一种用于强偏振光场调控的液浸超表面及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于强偏振光场调控的液浸超表面及其设计方法，所述超表面由若干等离子体纳米谐振单元周期排布组成，所述等离子体纳米谐振单元包括位于顶层的内嵌结构和位于底层的反射铝镜，所述内嵌结构包括外层隔离带和嵌合在所述外层隔离带内的渐变梯形台体，所述渐变梯形台体的纵截面为正方形，所述外层隔离带的长度与宽度与铝镜相同，所述渐变梯形台体的底部与所述反射铝镜贴合。本发明专利技术采用上述结构的一种用于强偏振光场调控的液浸超表面，通过内嵌结构和反射铝镜构成若干等离子体纳米谐振单元，能够对不同偏振光产生不同的偏转效果，制作方便，适合大规模产品集成。适合大规模产品集成。适合大规模产品集成。

【技术实现步骤摘要】
一种用于强偏振光场调控的液浸超表面及其设计方法


[0001]本专利技术涉及光学超表面
，尤其是涉及一种用于强偏振光场调控的液浸超表面及其设计方法。

技术介绍

[0002]传统光学元件基于几何光学以及衍射光学的原理进行光场调控，如光栅、透镜和波片等相位累积进行光束整形、操纵光的传播。由于物理光学衍射的限制，此类元件通常具有庞大的体积，在波长或者亚波长尺寸上进行光束操纵的性能有限。随着纳米光子学和纳米光学领域的发展，超表面的引入扩展了结构的物理性质，有效促进了对超出衍射极限的光学场的实质性控制。超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料，可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。
[0003]然而，当涉及到纳米光子学领域时，实现纳米尺度的光场调控是相当具有挑战性的。传统的二维超表面阵列通过选取适当的材料形成规则结构周期，包含有一系列连续变化又具有独特形状或者几何尺寸(角度、尺寸、间隙宽度)的离散等离子体纳米谐振器。每个离散的纳米谐振器对应于特定的共振相位延迟或振幅调谐，实现沿界面相移调整波前形状。到目前为止，已证明超表面能够实现异常反射和折射、光束分裂、光束聚焦和其他波前成形功能，这些功能可以在可见光、红外、太赫兹和微波频率下工作。
[0004]然而，实现具有宽带特性的可见光频段超表面以控制反射光传播仍然是一个相当具有挑战性的问题。这是因为离散纳米天线共振会在窄带频谱区域产生相移，工作带宽有限。由于金属结构中等离子体共振而对透射光产生强烈的光学损耗(欧姆损耗)，同时离散的多个元原子还使得规则反射/透射光束和其他衍射模式相互干扰产生更多不可控因素。最终欧姆损耗以及模式互扰影响下伴随反射/透射强度逐渐牺牲，从入射光束到异常光的转换效率低下。相较之下，传统光学器件都是规则标准件的制作工艺完备，离散结构超表面的加工制造难度会大。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种用于强偏振光场调控的液浸超表面及其设计方法，通过内嵌结构和反射铝镜构成若干等离子体纳米谐振单元，能够对不同偏振光产生不同的偏转效果。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种用于强偏振光场调控的液浸超表面，所述超表面由若干等离子体纳米谐振单元周期排布组成，所述等离子体纳米谐振单元包括位于顶层的内嵌结构和位于底层的反射铝镜，所述内嵌结构包括外层隔离带和嵌合在所述外层隔离带内的渐变梯形台体，所述渐变梯形台体的纵截面为正方形，所述渐变梯形台的上底贴近所述外层隔离带的一个短边内壁，所述渐变梯形台的下底贴近所述外层隔离带的另一个短边内壁，所述外层隔离带的长度和宽度均与所述反射铝镜相同，所述渐变梯形台体的底部与所述反射铝镜贴合。
[0007]优选的，所述铝镜宽度为500nm，所述铝镜长度为1100nm。
[0008]优选的，所述外层隔离带为疏水疏油的PTFE材质，所述外层隔离带的厚度为50nm。
[0009]优选的，所述渐变梯形台体为疏水亲油的PI材质，所述渐变梯形台体的纵截面正方形边长从50nm渐变到350nm，所述渐变梯形台体的底边长度为1000nm，所述渐变梯形台体的垂直腰线贴合所述外层隔离带。
[0010]一种用于强偏振光场调控的液浸超表面的设计方法，步骤如下：
[0011]S1、通过琼斯矩阵精确计算直角梯形纳米谐振器沿宽度变化的相移；
[0012]S2、建立若干与渐变梯形台体的长度保持一致，宽度均匀增加的矩形纳米棒模型，通过有限元法对纳米棒模型进行仿真；
[0013]S3、确定等离子体纳米谐振单元在正交偏振光源入射时的相位和反射系数，分别在不同偏正模式下建立渐变结构
‑
相位参数库；
[0014]S4、组合相同长度、宽度均匀的矩形纳米棒沿长度方向的相位变化，对等离子体纳米谐振单元进行物理建模，形成不添加任何物体的等离子体纳米谐振单元空阵列，即等离子体超表面模型，分别计算空阵列在不同偏振下的远场电场分布、相位和反射角，反射光线的偏转角度根据超表面的广义斯涅尔公式以及光栅方程确定；
[0015]S5、在等离子体超表面模型上滴加不同极性的液体，分别在正交的偏振模式光源下经行远场电场分析，计算其对应的远场电场实际效果图，从相位和电场强度的角度对设计得到的等离子超表面模型进行验证。
[0016]优选的，S3中，不同偏振模式分别为TE偏振模式和TM偏振模式，入射光波段范围为500
‑
1000nm，垂直入射等离子体超表面模型。
[0017]优选的，S4中，超表面的偏转角θ
r
的计算公式为：
[0018][0019][0020]式中，θ
r
和θ
t
为分别为反射光的偏转角和透射角，n
r
和n
i
分别为反射和入射时介质的折射率，θ和θ
i
为分别是梯形台体斜面倾角和入射光的偏转角度，为超表面上的几何相位梯度，λ0为入射波长。
[0021]因此，本专利技术采用上述结构的一种用于强偏振光场调控的液浸超表面及其设计方法，设计出的超表面在平坦超表面等离子体结构的几何参数(包括形状、大小、方向和周期性)变化的基础上增加三维高度变化，产生等离子体模式的界面相移，这种平面光学器件可以模拟与传统光学器件闪耀光栅类似的分束功能，用于宽带反常偏转，有助于在整个可见光频率范围内外同时拥有光栅效应和等离子体相位梯度。在没有任何交叉偏振效应的情况下为不同的偏振出射波提供完全相反的相位梯度趋势，从而产生与特定光偏振相对应的完全不同方向的多功能反射光束分裂。能够有效解决传统离散超表面结构加工实现困难的问题，通过单一结构、规则排布就实现对于入射光束的光场调控。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0022]图1为本专利技术一种用于强偏振光场调控的液浸超表面实施例的结构示意图；
[0023]图2为本专利技术实施例1的等离子体纳米谐振单元结构示意图；
[0024]图3为本专利技术实施例2的水性液体附着超表面结构示意图；
[0025]图4为本专利技术实施例3的油性液体附着超表面结构示意图；
[0026]图5为本专利技术实施例1的不同偏振模式下渐变宽度
‑
反射相位库，(a)(b)为TE偏振；(c)(d)为TM偏振；
[0027]图6为本专利技术实施例1处于TE偏振下的光场性质图：(a)
‑
(d)为不同波长下渐变相移图；(e)
‑
(h)为对应波长下远场电场图；(i)为光束反射示意图；
[0028]图7为本专利技术实施例1处于TM偏振下的光场性质图：(a)
‑
(d)为不同波长下渐变相移图；(e)
‑
(h)为对应波长下远场电场图；(i)为光束反射示意图；
[0029]图8为本专利技术实施例1入射光为红光波段，处于TM偏振下的光场性质图：(a)
‑
(b)为不同波长下渐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于强偏振光场调控的液浸超表面，其特征在于，所述超表面由若干等离子体纳米谐振单元周期排布组成，所述等离子体纳米谐振单元包括位于顶层的内嵌结构和位于底层的反射铝镜，所述内嵌结构包括外层隔离带和嵌合在所述外层隔离带内的渐变梯形台体，所述渐变梯形台体的纵截面为正方形，所述渐变梯形台的上底贴近所述外层隔离带的一个短边内壁，所述渐变梯形台的下底贴近所述外层隔离带的另一个短边内壁，所述外层隔离带的长度和宽度均与所述反射铝镜相同，所述渐变梯形台体的底部与所述反射铝镜贴合。2.根据权利要求1所述的一种用于强偏振光场调控的液浸超表面，其特征在于：所述铝镜宽度为500nm，所述铝镜长度为1100nm。3.根据权利要求2所述的一种用于强偏振光场调控的液浸超表面，其特征在于：所述外层隔离带为疏水疏油的PTFE材质，所述外层隔离带的厚度为50nm。4.根据权利要求3所述的一种用于强偏振光场调控的液浸超表面，其特征在于：所述渐变梯形台体为疏水亲油的PI材质，所述渐变梯形台体的纵截面正方形边长从50nm渐变到350nm，所述渐变梯形台体的底边长度为1000nm，所述渐变梯形台体的垂直腰线贴合所述外层隔离带。5.如权利要求1
‑
4所述的一种用于强偏振光场调控的液浸超表面的设计方法，其特征在于：步骤如下：S1、通过琼斯矩阵精确计算直角梯形纳米谐振器沿宽度变化的相移；S2、建立若干与渐变梯形台体的长度保持一致，宽度均匀增加的矩形纳米棒模型，通过有限元法对纳米棒模型进行仿真；S3、确定等离子体纳米谐振单元在...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐婷婷，何珂，李杰，梁潇，李朝阳，毛英慧，刘文莉，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：