(30)包括多个调控单元(310)；所述矩阵中的每一列所述纳米结构(10)的一侧对应设置有一个调控单元(310)，用于独立调控每一列中所述相变纳米结构(12)的相变态。

2.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，所述矩阵的任一列中的第2i个纳米结构(10)的光相位比第2i-1个纳米结构(10)的光相位超前π/2，其中i为自然数，且i≥1。

3.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，所述矩阵的任一列中的第2i个纳米结构(10)的光相位比第2i-1个纳米结构(10)的光相位迟滞π/2，其中i为自然数，且i≥1。

4.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，所述矩阵的任一行中的所述纳米结构(10)的光相位周期性变化，同一行中的每一周期内，所述纳米结构(10)的光相位沿相同方向梯度递增。

5.根据权利要求4所述的超表面，其特征在于，同一行中的每一周期内，所述纳米结构(10)的光相位沿相同方向梯度递增，相邻的两个所述纳米结构的光相位差值相同。

6.根据权利要求5所述的超表面，其特征在于，同一行的每一个周期内设置有n个所述纳米结构，相邻的两个所述纳米结构的光相位相差2π/n。

7.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，所述调控单元(310)包括激励层(315)、第一电极(311)和第二电极(312)；

所述第一电极(311)和所述第二电极(312)分别设置于所述激励层(315)的两端。

8.根据权利要求7所述的超表面，其特征在于，所述激励层(315)对入射辐射透明。

9.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，所述相变纳米结构(12)包括Ge_xSb_yTe_z材料。

10.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于，所述调控单元(310)包括激光发射装置和激光聚焦装置。

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