一种具有连续振幅和相位调控的亚波长孔结构阵列的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种连续振幅和相位调控的亚波长孔结构阵列，它由金属材料膜和位于金属材料膜内的若干个双层孔结构单元构成。双层孔结构单元是由在金属膜内制作的上层孔和下层孔组成，上层孔和下层孔为同轴通孔；上层孔的上端面与金属膜层上表面重合，下层孔的下端面与金属膜层下表面重合；对给定波长电磁波，可以通过改变上层孔直径、深度和下层孔直径、深度来调节双层孔结构单元的等效折射率；进而实现在一定范围内的振幅和相位连续调控。可以根据需要，在平面上采用多个双层孔结构单元（即双层孔结构阵列），实现平面空间内振幅、相位分布的连续调控。同时，可以通过在双层孔结构内填充介质材料，进一步改善双层孔结构单元的振幅和相位调节功能。
【专利说明】一种具有连续振幅和相位调控的亚波长孔结构阵列
【技术领域】
[0001]本发明属于光场调控【技术领域】，特别是涉及可实现对入射电磁波的相位和振幅进行连续调控的亚波长结构。
【背景技术】
[0002]亚波长结构能实现对入射电磁波的相位和振幅进行调控，可应用于各种电磁波功能器件中。实现同时对相位和振幅的连续调控是电磁波功能器件的关键。在微纳光学器件中，通常采用的二值振幅调控或者纯相位调控，往往不能得到最优的光学设计，这大大限制了微纳光学器件工作性能。实现对光波振幅和相位的连续调控，将增加微纳光学器件的设计自由度，并极大提升微纳光学器件的性能。
[0003]1、现有技术对于相位的调控，通常是采用单层金属孔(或缝)，通过改变孔的直径(或缝的长、宽)来控制单层金属孔(或缝)等效折射率rwf = nK+ini。对于单层圆形理想金属孔，其等效折射率可以表示为:
【权利要求】
1.一种具有连续振幅和相位调控的亚波长孔结构阵列，其特征在于包括金属膜层(I)和双层孔结构单元(2); 所述金属膜层(I)是一层具有一定厚度的金属材料膜； 所述双层孔结构单元(2)是由在金属膜层内制作的上层孔和下层孔组成，上层孔和下层孔为同轴通孔；上层孔的上端面与金属膜层上表面齐平，下层孔的下端面与金属膜层下表面齐平；上层孔直径为D1，下层孔直径为D2, D1和D2小于波长λ，上层孔深度为tl，下层孔深度为t2 ;所述双层孔结构单元(2)在金属膜层上呈阵列分布；对给定波长的电磁波，通过在平面空间内改变每个单元上层孔直径、深度和下层孔直径、深度来调节双层孔结构单元的等效折射率，进而实现在平面空间内振幅和相位连续调控。
2.根据权利要求1所述的具有连续振幅和相位调控的亚波长孔结构阵列，其特征在于:确定双层孔结构单元参数Dp tp D2、t2的方法如下: (1)根据给定的工作波长λ，选用折射率接近于理想金属折射率的实际金属，g卩，所选用的实际金属材料折射率实部应该尽可能小、折射率虚部应该尽可能大； (2)双层孔结构单元可以分别看成两个单层金属孔结构的组合，为了确定双层孔结构深度h和t2，可以先确定单层金属孔单元的等效折射率，即通过有限时域差分法数值模拟，对于给定波长λ，在平面波垂直入射条件下，对于给定阵列周期a，即单元尺寸，求解单层金属孔单元的等效折射率nrff = nE+ini与金属孔直径D的关系，其中ηκ是等效折射率的实部，Ii1是等效折射率的虚部，i为单位虚数，在neff与D的关系曲线中，存在一个临界直径D。，当D>D。时，Ii1近似为零； (3)根据单层金属孔单 元的等效折射率neff与金属孔直径D的关系，分别确定上层孔深度h和下层孔深度t2: (3.1)根据所要实现的振幅调节范围的最小值Amin，在直SD1小于临界直径D。的前提条件下，根据所有D1取值对应等效折射率中虚部最大值nImax，确定上层孔的深度t1-----;
2兀~max (3.2)根据所需要实现的最大相位延迟Φ_，在直径仏大于临界直径D。的前提条件下，根据所有D2取值对应等效折射率中实部最大者nKmax，确定下层孔深度t2=^^ ； (4)求解双层金属孔结构单元直径(D1,D2)与振幅透射率、相位延迟的关系:根据所求得的上层孔深度^和下层孔深度t2，通过有限时域差分法数值模拟，对于给定波长λ，在平面波垂直入射条件下，对于给定阵列周期a，求解双层金属孔结构单元的振幅透射率、相位延迟与直径(DnD2)的关系；让下层孔直径D2和上层孔直径D1两者的取值在O到a范围内变化，得出各种直径取值组合(DnD2)对应的振幅透射率和相位延迟。
3.根据权利要求2所述的具有连续振幅和相位调控的亚波长孔结构阵列，其特征在于:在光学器件设计时，根据光学器件振幅透射率和相位延迟在平面空间分布的要求，在空间相应位置采用满足对应振幅透射率、相位延迟要求的双层金属孔结构单元(t1; t2，D1,D2)，便可以实现器件所需的振幅透射率和相位延迟的空间分布，达到光学器件所设计的功倉泛。
4.根据权利要求2所述的具有连续振幅和相位调控的亚波长孔结构阵列，其特征在于:根据所需要的最大等效折射率，确定所需要的填充材料，在双层孔结构内填充折射率为ncore的介质材料，其中η。，大于空气的折射率= 1，使其等效折射率的实部最大值为填充介质的折射率11。_，这样可以在不改变金属孔深度t2前提下，使光程增加到从而提高双层金属孔的相位调控范围；同时，填充介质可以提高金属孔对光场的径向约束，即减小金属孔内等效波 长，从而可以减小阵列的周期a，提高振幅、相位连续调控的空间分辨率。
【文档编号】G02F1/01GK104076531SQ201410317149
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】陈刚, 温中泉, 陈李, 何应虎 申请人:重庆大学