亚波长天线、波长可控的超透镜及超透镜设计方法

本发明涉及微纳光子学技术领域，特别是涉及一种亚波长天线、波长可控的超透镜及超透镜设计方法。

背景技术：

超表面，由亚波长光学散射体组成的超薄平面，具有任意操控电磁波波前的能力，在过去几年引起了研究者们的极大关注。通过在空间上排列不同结构参数的亚波长天线，可设计出各种不同的功能器件，如波束偏折器、平面透镜、玻片和超表面全息图。超表面基功能器件的高分辨率和高精度，使其在新一代可穿戴设备和成像/传感的薄光学系统中具有广阔的应用前景。但目前大多超表面功能器件都是静态的，不具备动态可调谐性，极大地限制了超表面器件的应用场景。

近年来，研究者们提出利用不同的调制技术来设计实现动态的超表面器件，如：利用弹性体的机械形变、将相变材料或液晶作为嵌入介质、利用电/光控二极管等。然而在大多数方案中，超表面由不同材料组成，如弹性材料、相变材料或二极管贴片材料，结构的复杂性增加了结构的制备难度。同时，弱的光与物质相互作用导致折射率变化较小，动态超表面的调制深度通常较小。2020年，美国斯坦福大学jennifera.dionne教授课题组提出在si纳米棒中引入细微的周期性扰动，提高结构共振模式的品质因子(q>5000)，放大折射率变化。随后基于非线性克尔效应，实现了具有动态聚焦能力的二维高q超透镜。然而，si纳米棒中的周期刻痕超小的尺寸(～50nm)难以精确制造，且细微的周期扰动难以应用于三维超透镜的设计中。

综上所述，目前实现易于制备的具有良好性能的动态超透镜仍然面临着巨大的挑战。此外，具有波长(偏振或角度等)依赖特性的动态超表面尚未被报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种亚波长天线、波长可控的超透镜及超透镜设计方法，通过空间排列不同结构参数的亚波长天线(全金属c形天线)，实现了波长操控的动态可切换和变焦超透镜。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种亚波长天线，包括谐振器和金属衬底，所述谐振器设置于所述金属衬底上，所述谐振器为设有开口的c形环。

所述c形环的开口角度范围为10°～350°。

所述c形环的半径范围为100nm～180nm。

所述金属衬底由金、银或铝制成。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种波长可控的超透镜，包括若干上述的亚波长天线，若干所述亚波长天线基于振幅相位分布物理模型进行空间排列，若干所述亚波长天线的c形环具有不同的开口角度和半径。

所述振幅相位分布物理模型的公式为：其中，(x,y)为超透镜的空间位置坐标，n为超透镜周围介质的折射率，f为超透镜的焦距，λ0为入射光的真空波长。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种超透镜设计方法，包括：

步骤(1)：构建关于超透镜的振幅相位分布物理模型；

步骤(2)：根据所述振幅相位分布物理模型设计若干上述的亚波长天线，其中，若干所述亚波长天线的c形环具有不同的开口角度和半径；

步骤(3)：将若干不同结构参数的亚波长天线排列构成超透镜。

所述步骤(1)中的振幅相位分布物理模型的公式为：其中，(x,y)为超透镜的空间位置坐标，n为超透镜周围介质的折射率，f为超透镜的焦距，λ0为入射光的真空波长。

所述步骤(2)中的c形环的开口角度范围为10°～350°。

所述步骤(2)中的c形环的半径范围为100nm～180nm。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明提出的亚波长天线(全金属c形天线)具有低欧姆损耗和高灵敏度，并且通过空间排列不同结构参数的全金属c形天线，实现了波长操控的动态可切换和变焦超透镜；本发明通过改变全金属c形天线的半径和开口角度，天线交叉偏振反射光的相位变化可覆盖0-2π；本发明提出的全金属c形天线极大地降低了可调超表面器件的设计难度，同时增加了可调谐的自由度，为实现可重构、多路复用和多功能的超表面器件提供了新思路。

附图说明

图1是本发明实施方式的亚波长天线结构示意图；

图2是本发明实施方式的亚波长天线俯视平面图；

图3是本发明实施方式的超透镜的结构示意图；

图4是本发明实施方式的入射光为λ0＝950nm时超透镜的聚焦效果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种亚波长天线，如图1所示，包括谐振器和金属衬底，所述谐振器设置于所述金属衬底上，所述谐振器为设有开口的c形环；故本实施方式中的亚波长天线为全金属c形天线，并且该全金属c形天线支持偏振正交的对称模式和反对称模式。所述金属衬底由金、银或铝制成，因金属衬底的存在，该全金属c形天线的电磁场大部分局域在外界环境中(>95％)，天线具有低的欧姆损耗和高的灵敏度。利用激光诱导气泡效应可将全金属c形天线邻近介质从水切换到微米气泡，对应折射率变化量为δn＝-0.333，导致天线共振模式的波长移动量(蓝移)大于200nm。

如图2所示，所述谐振器设置于所述金属衬底表面的中心位置上，所述c形环的开口角度θ的范围为10°～350°，所述c形环的半径r的范围为100nm～180nm，通过改变全金属c形天线的半径r和开口角度θ，可有效的操控天线交叉偏振反射光的振幅和相位，以下通过一个例子进行详细说明：

例如当c形环的半径r＝150nm，通过改变天线开口角度θ(100°～280°)，可得到下述现象：

(1)当入射光波长为λ0＝650nm时，介质折射率为n＝1.0时天线交叉偏振反射振幅大于介质折射率为n＝1.333下的反射振幅，且n＝1.0下反射相位的变化可覆盖0-2π，在n＝1.333下反射相位的变化略小于2π。

(2)当入射光波长为λ0＝700nm时，介质折射率为n＝1.0和n＝1.333下天线交叉偏振反射振幅基本相当，相位均可覆盖0-2π。

(3)当入射光波长为λ0＝850nm时，介质折射率为n＝1.333下天线交叉偏振反射振幅大于介质折射率为n＝1.0下的反射振幅，且n＝1.333下反射相位的变化可覆盖0-2π，而n＝1.0下反射相位的变化不能覆盖0-2π。

根据上述波长依赖特性，本实施方式还提供一种波长可控的光学器件，所述光学器件包括但不限于超透镜、超表面全息图、波束偏折器。本实施方式以超透镜为例，该超透镜包括若干不同结构参数(即不同开口角度和半径的c形环)的亚波长天线，若干所述亚波长天线通过空间排列构成超透镜。

本实施方式还涉及一种超透镜设计方法，包括：

步骤(1)：构建关于超透镜的振幅相位分布物理模型。

所述步骤(1)中的振幅相位分布物理模型的公式为：其中，(x,y)为超透镜的空间位置坐标，n为超透镜周围介质的折射率，f为超透镜的焦距，λ0为入射光的真空波长。

步骤(2)：根据所述振幅相位分布物理模型设计若干不同结构参数的亚波长天线，即若干所述亚波长天线的c形环具有不同的开口角度和半径，以精确匹配物理模型中的振幅相位分布。

所述步骤(2)中的c形环的开口角度范围为10°～350°，c形环的半径范围为100nm～180nm。

步骤(3)：将若干不同结构参数的亚波长天线排列构成超透镜。

进一步地，图4为超透镜在焦平面中心沿x轴方向的强度变化图，具体展示了在入射光为λ0＝950nm时超透镜的聚焦效果，聚焦光斑的半高全宽可达到衍射极限(0.5λ0/na)。故当超透镜周围介质的折射率从n＝1.333变化到n＝1.0时，本实施方式设计的超表面结构可实现在λ0＝800nm时动态的变焦透镜，在入射光波长在850nm到1000nm范围内实现具有高调制深度的宽带的动态可切换透镜。

值得一提的是，本实施方式中的亚波长天线亦可在其他波段范围内(如可见光波段、红外波段、太赫兹波段)设计实现波长可控的超表面光学器件，仅需要相对应的修改亚波长天线的结构参数即可。

由此可见，本发明提出的亚波长天线(全金属c形天线)具有低欧姆损耗和高灵敏度，并且通过空间排列不同结构参数(即半径和开口角度)的全金属c形天线，实现了波长操控的动态可切换和变焦超透镜。