基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件及设计方法与流程

1.本发明属于可调谐器件技术领域，涉及一种基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件及设计方法。


背景技术：

2.超表面是一种超薄的二维阵列表面，由周期性排列的超材料单胞组成，可以通过改变单胞的材料、结构、形状和尺寸去实现对入射电磁波的振幅、相位和偏振调制，实现对电磁波的波前控制。与传统的沿传播方向逐渐积累相位的波前调制不同，基于超表面的波前调制与平面的相位突变有关，打开了紧凑、小型化器件超越传统笨重的光学器件一个新的窗口。
3.超表面提供了强大的信息调制能力和独特的局部场增强能力，可以设计许多光学组件，如分束器、聚焦透镜、偏振转换器和全息板。而一个单一的超表面一般只能实现一个光学功能，否则只能通过组合多个庞大的光学元件来实现。
4.在实际应用中，需要超表面对光有多功能的操控，这就需要提高自由度。因此，迫切需要一种新颖的、简单的超表面结构，可以多功能地控制全空间光操纵，在实现多功能的前提下尽可能降低设计复杂性。单层介质超表面在前文描述中已被证明能够实现对可见光的高效操纵。那么可以合理的考虑到，利用多层介质超表面可以进一步扩展光控制的自由度，其中双层超表面是近几年来研究的热点问题。
5.迄今为止，大多数报道的双层介质超表面大部分工作主要用于单色像差校正、多波长控制、偏振控制以及一些其他设计。另外，在通常情况下，基于超表面的光操控在透射或反射空间中单独实现，由于另一半空间没有被利用，这会阻碍超表面的信息容量提高和多功能的应用。到目前为止，已经报道过几个关于全空间光操作的例子，发现对于双层超表面在全空间光控制方面的设计依然是不够丰富，并且很难实现透射和反射光的相位解耦问题。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于如何设计一种基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件，从而提高器件的集成度，实现全空间聚焦焦点强度比动态可调。
7.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
8.基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件，包括：双层超表面结构(1)、基底(2)；所述的双层超表面结构(1)包括：多个第一介质柱(11)、多个第二介质柱(12)、封装介质层(13)；多个所述的第一介质柱(11)周期性设置在基底(2)上并由封装介质层(13)封装形成第一层超表面，多个所述的第二介质柱(12)设置在第一层超表面的上方并暴露在空气中形成第二层超表面；所述的基底(2)的折射率小于介质柱的折射率；所述的第一层超表面实现半波板的功能，用于提高透过第二层超表面的偏振光的偏振转换效率，所述的第二层超表面用于控制入射电磁波的反射透射比率。
9.本发明的全空间光场强度可调谐器件采用双层超表面结构(1)，实现了全空间光操控，和传统的在一个单胞内填充多个结构的纳米柱的设计不同，传统方法存在元原子之间的串扰和空间填充限制的问题，导致效率降低和不必要的衍射阶数。而本发明的全空间光场强度可调谐器件在三维空间中获得额外的自由度，并且能够独立的操控反射和透射光的波前，提高了器件的集成度。
10.进一步地，所述的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件的工作原理如下：入射rcp圆偏振光，在反射和透射空间同时出现聚焦焦点；改变第一层超表面中的第一介质柱(11)的结晶分数，从而改变第一介质柱(11)的折射率，使第一层超表面对入射电磁波的透射和反射系数发生改变，进而透射和反射空间焦点强度比发生变化；当第一层超表面中的第一介质柱(11)的结晶分数不变时，改变第二层超表面中的第二介质柱(12)的结晶分数，实现透射空间中聚焦焦点的焦距变化。
11.进一步地，所述的第二介质柱(12)与第一层超表面中的第一介质柱(11)一一对应、上下对齐。
12.进一步地，所述的第一层超表面中的第一介质柱(11)与第二层超表面中的第二介质柱(12)由封装介质层(13)分隔开。
13.进一步地，所述的基底(2)的材料采用氟化钙。
14.进一步地，所述的第一介质柱(11)、第二介质柱(12)的材料均采用gst相变材料。
15.进一步地，所述的封装介质层(13)的材料采用二氧化硅。
16.应用于所述的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件的设计方法，包括以下步骤：
17.s1、入射x偏振光和y偏振光对多个第一介质柱(11)的长、宽及高度进行参数化扫描，得到满足|t
xx
||t
yy
|、条件的第一介质柱(11)作为半波板，设置在基底(2)上并封装在封装介质层(13)中形成第一层超表面；
18.s2、入射rcp圆偏振光对多个第二介质柱(12)的长、宽及高度进行参数化扫描，得到交叉偏振光透射率、反射率及共极化偏振光透射率、反射率均符合要求的第二介质柱(12)并设置在封装介质层(13)上作为第二层超表面；
19.s3、通过聚焦公式算出聚焦在不同位置时rcp圆偏振光所需要的相位分布，分别对第一层超表面中的第一介质柱(11)、第二层超表面中的第二介质柱(12)沿光轴方向分别旋转θ1、θ2角度，当rcp圆偏振光入射时，透射光束经过双层超表面结构(1)后产生2(θ
2-θ1)相移，与入射光具有相同螺旋度的分量，而反射光束在第二层超表面发生反射产生2θ1相移，与入射光具有相反螺旋度的分量。
20.进一步地，所述的聚焦公式的计算过程如下：
21.为了同时在透射和反射空间聚焦，相移的空间变化必须满足以下条件：
[0022][0023]
其中，φf(x,y)为相移的空间变化，λ为设计波长，f为焦距，x、y为离散的空间坐标；
[0024]
在反射和透射空间同时聚焦的相变必须满足以下条件：
[0025][0026]
其中，f1为反射空间的焦距，f2为透射空间的焦距；
[0027]
通过上述公式计算得到空间坐标中每个介质柱所需要的旋转角度。
[0028]
本发明的优点在于：
[0029]
(1)本发明的全空间光场强度可调谐器件采用双层超表面结构(1)，实现了全空间光操控，和传统的在一个单胞内填充多个结构的纳米柱的设计不同，传统方法存在元原子之间的串扰和空间填充限制的问题，导致效率降低和不必要的衍射阶数。而本发明的全空间光场强度可调谐器件在三维空间中获得额外的自由度，并且能够独立的操控反射和透射光的波前，提高了器件的集成度；
[0030]
(2)采用高折射率相变材料gst作为结构单元做调制结构、低折射率介质材料制作基底，在选定工作波长下具低损耗，实现了入射光低损耗的聚焦。
附图说明
[0031]
图1是本发明的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件工作原理图；
[0032]
图2是本发明的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件的阵列单元结构图；
[0033]
图3是本发明的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件在改变第二层超表面的第二介质柱的结晶分数时透射率和反射率变化示意图；
[0034]
图4是本发明的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件的第一层超表面的第一介质柱的x和y极化的透射率和相位分布随波长变化示意图；
[0035]
图5是本发明的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件的第二层超表面的第二介质柱在m1＝0，m2＝0.1时透射率和反射率随波长变化示意图；
[0036]
图6是本发明的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件的全空间可调谐强度比器件的仿真电场结果图；
[0037]
图7是本发明的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件的在m1＝0.45、m2＝0时的全空间可调谐强度比器件的仿真电场结果图。
具体实施方式
[0038]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
[0040]
实施例一
[0041]
如图1和图2所示，一种基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件，包括：双层超表面结构1、基底2；所述的双层超表面结构1包括：多个第一介质柱11、多个第二介质柱12、封装介质层13；所述的基底2的材料采用氟化钙(caf2)，第一介质柱11、第二介质柱12的材料均采用gst(ge2sb2te5)相变材料，封装介质层13的材料采用二氧化硅；多个所述的第一
介质柱11周期性设置在基底2上并由封装介质层13封装形成第一层超表面，多个所述的第二介质柱12设置在第一层超表面的上方并暴露在空气中形成第二层超表面；所述的第二介质柱12与第一层超表面中的第一介质柱11一一对应、上下对齐。所述的第一层超表面中的第一介质柱11与第二层超表面中的第二介质柱12由封装介质层13分隔开；所述的基底2折射率小于第一介质柱11或第二介质柱12的折射率；所述的第一层超表面实现半波板的功能，用于提高透过第二层超表面的偏振光的偏振转换效率，所述的第二层超表面用于控制入射电磁波的反射透射比率。本发明实施例的可调谐器件可工作在中红外波段，波长为3.853um，中红外波段在环境监测、生物医学以及军事等领域都有广泛的应用需求。
[0042]
本发明实施例的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件的设计方法如下：
[0043]
步骤1、分别入射x偏振光和y偏振光，通过对多个第一介质柱11的长、宽及高度进行参数化扫描，得到满足|t
xx
||t
yy
|、条件的第一介质柱11，作为半波板，放置在基底2上并封装在封装介质层13中形成第一层超表面。
[0044]
所述的第一介质柱11有三个变量，分别为矩形柱的长l、宽w以及高度h，改变l、w和h，可以实现不同偏振态的相位调制。本发明的可调谐器件的第一层超表面作为半波板，有高的偏振转换效率；仿真时，分别入射x偏振光和y偏振光，扫描gst柱的尺寸，通过对矩形柱的长l、宽w和高度h进行参数化扫描来得到第一介质柱11的尺寸参数与反射率、透射率的对应关系，为设计超表面寻找合适的尺寸参数做准备；如图4所示为x和y极化的透射率和相位分布随波长变化示意图。
[0045]
步骤2、入射rcp圆偏振光，通过对多个第二介质柱12的长、宽及高度进行参数化扫描，得到第二介质柱12的尺寸并设置在封装介质层13上作为第二层超表面。通过仿真扫描gst的长、宽、高，得到在工作波长3.853um下，对rcp圆偏振光具有高的交叉极化透射率和反射率，共极化透射率反射率较低，如图5所示，当m2＝0.1时，交叉偏振光透射率(t
cross
)、反射率(r
cross
)较高，而共极化透射率(t
co
)、反射率(r
co
)近似为0，实现全空间的高效率聚焦。
[0046]
步骤3、基于几何相位原理，调控rcp圆偏振光的相位，通过聚焦公式算出聚焦在不同位置偏振光所需要的相位分布，分别对第一层超表面中的第一介质柱11、第二层超表面中的第二介质柱12旋转相应角度。
[0047]
双层超表面的每个单元由两个亚波长尺度的各向异性纳米砖组成，沿光轴方向配置。基于几何相位理论，研究了各向异性纳米砖的取向角被合理地设计为同时、任意、独立地操纵透射和反射空间中的相位。另外，采用可调材料，改变其结晶分数，对透射和反射的聚焦效率比实现动态可调。为了验证本发明的设计，需要制作单个双层超表面样品，分别作为全空间的聚焦透镜。所提出的双层超表面具有在透射、反射空间中完全独立的相位操纵光的特性，有望应用于高密度信息存储、全空间光功率分裂、高端成像和全视场光学传感。从理论上证明了类似的现象可以发生在两层pb相元原子上：可以观察到相移等于两层旋转角差。在理论计算的基础上，利用多层pb相结构可以实现任意控制焦斑位置。
[0048]
如图2所示的普通轴和特殊轴(o和e)的各向异性纳米结构，具有线偏振的光的复透射系数沿着普通轴和特殊轴分别表示为t0和te。当元原子相对于轴(x和y)旋转一个θ的角度时，传输系数可以通过下面的琼斯矩阵形式得到：
[0049]
[0050]
为了简单和清晰，在圆偏振的基础上分析：
[0051][0052]
现在，如果有两层pb相位元素相互叠加，假设它们的旋转角度为θ1、θ2，复传输系数分别为t0、te和t'0、t'e：
[0053][0054]
为简单起见，将使用以下符号：
[0055][0056]
经过线性计算后，系统的琼斯矩阵变成了：
[0057][0058]
对于通过系统的右旋圆偏振输入，透射光可以表示为：
[0059][0060]
它包含四个衍射阶：第一阶与入射光具有相同的螺旋度和相位；第二阶与入射光具有相同的螺旋度，但它经历了2(θ
2-θ1)的相变，后两阶的螺旋度与入射光相反，并分别经历了-2θ1和-2θ2的相移。理论上，利用这些相变可以设计出具有三个聚焦点的透镜。然而，只有两个自由度θ1和θ2是不可能任意控制三个焦点的。而后两阶交叉偏振分量可以通过四分之一波板(qwp)和分析仪进行过滤。根据上述分析，两层pb相位元素的元原子的结合具有独立、同时控制透射和反射空间中的pb相的能力。
[0061]
透射光束经过过滤具有一个2(θ
2-θ1)相移的与入射光具有相同螺旋度的分量，而反射光束具有2θ1相移的与入射光具有相反螺旋度的分量。为了同时在透射反射空间聚焦，相移的空间变化必须满足以下条件：
[0062][0063]
其中，λ为设计波长，f为焦距，x、y为离散的空间坐标。在反射和透射空间同时聚焦
的相变必须满足等式(8)中的条件：
[0064][0065]
通过聚焦公式(7)和(8)计算，可以得到空间坐标中每个单胞所需要的旋转角度，通过按顺序排列，实现全空间聚焦。这里设置f1为5倍波长，f2为6倍波长。
[0066]
对于反射光来说，入射rcp偏振光到超表面结构表面，设计的元原子的结构尺寸，具有较高的交叉偏振反射率，基于几何相位的原理，其反射的交叉偏振光会携带两倍的旋转角相关的相位。
[0067]
如图6所示，本发明实施例的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件可实现透射和反射焦点强度比可调，其方法如下：
[0068]
理论上，不同尺寸的纳米柱的共振不同，从而可以调整透射和反射转换效率的比例。这一特性对于全空间器件的设计具有重要意义。在本发明的基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件在设计透镜时实现全空间聚焦焦点处的强度比动态可调，与传统方法改变元原子的结构尺寸不同，透射的rcp光和反射的lcp光可以由第二层的gst柱控制。这一性质表示焦点位置和相对强度的解耦，从而可以实现焦距和强度比的任意组合。
[0069]
如图3所示，控制第二层gst柱的结晶分数(m2)的变化，可以改变其相对折射率，从而使透射率和反射率发生变化，实现透射、反射聚焦焦点强度比动态可调。另外，通过调节第一层gst柱的结晶分数(m1)，改变其相对折射率，此时，gst柱不作为半波板工作，控制m1＝0.45、m2＝0，此时t2'＝0，对于通过系统的右旋圆偏振输入，透射光可以表示为：
[0070][0071]
它包含两个衍射阶：第一阶与入射光具有相同的螺旋度和相位；第二阶与入射光具有相同的螺旋度，但它经历了2θ1的相变，并且该阶衍射光相位满足聚焦公式(8)，焦距改变为6倍波长，结果如图7所示。
[0072]
本发明根据几何相位理论选取不同取向角的介质柱实现同时、任意、独立地改变透射和反射空间中的相位，进而操纵全空间中的电磁波；对于rcp圆偏振光入射，针对入射rcp圆偏振光，控制反射和透射输出光的两个正交圆偏振光的相位解耦在反射空间和透射空间同时出现焦点，焦距和焦点位置可以设置不同，从而独立地操纵电磁波在反射和透射空间中的相位，实现全空间光的操控；当控制第二层gst柱的结晶分数从0变化为0.2时，可以实现反射和透射焦点强度比的动态可调。各向异性的介质柱相当于微型波导，对于不同尺寸参数的纳米柱的共振不同，可以控制反射和透射比率，这一特性对于全空间器件的设计具有重要意义。在本发明在设计透镜时实现全空间聚焦焦点处的强度比动态可调，与传统方法改变元原子的结构尺寸不同，本发明是通过控制gst柱的结晶分数变化，在不改变结构的情况下，可以实现对于rcp圆偏振光的透射和反射转换效率的比例，从而实现反射和透射聚焦焦点的强度比动态可调的功能。控制第一层gst柱的结晶分数，可以实现透射模式下的，焦点焦距变化。
[0073]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施
例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。