[發(fā)明專利]一種具有連續(xù)振幅和相位調(diào)控的亞波長孔結(jié)構(gòu)陣列

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410317149.2
• 申請日: 2014-07-04
• 公開（公告）號: CN104076531B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳剛;溫中泉;陳李;何應(yīng)虎
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01
• 代理公司: 重慶華科專利事務(wù)所50123
• 代理人: 康海燕

1.一種具有連續(xù)振幅和相位調(diào)控的亞波長孔結(jié)構(gòu)陣列，其特征在于包括金屬膜層(1)和雙層孔結(jié)構(gòu)單元(2)；

所述金屬膜層(1)是一層具有一定厚度的金屬材料膜；

所述雙層孔結(jié)構(gòu)單元(2)是由在金屬膜層(1)內(nèi)制作的上層孔和下層孔組成，上層孔和下層孔為同軸通孔；上層孔的上端面與金屬膜層(1)上表面齊平，下層孔的下端面與金屬膜層(1)下表面齊平；上層孔直徑為D₁，下層孔直徑為D₂，D₁和D₂小于波長λ，上層孔深度為t₁，下層孔深度為t₂；所述雙層孔結(jié)構(gòu)單元(2)在金屬膜層(1)上呈陣列分布；對給定波長的電磁波，通過在平面空間內(nèi)改變每個單元上層孔直徑、深度和下層孔直徑、深度來調(diào)節(jié)雙層孔結(jié)構(gòu)單元的等效折射率，進而實現(xiàn)在平面空間內(nèi)振幅和相位連續(xù)調(diào)控；

確定雙層孔結(jié)構(gòu)單元(2)的參數(shù)D₁、t₁、D₂、t₂的方法如下：

(1)根據(jù)給定的工作波長λ，選用折射率接近于理想金屬折射率的實際金屬，即，所選用的實際金屬材料折射率實部應(yīng)該盡可能小、折射率虛部應(yīng)該盡可能大；

(2)雙層孔結(jié)構(gòu)單元(2)可以分別看成兩個單層金屬孔結(jié)構(gòu)的組合，為了確定雙層孔結(jié)構(gòu)深度t₁和t₂，必須先確定單層金屬孔單元的等效折射率，即通過有限時域差分法數(shù)值模擬，對于給定波長λ，在平面波垂直入射條件下，對于給定陣列周期，即單元尺寸a，求解單層金屬孔單元的等效折射率n_eff＝n_R+in_I與金屬孔直徑D的關(guān)系，其中n_R是等效折射率的實部，n_I是等效折射率的虛部，i為單位虛數(shù)，在n_eff與D的關(guān)系曲線中，存在一個臨界直徑D_c，當(dāng)D>D_c時，n_I近似為零；

(3)根據(jù)單層金屬孔單元的等效折射率n_eff與金屬孔直徑D的關(guān)系，分別確定上層孔深度t₁和下層孔深度t₂；

(3.1)根據(jù)所要實現(xiàn)的振幅調(diào)節(jié)范圍的最小值A(chǔ)_min，在直徑D₁小于臨界直徑D_c的前提條件下，根據(jù)所有D₁取值對應(yīng)等效折射率中虛部最大值n_Imax，確定上層孔的深度

(3.2)根據(jù)所需要實現(xiàn)的最大相位延遲φ_max，在直徑D₂大于臨界直徑D_c的前提條件下，根據(jù)所有D₂取值對應(yīng)等效折射率中實部最大者n_Rmax，確定下層孔深度

(4)求解雙層孔結(jié)構(gòu)單元(2)直徑(D₁，D₂)與振幅透射率、相位延遲的關(guān)系：根據(jù)所求得的上層孔深度t₁和下層孔深度t₂，通過有限時域差分法數(shù)值模擬，對于給定波長λ，在平面波垂直入射條件下，對于給定陣列周期a，求解雙層孔結(jié)構(gòu)單元的振幅透射率、相位延遲與直徑(D₁，D₂)的關(guān)系；讓下層孔直徑D₂和上層孔直徑D₁兩者的取值在0到a范圍內(nèi)變化，得出各種直徑取值組合(D₁，D₂)對應(yīng)的振幅透射率和相位延遲。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有連續(xù)振幅和相位調(diào)控的亞波長孔結(jié)構(gòu)陣列，其特征在于：在光學(xué)器件設(shè)計時，根據(jù)光學(xué)器件振幅透射率和相位延遲在平面空間分布的要求，在空間相應(yīng)位置采用滿足對應(yīng)振幅透射率、相位延遲要求的雙層孔結(jié)構(gòu)單元(t₁，t₂，D₁，D₂)，便可以實現(xiàn)器件所需的振幅透射率和相位延遲的空間分布，達到光學(xué)器件所設(shè)計的功能。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有連續(xù)振幅和相位調(diào)控的亞波長孔結(jié)構(gòu)陣列，其特征在于：根據(jù)所需要的最大等效折射率，確定所需要的填充材料，在雙層孔結(jié)構(gòu)單元內(nèi)填充折射率為n_core的介質(zhì)材料，其中n_core大于空氣的折射率n_air＝1，使其等效折射率的實部最大值為填充介質(zhì)的折射率n_core，這樣在不改變金屬孔深度t₂前提下，使光程增加到n_coret₂，從而提高雙層金屬孔的相位調(diào)控范圍；同時，填充介質(zhì)可以提高金屬孔對光場的徑向約束，即減小金屬孔內(nèi)等效波長，從而可以減小陣列的周期a，提高振幅、相位連續(xù)調(diào)控的空間分辨率。