透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件及调制方法技术

本发明专利技术提供了一种透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件及调制方法，包括三层金属结构层和两层中间介质层，每两层所述金属结构层之间设有所述中间介质层，所述金属结构层为金属微纳结构阵列，所述金属微纳结构阵列的顶层和底层为相互垂直的金属光栅阵列，所述金属微纳结构阵列的中间结构为沿与所述金属光栅阵列方向角呈45

【技术实现步骤摘要】
透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件及调制方法


[0001]本专利技术涉及超表面器件
，尤其是涉及一种透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件及调制方法。

技术介绍

[0002]超表面是指人工设计的由亚波长尺度的单元结构构成的二维平面材料，由于其性质并不主要由构成材料的固有属性决定，而是通过设计其单元结构的尺寸、几何形状、空间分布等参数决定，因此可以通过设计，使其具有自然界中材料不具有的性质，如特殊的介电常数和磁导率等。相比传统材料，超构表面具有尺寸小、轻薄、可调控、易于加工、成本低等优势，可用于制备小型化、轻量化、高度集成化的光学调制器件。
[0003]以往的工作中，通过设计复杂超表面以及改变超表面的几何参数，可以实现对透过光波的振幅、相位、偏振态特性中的某一个或者两个性质进行独立调制。比如通过使用介质超表面可以对透射光的相位和偏振进行调制，如使用各向异性的椭圆形硅柱结构，对透射光进行相位和偏振的调制，通过分别调节椭圆形硅柱沿两个主轴方向的几何尺寸，可以控制出射光的相位。或者使用十字形金属超表面，对透射光的振幅和偏振进行调制，通过整体旋转十字形超表面，可以调节出射线偏振光的偏振角度。或者使用三层金属C环组成的超表面实现了对透射光振幅和相位的调制，通过改变金属C环的半径大小，实现对透射光的振幅调制。
[0004]上述三个工作分别实现了相位/偏振，振幅/偏振和振幅/相位的独立调节，其在进行相关参数调制时，相对应的振幅、相位、偏振态分别为定值，无法根据需求进行调制。目前为止，没有发现有关实现振幅、相位、偏振独立调控超表面的报道。而振幅、相位、偏振是一束电磁波的重要内禀属性，对上述三个性质的独立调控将大大提高器件控制光束的能力，在结构光产生、光束整形、新型光子器件研制方面有着重要意义。
[0005]现有技术虽然可以利用现有的金属和介质超表面器件，可以实现对振幅、相位、偏振中的任意一个性质进行调制，也可以对某两个性质进行独立调控，但是对上述三个性质进行独立调控一直是一个难点。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件及调制方法，能够实现对透射光波振幅、相位、偏振态的独立调控，极大拓展了金属超表面的调制功能，为多种功能器件的设计和研制提供了途径。
[0007]根据本专利技术的一个目的，本专利技术提供一种透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件，包括三层金属结构层和两层中间介质层，每两层所述金属结构层之间设有所述中间介质层，所述金属结构层为金属微纳结构阵列，所述金属微纳结构阵列的顶层和底层为相互垂直的金属光栅阵列，所述金属微纳结构阵列的中间结构为沿与所述金属光栅阵列方向角呈45
°
方向对称的金属劈裂环天线。
[0008]进一步地，所述金属劈裂环天线为C形环、V形天线或L形天线。
[0009]进一步地，所述金属微纳结构阵列以及两层所述中间介质层共同组成法布里
‑
珀罗共振腔。
[0010]进一步地，所述金属光栅阵列和所述金属劈裂环天线采用厚度为100nm的金制成。
[0011]进一步地，所述中间介质层采用厚度为40μm的聚酰亚胺材料制成。
[0012]进一步地，所述金属光栅阵列的宽度w和周期d分别为10μm和20μm，所述金属劈裂环天线的外半径和内半径分别为R和r分别为45μm和35μm。
[0013]根据本专利技术的另一个目的，本专利技术提供一种透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件的调制方法，包括如下步骤：
[0014]S1，金属微纳结构阵列的顶层和底层相互垂直，定义光栅方位角θ为顶层光栅与x轴之间的角度，金属劈裂环天线开口角度为2α，
[0015]S2，定义u轴与x轴的夹角为θ+45
°
，定义v轴与x轴的夹角为θ
‑
45
°
，定义C环旋转角δ为金属劈裂环天线的对称轴与u轴之间的夹角，C环对称轴角度定义为金属劈裂环天线对称轴与x轴之间的夹角；
[0016]S3，通过调节光栅方位角θ，控制透射太赫兹波的偏振角度为θ
°
；
[0017]S4，通过调节金属劈裂环天线的开口角度2α使得透射太赫兹波的相位在0
‑
360
°
之间变化；
[0018]S5，通过改变C环旋转角δ在0
°
到45
°
之间变化，使出射太赫兹波的绝对振幅透过率在0
‑
1之间变化。
[0019]进一步地，所述金属劈裂环天线为C形环天线。
[0020]进一步地，所述金属光栅阵列的宽度w和周期d分别为10μm和20μm，所述金属劈裂环天线的外半径和内半径分别为R和r分别为45μm和35μm。
[0021]进一步地，通过调节每一层中超表面结构的几何参数，对透过光进行振幅范围为0
‑
1，相位范围为0
‑
360
°
，偏振角度为0
‑
180
°
的调制。
[0022]本专利技术的技术方案通过控制不同的三层金属超表面的几何参数，可以对透射光的振幅、相位和偏振进行独立的调控，对以上三个性质的调制分别由独立参数控制，互相不影响，可以独立进行。调制效率可以达到92％以上，拓展了超表面的调控功能。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为本专利技术实施例的结构示意图；
[0025]图2为本专利技术实施例三层金属超表面形成的法玻腔的工作原理示意图。
[0026]图3为本专利技术实施例顶层金属光栅层、中间金属C环天线层和底层金属光栅层的俯视图。
[0027]图4为本专利技术实施例512个超表面天线对透射交叉偏振太赫兹波的的振幅、相位、偏振调制。
[0028]图5为本专利技术实施例选择的振幅调制系列超表面的详细参数以及调制数据。
[0029]图6为本专利技术实施例选择的相位调制系列超表面的详细参数以及调制数据。
[0030]图7为本专利技术实施例选择的偏振调制系列超表面的详细参数以及调制数据。
[0031]图8为本专利技术实施例选择的振幅、相位调制系列超表面的详细参数以及调制数据。
[0032]图9为本专利技术实施例选择的振幅、偏振调制系列超表面的详细参数以及调制数据。
[0033]图10为本专利技术实施例选择的相位、偏振调制系列超表面的详细参数以及调制数据。
[0034]图11为本专利技术实施例选择的振幅、相位、偏振调制系列超表面的详细参数以及调制数据。
具体实施方式
[0035]下面将结合实施例对本专利技术的技本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件，其特征在于，包括三层金属结构层和两层中间介质层，每两层所述金属结构层之间设有所述中间介质层，所述金属结构层为金属微纳结构阵列，所述金属微纳结构阵列的顶层和底层为相互垂直的金属光栅阵列，所述金属微纳结构阵列的中间结构为沿与所述金属光栅阵列方向角呈45
°
方向对称的金属劈裂环天线。2.根据权利要求1所述的透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件，其特征在于，所述金属劈裂环天线为C形环、V形天线或L形天线。3.根据权利要求1所述的透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件，其特征在于，所述金属微纳结构阵列以及两层所述中间介质层共同组成法布里
‑
珀罗共振腔。4.根据权利要求1所述的透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件，其特征在于，所述金属光栅阵列和所述金属劈裂环天线采用厚度为100nm的金制成。5.根据权利要求1所述的透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件，其特征在于，所述中间介质层采用厚度为40μm的聚酰亚胺材料制成。6.根据权利要求1所述的透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件，其特征在于，所述金属光栅阵列的宽度w和周期d分别为10μm和20μm，所述金属劈裂环天线的外半径和内半径分别为R和r分别为45μm和35μm。7.一种透射光振幅、相位和偏振独立调制超表面器件的调制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，金属微纳结构阵列的顶层和底层相互垂直，定义光栅方位角θ为顶层光栅与x轴之间的角度，金属劈裂环天线开口角度为2α，S2，定义u轴与x轴的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵欢，韩春蕊，刘思远，陈卓，王宇，张岩，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：