基于全介质超表面结构的振幅型光学器件

本发明属于纳米光子学领域，特别涉及一种基于全介质超表面结构的振幅型光学器件。

背景技术：

超表面是一类由亚波长人工微结构单元组成的二维平面阵列结构，可用于操纵入射电磁波的相位、偏振和振幅等光学特性从而实现对光场的波前调控。与传统光学器件相比，超表面光学器件的最吸引人的优势是其具有独立操控多通道波前的能力，可以实现如手性全息、轨道角动量的切换以及加速光束的偏振控制等功能，在信息加密、防伪、大容量光学存储等领域具有重要的应用价值。

目前，报道的超表面器件主要为相位调制型光学器件，在设计过程中，需要尽量保持较高的振幅，以达到高效波前调制的目的。而振幅是电磁波的关键要素之一，实现振幅的调制甚至多通道调制具有重要的应用价值，如实现高保真度光学全息，结构色的灰度渲染，二色性光学器件等等。振幅型空间光调制器可以实现振幅的调制，然而其像素较大难以实现精细的振幅调制，整个器件也较为庞大，难以实现光子集成。振幅型电磁超表面结构的发明可以克服这些缺点，为新一代光子器件的设计打下基础，但目前尚未见有此类报道。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种基于全介质超表面结构的振幅型光学器件。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于全介质超表面结构的振幅型光学器件，包括基底和纳米结构单元，基底采用无损耗低折射率介质材料，纳米结构单元采用无损耗高折射率介质材料或者半导体材料；其特征在于，所述纳米结构单元按照特定的相位分布排列在基底上，形成纳米单元阵列；所述特定的相位分布满足以下公式：

其中，是相邻的纳米结构单元复振幅之间的相位差，|u^±(x,y)|为相邻的纳米结构单元出射光波的振幅值，以某一纳米结构单元中心为原点，(x,y)表示纳米结构单元的位置坐标，±表示一对任意的正交偏振态的中两个偏振态；当|u⁺(x,y)|与|u^-(x,y)|的值相同时，所述振幅型光学器件为偏振无关器件；当|u⁺(x,y)|与|u^-(x,y)|的值不相同时，所述振幅型光学器件为偏振相关器件，其中，|u⁺(x,y)|与|u^-(x,y)|为相邻纳米结构单元在任意的两种正交偏振态操纵下的振幅值。

进一步地，纳米单元阵列包括多个单元组，每个单元组包括两对纳米结构单元，每对的两个纳米结构单元尺寸相同但不相邻。

进一步地，所述基底采用石英玻璃、氟化钙、氟化钡或红外硫系玻璃。

进一步地，所述纳米结构单元采用三氧化二铝、二氧化钛、二氧化铪、氮化镓、氮化硅、硅或锗。

进一步地，所述基底和纳米结构单元的介电常数的比值在1：1.2～1:3.7。

进一步地，所述纳米结构单元采用准周期或者周期性排布，其周期p为0.45λ～0.8λ，λ为入射光波波长。

进一步地，所述振幅型光学器件的工作波长为250nm-1mm的范围内。

进一步地，所述纳米结构单元均有相同的高度h，h的范围为0.4λ～1.9λ，λ为入射光波波长。

进一步地，所述纳米结构单元横截面的形状为长方形、正方形、椭圆形或圆形。

进一步地，当纳米结构单元横截面的形状为长方形、正方形或椭圆形时，其长短轴的尺寸范围为0.2p～0.8p；所述纳米结构单元的长轴与x轴夹角为0-180°；当纳米结构单元横截面的形状为圆形时，其半径的尺寸范围为0.1p～0.4p，p为纳米结构单元的周期。

本发明提供的基于全介质超表面结构的振幅型光学器件，选择无损耗高折射率材料作为纳米结构单元，基于相邻纳米结构单元的干涉效应，通过调节超表面阵列中纳米单元结构的排布周期、几何形状、尺寸大小和方位角，以使得相邻纳米单元结构的相位差满足特定的值，可以实现对光波的振幅调控。与相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的振幅型光学器件具有超薄的厚度(亚波长量级)，有利于器件与纳米光子学系统相结合。

(2)由于基底为无损耗低折射率材料，超表面纳米结构单元的材料为无损耗高折射率介质材料或者半导体材料，因此本发明的超表面振幅型光学器件具有优异的振幅调控效率。

(3)本发明的振幅型光学器件包括偏振相关和偏振无关两种类型的器件。对于偏振无关型器件，任意的偏振态入射都可以获得相同的振幅调制。偏振相关型器件增加了超表面的可调控自由度，在任意的两种正交偏振态入射下，器件可以独立地操控两种不同的振幅，可以实现宽波带下的二向色性，从而作为宽带的二色性光学器件，有潜力应用于光学数据存储、光学加密、防伪等领域。本发明在对亚波长量级光场振幅调控方面有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例纳米单元结构的侧视图，其中，1-二氧化钛介质柱，2-石英玻璃基底。

图2是本发明实施例纳米单元结构的俯视图。

图3是本发明实施例中仿真的矩形纳米结构单元在不同尺寸和510nm波长下的相位延迟量图。

图4是本发明实施例中仿真的矩阵纳米结构单元在不同尺寸和510nm波长下的电场强度图。

图5是本发明实施例振幅型光学器件一部分区域的俯视图(左图)和其中一个单元组的放大图(右图)。

图6是本发明实施例的其中一个单元组在一对正交圆偏振光入射下得到的偏振转化效率(实线表示右旋圆偏振光，虚线表示左旋圆偏振光)。

图7是本发明实施例中仿真的偏振相关的振幅型光学器件在波长为510nm的正交圆偏振光入射下的电场强度分布图，(a)右旋圆偏振光，(b)左旋圆偏振光。

图8是本发明实施例中仿真的偏振无关的振幅型光学器件在波长为510nm，偏振态各不相同的6种偏振光入射下的电场强度分布图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本发明基于全介质超表面结构的振幅型光学器件，设计具有高对称性的全介质超表面纳米结构单元，纳米结构单元的横截面可以是任意几何图形，例如长方形、正方形、椭圆形或圆形，具体可以为纳米柱、纳米盘或纳米孔等微结构。基底为无损耗低折射率材料，如石英玻璃、氟化钙、氟化钡，以及红外硫系玻璃等。纳米结构单元的材料为无损耗高折射率介质材料或者半导体材料，例如三氧化二铝、氮化镓、二氧化铪、二氧化钛、硅、氮化硅、锗等。

以下实施例均以横截面为长方形或正方形的二氧化钛柱为例，超表面纳米结构单元在基底上采用准周期或者周期性排布，每个周期单元为一个微结构超表面单元，如图1所示，微结构超表面单元包括两个部分，1为二氧化钛介质柱，2为石英玻璃基底，周期p＝320nm，p是每个纳米结构单元所占基底的边长，全介质超表面纳米结构单元的高度均为h＝600nm。微结构超表面单元结构的俯视图如图2所示，纳米柱横截面的形状为长方形或正方形。

实施例1

本实施例提供一种偏振相关振幅型光学器件。以波长λ＝510nm作为器件的工作波长，分别以左旋圆偏振光和右旋圆偏振光作为入射光。经过模拟计算，可以在相同波长，偏振方向沿x轴的线偏振光入射下建立一个数据库，得到一系列具有不同尺寸大小的纳米结构单元的相位延迟和电场强度。本实施例纳米柱的长和宽的取值范围均是50nm到310nm，并以5nm为间隔取离散值，相位延迟量参见图3，电场强度参见图4。在选择纳米结构单元时应尽量选择电场强度较高的结构参数，这有利于器件具有较高的偏振转化效率。其次，应使所选取的一组纳米结构单元的参数改变引起的相位变化覆盖0-2π。进而在其中再筛选一组纳米单元结构，使各单元结构的相位延迟等间距的覆盖0-2π范围。纳米单元结构所具有的相位延迟值可为8阶、10阶以及其他阶数。几何相位可以通过控制相邻纳米结构单元的方位角差来控制。通过matlab设计两幅字母图案不同，尺寸相同的灰度图，结合由相邻结构尺寸大小差异引起的传播相位差和由相邻结构方位角差引起的几何相位差，基于相邻纳米结构的干涉效应，在fdtd中循环生成符合特定相位差条件的一系列纳米结构单元，周期性分布排列在基底上，所生成器件的一部份区域的俯视图如图5左图所示，所需满足的相位差表达式如下：

其中，是相邻结构单元的复振幅之间的相位差，|u^±(x,y)|为相邻结构单元出射光波的振幅值，以器件中心的纳米结构单元中心为原点，(x,y)表示纳米结构单元在器件上的位置坐标，±表示任意一对正交的偏振态；和是相邻结构单元在任意一对正交的偏振态操纵下的相位差，|u⁺(x,y)|与|u^-(x,y)|为相邻结构单元在任意一对正交的偏振态操纵下的振幅值，当和相同时，即|u⁺(x,y)|与|u^-(x,y)|的值相同，该类型的纳米单元阵列构成与入射光的偏振态无关的超表面器件；当|u⁺(x,y)|与|u^-(x,y)|的值不同时，构成与入射光的偏振态相关的超表面器件。

本实施例纳米结构单元组成的阵列包括多个单元组，其中一个单元组的放大图如图5右图所示，每个单元组包括4个纳米结构单元a1、a2、b1、b2，这4个纳米结构单元分为两对，每对是由处于对角线上的2个不相邻的结构单元组成，即a1和a2组成一对，b1和b2组成一对。每一对中的两个结构单元的几何形状、尺寸大小和方位角(长轴与x轴夹角)相同。每个单元组的周期为2p。

基于传播相位、几何相位和干涉效应，图5右图所示的结构单元组表现为：左旋圆偏振光控制的输出振幅为0，右旋圆偏振光控制的输出振幅为1。在该结构单元组中，纳米结构单元a1和a2的参数为：长轴la为230nm，短轴wa为95nm，方位角θ为35°；纳米结构单元b1和b2的参数为：长轴lb为290nm，短轴wb为110nm，α为45°，方位角θ+α为80°。

通过fdtd的仿真模拟计算，得到结构单元组在波长范围为475nm-560nm，正交圆偏振光入射下的偏振转化效率，如图6所示，其中，实线表示结构单元组在右旋圆偏振光入射下的偏振转换效率，虚线表示结构单元组在左旋圆偏振光入射下的偏振转换效率，由谱线可以看出，相邻的结构单元组可独立操纵正交圆偏振光的振幅，且具有优异的振幅调控效率，表现出优良的宽带二向色性。

通过仿真模拟，本实施例的偏振相关振幅型光学器件在波长为510nm的正交圆偏振光入射下，得到两幅具有不同字母图案的电场强度分布图，如图7所示，充分说明本实施例偏振相关振幅型光学器件可以对两种正交圆偏振态实现完全解耦合，两种正交圆偏振光可以独立地操控两种不同的振幅，且可以操纵输出振幅为任意、连续的值。

实施例2

本实施例提供一种偏振无关振幅型光学器件。以波长λ＝510nm作为器件的工作波长，对每一个结构单元组而言，设计为在任意的偏振态入射下，|u⁺(x,y)|与|u^-(x,y)|均相同，因而与相同，其余设计步骤与实施例1中偏振相关振幅型光学器件同理。通过仿真模拟，在波长为510nm，偏振态各不相同的6种偏振光入射下，得到六幅几乎具有相同字母图案的电场强度分布图，如图8所示，说明对于本实施例偏振无关振幅型光学器件，在任意的偏振态入射下都可以获得相同的振幅调制，丰富了本发明的功能性和可设计性。

综上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。