一种多光谱位相型超表面器件的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及超材料技术领域，特别涉及一种多光谱位相型超表面器件。
【背景技术】
[0002]现代电磁学中，对不同频段电磁波实现独立控制在无线通信、多光谱成像等应用 中至关重要。然而，材料色散的存在限制了传统技术的发展，使得相应的器件和系统庞大、 笨重且性能受限。
[0003 ]作为二维超材料，超表面被证实可以实现电磁波振幅、相位和偏振态的全面调控， 使用超表面情况下的反射和折射定律，波前可以被任意调制。因此许多功能，如光束控制、 聚焦和成像等成为可能。由于超表面比超材料更薄、更易加工，因此业内认为第一代实用化 的超材料器件会使用这项技术。
[0004] 虽然超表面可以实现许多奇异的功能，但现在的设计还要受制于很多缺点。例如， 超表面通过相位变化可以对不同波长进行独立响应，但由于强色散却极大地限制了超表面 在宽带和多光谱的应用。比如，传统远场成像过程中，分辨率受限于衍射极限，无法达到照 明光波长的一半，而受激辐射损耗(STED)显微系统是实用化的突破衍射极限成像的方法之 一。STED显微系统的基本原理是荧光分子的空间选择钝化作用，这项技术要使用两种波长 的光束，分别产生不同的形状的光斑。但传统STED荧光扫描显微镜的光学系统很复杂，急需 使用一个光学元件产生两种所需光斑的技术。然而，STED显微系统中，传统的超表面透镜的 焦距与波长有关，这对多光谱成像带来了不利影响。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种多光谱位相型 超表面器件，该器件是由超薄金属薄膜上的纳米孔阵列组成。通过将多频信息编码到纳米 孔阵列上，利用纳米小孔的自旋-轨道相互作用实现频率选择控制。由于自旋轨道相互作用 具有宽波带特性，因此本发明可在不同波长下实现给定形状的光场分布。
[0006] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是:一种多光谱位相型超表面器件，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，所述的超薄金属的厚度d取值范围为:δ〈(1〈λ/3(λ为入射电磁波波长，δ 为金属的趋肤深度
μ〇 = 4πΧ l(T7H/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。
[0007] 其中，所述的超表面为平面或曲面。
[0008] 其中，所述的各向异性纳米结构包括:孔或其互补结构。
[0009] 其中，所述的各向异性纳米结构几何图案包括:矩形、椭圆形、十字形、工字形或多 边形。
[0010] 其中，所述的金属包括:金、银、铜、金合金、银合金或铜合金等·。
[0011]其中，所述介质包括:硅、二氧化硅等半导体以及氟化物等在工作波段透明的材 料。
[0012] 其中，所述基底材料为硅、二氧化硅等半导体以及氟化物等在工作波段透明的材 料。
[0013] 其中，若所述纳米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。
[0014] 其中，所述的基底厚度0〈1ι〈λ，λ为入射电磁波波长。
[0015] 其中，所述基底表面为平面或曲面。
[0016] 其中，所述的多光谱位相型超表面器件的厚度t可小于波长。
[0017] 其中，所述的多光谱位相型超表面器件可将相同入射角度、不同波长的电磁波在 同一位置聚焦和成像。
[0018] 其中，所述的多光谱位相型超表面器件可将不同波长、不同角度入射的光波在同 一位置聚焦。
[0019] 其中，所述的多光谱位相型超表面器件适用于可见光和近红外区域。
[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于:本发明具有宽波带特性，通过产生消色 差几何相位的超表面来控制不同光波，可使不同波长，不同入射角度的电磁波实现任意形 状的聚焦光斑。并且本发明结构简单小巧，重量轻，利于加工。
【附图说明】
[0021 ]图1为本发明的单元结构示意图；
[0022]图2为本发明在平面波正入射条件下，超表面引入的相位变化；
[0023]图3为当不同波长的光正入射到超表面时，产生聚焦的示意图；
[0024] 图4为光束(λ2 = 532ηηι)在xoz和xoy平面(ζ = ΙΟμπι)的分布示意图，其中，图4(a)为 光束(λ2 = 532ηπι)在χοζ平面的分布示意图，图4(b)为光束(λ2 = 532ηπι)在xoy平面(ζ = ΙΟμπι) 的分布示意图；
[0025] 图5为光束(^ = 40511111)在xoz和xoy平面(ζ = ΙΟμπι)的分布示意图，其中，图5(a)为 光束(λι = 405ηπι)在xoz平面的分布示意图，图5(b)为光束(λχ?^δηπΟχογ平面(ζ = 10μπι)的 分布不意图；
[0026] 图6为本发明实施例1中截取了聚焦面X方向的强度分布曲线图；
[0027] 图7为本发明实施例1中样品的扫描电镜图；
[0028]图8为本发明实施例1中样品在λ = 405ηπι左旋光入射条件下xoz平面的强度分布 图；
[0029]图9为本发明实施例1中样品在λ = 532ηπι左旋光入射条件下xoz平面强度分布图； [0030]图10为本发明实施例2中样品的扫描电镜图；
[0031]图11为本发明实施例2中样品在λ = 532,632.8和785nm入射条件下xoz平面强度的 数值计算结果与实验结果对比图，其中，图11 (a)为样品在λ = 532nm入射条件下，在xoz平面 强度的数值计算结果（左)与实验结果(右)对比图，图11(b)为样品在λ = 632.8ηπι入射条件 下，在xoz平面强度的数值计算结果（左）与实验结果（右）对比图，图11(c)为样品在λ = 785nm入射条件下，在xoz平面强度的数值计算结果(左)与实验结果(右)对比图；
[0032] 图12为本发明实施例2中在ζ = 9μπι处波长为532nm、632.8nm和785nm的数值计算和 实验测量得到的半高全宽对比图，其中，图12(a)为在ζ = 9μπι处波长为532nm、632.8nm和 785nm实验测量得到的半高全宽图，图12(b)为在ζ = 9μπι处波长为532nm、632.8nm和785nm数 值计算得到的半高全宽图；
[0033] 图13为本发明实施例3中用利用多光谱超表面器件使不同波长、不同角度入射的 光波在同一位置聚焦的示意图，其中，图13(a)为波长为532nm，入射角为0°在xoz平面的光 强分布图，图13(b)为波长为632.8nm，入射角为30°在xoz平面的光强分布图，图13(c)为波 长为785nm，入射角为-30°在xoz平面的光强分布图。
【具体实施方式】
[0034]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以下的一个 实施例即可实现权利要求中的全部内容。
[0035] 具体实现过程如下：
[0036] 实施例1
[0037] 本发明实施例1以优选的椭圆纳米孔单元结构为例，如图1所示，该多光谱位相型 超表面器件，包括自下而上依次排列的基底1、超表面层2、以及刻蚀于超表面层中的纳米孔 3。其中基底的厚度为h;超表面层的厚度为d;材料总厚度为t;所述纳米孔结构的特征尺寸w (短轴)与1(长轴)不相等。根据此结构，下面将详细阐述其设计原理。
[0038] 在圆偏振光CPL入射下，每个纳米孔相当于一个偏振滤光片，因此，空间变化的孔 阵列会产生空间变化的偏振态。由于光子自旋轨道相互作用，偏振态变化和相位变化有关。 传输光会产生2〇α的相位延迟，其中σ = ±1表示圆偏振光的左旋或右旋状态，α是孔主轴的 偏转角。从公式可以看出，相位变化与入射光波长没有关系。因此，本发明可以用于宽带相 位调制。
[0039]为了实现多谱线光束控制，本发明借鉴了全息的概念，即各个角度的信息都可以 融合到一个二维平面内，将各个波长的信息编码到一个超表面中去，如图2所示，在平面波 正入射备件下，轺衷而引入的相仿夺化可以衷示为：
[0040]
[0041 ] 其中An和Φη分别表示第η个虚拟光源的振幅和相位，Εη为复振幅，λη表示相应的 波长。
[0042] 以需要两种形