基于超表面材料的超表面朗伯器件的制作方法

本发明属于微纳光学领域，具体涉及基于超表面材料的超表面朗伯器件。

技术背景

朗伯发光体是指光源发光或者散射体散射光的光强满足余弦分布，其特点是无论从哪个角度观察光源、看到的亮度都是相同的。常见的朗伯发光体有灯丝发光、以及毛玻璃表面的散射。其中灯丝发光器件由于效率低、寿命短等问题目前已经很少被使用，毛玻璃虽然可以获得朗伯光强分布、且价格便宜，但其对入射光的损耗较大，且只能在透射空间工作，不能够覆盖360°全空间。然而，360°全空间的朗伯光源在很多领域非常有用，比如室内照明、无人机夜间指示灯、灯塔、浮标等需要全方位观测指示的场景，均需要一种亮度高、结构简单、长寿命、全空间工作的朗伯光器件。然而，受现有技术的限制，无法同时获得具有这些特点的光学元件。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于超表面材料的超表面朗伯器件，能够将入射激光投射成覆盖360°全空间的朗伯光强分布。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种基于超表面材料的超表面朗伯器件，其特征在于，包括：由纳米砖单元排列而成、将任意偏振的垂直入射激光整形为光强满足余弦分布、并且满足米氏共振原理、共振波长适当偏离设计波长使得透射光与反射光的能量比相同的超表面阵列结构，其中，超表面阵列结构作为超表面朗伯器件的相位板，纳米砖单元由透明的介质基底和形成在该介质基底上的纳米砖构成，并且介质基底和纳米砖均为亚波长尺寸。

进一步，本发明提供的基于超表面材料的超表面朗伯器件还可以具有以下特征：超表面阵列结构中每个纳米砖的转向角φ(x，y)均由下式确定：φ(x，y)＝ψ(x，y)/2，式中，x,y表示每个纳米砖中心点坐标，ψ(x，y)为对应每个纳米砖的相位调制量，φ(x，y)为纳米砖长轴与水平轴的夹角；超表面阵列结构中各纳米砖尺寸相同，且相邻纳米砖的中心间隔相同。

进一步，本发明提供的基于超表面材料的超表面朗伯器件还可以具有以下特征：介质基底为石英玻璃基底，纳米砖为硅纳米砖，该纳米砖的长、宽、高尺寸均为亚波长级。

进一步，本发明提供的基于超表面材料的超表面朗伯器件还可以具有以下特征：超表面朗伯器件的工作波长为可见光。

发明的作用与效果

(1)本发明所提供的基于超表面材料的超表面朗伯器件具有光学结构及机械结构简单的优势，仅需一片刻蚀有纳米砖阵列的平面玻璃就可实现朗伯器件功能，并能够实现投射角度全空间覆盖。

(2)本发明采用在透明基底表面刻蚀纳米砖阵列的超表面材料，该材料采用微电子光刻工艺制造，由于纳米砖阵列能对入射光相位进行调制，通过合理设计纳米砖阵列实现光束整形、加工以及批量生产更加简约可行。

(3)本发明所采用的纳米砖尺寸均为亚波长，因此以纳米砖阵列为基础的超表面朗伯器件体积小、重量轻、可高度集成，更利于光学系统小型化、微型化的发展趋势。

附图说明

图1为本发明实施例中超表面阵列结构的局部示意图；

图2为本发明实施例中纳米砖单元的电磁仿真结果图；

图3为本发明实施例中超表面朗伯器件的相位分布图；

图4为本发明实施例中超表面朗伯器件的仿真结果图；

图5为本发明实施例中超表面朗伯器件的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的基于超表面材料的超表面朗伯器件的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

如图1所示，在超表面朗伯器件中，超表面阵列结构由10纳米砖单元11排列而成，每个纳米砖单元11包括：透明基底11a和纳米砖11b构成。建立纳米砖单元11的工作面坐标系xoy，x轴方向和y轴方向分别与纳米砖单元11的长轴和短轴相平，设长轴与x轴的夹角为纳米砖11b的转向角φ。纳米砖11b的功能可等效为半波片，则其琼斯矩阵可表示为：当圆偏光入射时(左旋圆偏光或右旋圆偏光的琼斯矢量为)，经过纳米砖11b出射后光矢量可表示为：

由上式可知，出射光仍为圆偏光但其旋向相反，同时经历了2φ的相位延迟，由此可知，纳米砖转向角φ与入射光相位改变的关系为因此改变纳米砖转向角φ的大小就可以调节和控制出射光的相位从而实现相位调制功能，这种相位称为几何相位。米氏共振则是发生在亚波长电介质结构中的一种物理学现象，它会引起入射光的强烈反射。因此通过小心的调整纳米砖11b的结构参数，同时使得共振波长适当偏离设计波长，可以实现透射光和反射光比例任意调节，同时还能保持超表面阵列结构10的几何相位特性不变。

本实施例中，采用的超表面阵列结构10的单元结构为无定型薄膜材料(非晶硅材料)，沉积在熔融石英基底11的表面。纳米砖11b的尺寸为亚波长级，采用非晶硅材料；l为纳米砖长轴尺寸，w为纳米砖短轴尺寸，h为纳米砖高度，c为纳米砖单元大小，φ为纳米砖朝向角。此外，纳米砖阵列中各纳米砖的尺寸和中心间隔均相同。

本实施例中，采用电磁仿真软件cststudio建模仿真，采用的入射光工作波长为λ＝633nm，以左旋圆偏光或右旋圆偏光垂直入射工作面，以入射圆偏光的透过率和反射率为优化对象。扫描纳米砖结构参数即长轴尺寸l、短轴尺寸w、高度h和单元大小c来获取较佳的结构参数。经参数扫描，得到优化结构参数：c＝300nm,l＝230nm,w＝124nm,h＝277nm。图3是扫描之后的结果，可以看出：在设计波长633nm处，具有几何相位调节功能的透射光(tcross)和反射光(rcross)的比例接近1:1，而没有相位调节功能的无用的零级光(tco、rco)压缩至5％以内。证明所设计的超表面阵列结构10具有在透射和反射空间同时调控几何相位的能力。

设计完超表面阵列结构10之后，就开始设计实现朗伯发光体的相位分布。这里采用经典的g-s算法，设计的投射角度为180°(由于超表面单元300nm小于波长633nm，因此衍射光可覆盖整个透射空间)，超表面器件的像素设计为1000*1000个；通过g-s算法的优化保证投射亮度的均匀性。最后设计出的纳米砖10的相位分布如图3所示，而仿真得到的180°空间的强度分布如图4所示。从图4可以看出，所设计的相位可将入射激光拓展至180°、且强度满足余弦分布；再利用前面所设计的纳米砖实现透反射同步相位调制，因此最终可实现如图5所示的360°全空间朗伯发光器件，图5中除超表面阵列结构10外均为光线(入射光、反射光和透射光)。由于本实施例设计的超表面阵列结构10的工作模式是半透半反的，且衍射角在透射空间或者反射空间达到了180度，因此可以实现360°全空间分布，即一面超表面(一面具有纳米砖单元阵列结构)即可。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于超表面材料的超表面朗伯器件并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。