一种波长选择型超表面器件的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及超材料研究领域，尤其设及一种波长选择型超表面器件。
【背景技术】
[0002] 随着通信技术的发展，由于常规编码和信道技术的局限性，传统的光纤系统的容 量W及频谱效率已接近极限，无法满足传输大量信息的需求，不仅如此，其发送数据的安全 性也面临着严峻的挑战。为了解决运个问题，进一步提升系统容量W及频谱效率，满足未来 移动数据业务传输数据日益增加的需求需要探索革命性创新技术。近年来轨道角动量 (0AM)技术的研究备受关注，由于良好的正交性和承载信息的安全性，使其可W在同一载频 上传输多路电磁縱满波，通过编码信息和多路复用技术来提高传输信息的容量和安全性， 例如0AM可W用于太比特自由空间的数据传输、可在光纤中进行太比特规模的多路复用W 及在自由空间进行信息传送。因此0AM在无线通信中的应用掀起了世界性的研究热潮。
[0003] 为了使0AM在通信系统发挥更大的作用，快速切换0AM模式的器件应运而生，典型 的切换和调控0AM光束的装置包括螺旋光调制，Q-板，计算机全息图和环形光栅，但W上器 件由于尺寸较大而不方便快速调节0AM模式。因此，研发产生和转换0AM光束的小型化光学 器件在未来光学通信中是很有必要的。近来，二维材料超表面作为一个新的平面光学器件， 已经被证实通过改变其结构单元的形状和方位角可用来调节相位分布，由单元结构排布的 阵列所形成的各式各样的超表面在线偏振和圆偏振光入射下可产生0AM光束，但却不能在 不同波长的入射电磁波照射下进行转换。因此，如何利用一种光学器件产生不同的0AM光束 W及如何对大量的0AM光束进行有效的分离与检测是当今技术面临的巨大挑战。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种波长选择型超 表面器件，所述超表面包括多个电磁区域，每个电磁区域只对入射至该区域的电磁波产生 预设的电磁响应，从而实现了对波长的选择性。
[0005] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是:一种波长选择型超表面器件，包括自 下而上依次排布的基底和由各向异性纳米单元结构阵列构成的超表面，所述超表面包括多 个电磁区域，同一电磁区域的纳米结构形状和尺寸相同，不同电磁区域的纳米结构形状不 同或形状相同尺寸不同，即每个电磁区域的纳米孔结构阵列只对入射至该区域的电磁波产 生预设的电磁响应，所述各向异性纳米结构是在超薄金属或介质上刻蚀制成，也可直接制 作在基底上，其特征尺寸小于波长，排列间距小于半波长;其中所述的超薄金属其厚度Tg的 取值范围为：δ<Τκ<λ/15(λ为入射光波长，δ为金属的趋肤深度
μ〇 = 43? X 1〇-咕/ m，ω为圆频率，σ〇为金属的电导率）;所述超薄介质厚度小于入射光波长。
[0006] 其中，所述的超表面为平面或曲面。
[0007] 其中，所述的各向异性纳米结构包括:孔或其互补结构。
[0008] 其中，所述的各向异性纳米结构图案包括:矩形、楠圆形、十字形、工字形或多边 形。
[0009] 其中，所述的金属包括:金、银、铜、金合金、银合金或铜合金。
[0010] 其中，所述介质包括:娃、二氧化娃等半导体W及氣化物等在工作波段透明的材 料。
[0011] 其中，所述基底材料为娃、二氧化娃等半导体W及氣化物等在工作波段透明的材 料。
[0012] 其中，若所述纳米孔单元结构制作在介质上，介质材料与基底材料可相同或不同。
[0013] 其中，所述的基底厚度0<Τ3<λ，λ为入射光波长。
[0014] 其中，所述基底表面为平面或曲面。
[0015] 其中，所述的波长选择性超表面器件的厚度Τ可小于波长。
[0016] 其中，所述的波长选择性超表面器件适用于可见光和近红外区域。
[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0018] 本发明通过巧妙的设计可选择性地透过不同波长的光产生和聚焦不同的0ΑΜ光 束，且本发明设计新颖，体积小，重量轻，对无线通信技术领域具有启示意义和广泛的应用 前景。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明的结构示意图；
[0020] 图2为波长和透射系数与纳米孔结构单元尺寸的关系图；
[0021] 图3为本发明的设计图；
[0022] 图4为不同波长下经转换和聚焦的0ΑΜ光束的电磁分布仿真结果；
[0023] 图5为不同波长下RCP光和聚焦的0ΑΜ光束的干设图样；
[0024] 图6为本发明样品的扫描电镜图；
[0025] 图7为本发明样品测试装置图；
[0026] 图8为本发明样品测试结果图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图及【具体实施方式】对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不 仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从W下的一个 实施例即可实现权利要求中的全部内容。
[0028] 本发明实施例优选的矩形纳米孔单元结构为例，如图1所示，该波长选择型超 表面包括自下而上依次排布的基底1、超表面2。所述超表面是由金薄膜上的两种矩形纳米 孔3、4按照一定方式排列成阵列组成。其中基底厚度为Ts;金薄膜的厚度为Tg;矩形纳米孔3 沿X轴的宽为wl，沿y轴的长为L1，周期为pi;矩形纳米孔4沿X轴的宽为沿y轴的长为L2， 周期为p2。
[0029] 本发明波长选择型超表面器件的制作W及参数优化的具体方法如下：
[0030] (1)确定和优化单元结构尺寸参数。首先对单个纳米孔的共振属性进行探讨，当左 旋圆偏振光化CP)入射到纳米孔中，可转换为右旋圆偏振光(RCP)。如图2所示被转化的光的 最大透射系数和谐振波长随矩形纳米孔的长L的增加而增大且变化幅度较大。但是改变宽 W，被转化光的透射系数变化不大且谐振波长发生蓝移。可知单元结构的尺寸不同所具备的 谐振频率不同，继而对应的谐振波长不同，请参见图3。考虑到单元结构在波长范围内传输 的变化，因此方便起见设计两种不同尺寸的纳米孔，优化参数设定为:入射LCPA = 930nm，wl =40nm，L1 = 200nm;入射 ΙΧΡλ = 766nm，w2 = 80nm，