[發(fā)明專利]基于介質超表面的波片和光學器件相結合的雙功能器件

在審

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• 申請日: 2018-04-16
• 公開（公告）號: CN108508506A
• 公開（公告）日: 2018-09-07
• 發(fā)明（設計）人: 郭忠義;沈飛;郭凱;周清峰;周紅平;朱烈
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00;G02B5/30;G02B3/00
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 汪祥虬

本發(fā)明公開了一種基于介質超表面的波片和光束偏轉器、波片和聚焦透鏡相結合的雙功能器件，工作在通信波段，采用硅作為介質材料，襯底為二氧化硅；特征是硅材料采用磚形作為單元結構的設計，按二維晶格周期性排列符合所需相位梯度的若干個磚形結構構成矩形塊陣列；所述介質超表面單元結構的硅納米磚的厚度為0.9μm。在控制相位波前實現(xiàn)偏轉器或聚焦透鏡的同時，通過調整單元結構的長和寬來控制入射光的x線偏轉光分量和y線偏轉光分量的透射的相位差，從而同時實現(xiàn)波片的功能。相比較以往的器件本發(fā)明的結構簡單，偏轉效率提高到80％，與現(xiàn)有波片和光學器件堆疊使用相比較，本發(fā)明克服了加工制作的不便，有利于光學器件的可集成性和小型化。

技術領域

本發(fā)明屬于基于人工復合材料超表面的光學器件技術領域，具體涉及基于介質超表面的波片和光束偏轉器、波片和聚焦透鏡相結合的雙功能器件。

背景技術

調控電磁波一直都是光學、物理學領域的研究熱點，檢偏器、各種透鏡、波片、偏轉器等傳統(tǒng)的光學器件在許多領域起著至關重要的作用。然而受限于自然界材料的性質，以及尺寸大、不利于集成等原因，導致許多功能無法實現(xiàn)。2000年在《Physics ReviewLetter》85期18刊上發(fā)表的一篇關于負折射超材料的文章“Negative refraction makes aperfect lens”引申出了超材料(metamaterials)的概念。超材料是由亞波長結構單元按照一定的排列方式組成的人工復合材料，它的誕生為完全操控電磁波提供了可能。超材料理論上可以實現(xiàn)任意的等效介電常數(shù)與磁導率，遠遠超過了自然材料可覆蓋的范圍，因此可以使人們調控電磁波的能力極大增強。雖然超材料取得了長足的發(fā)展，但仍存在一些固有的缺陷，例如復雜的三維立體結構——超材料一般由多層結構組成且每層之間要求對齊，即使對現(xiàn)代最先進的工藝來說也是很大的挑戰(zhàn)。此外散射損耗與相位畸變問題無法避免，這些都限制了其實際的應用。2011年《Science》334期5781刊上的“Light propagationwith phase discontinuities:generalized laws ofreflection and refraction”一文中首先提出了V形金屬天線陣列組成的超表面(metasurface)，超表面的誕生解決了超材料存在的問題，超表面是二維的、超薄的超材料，相比較而言超材料更易于實際的應用。超表面引入了突變的振幅和相位，不再依賴于傳播過程中的逐漸累積，因此基于超表面的光學器件具有超薄、微型化的特點，有利于集成器件的開發(fā)。

目前，光學器件主要是基于金屬超表面來實現(xiàn)，但由于金屬結構固有的歐姆損失以及兩種偏振分量的存在，金屬超表面的透射效率極低。而用介質結構代替金屬結構以及優(yōu)化結構參數(shù)，可以消除歐姆損失并將不可控制的偏振分量消除，從而進一步提高反射式超表面的效率。根據(jù)2014年《Nature Communications》5期s 1-4刊上的“Laser printingofsilicon nanoparticles with resonant optical electric and magneticresponses”一文中提出的硅納米粒子特性，由硅納米結構構成的介質超表面可以極大地抑制金屬超表面的固有損失，同時可以利用比較成熟的半導體制作工藝來制作介質超表面，有利于實現(xiàn)高透射、低損失、具有兼容性的光學器件。由于超表面由介質構成，超表面的吸收損失比較小，特別是長波長入射時，可以實現(xiàn)較高的效率。根據(jù)CN201510974702.4“一種基于梯度超表面的透射雙功能器件”專利所設計的多功能器件，需要將多個各自能夠實現(xiàn)各自特定的功能(偏振，振幅和波前等)的超表面組合在一塊，從而實現(xiàn)同時產生多個功能，但這種堆疊的方式對于制作加工具有很大的挑戰(zhàn)。因此，如果能在同一個平面器件上設計出將波片和偏轉器、波片和聚焦透鏡相結合的雙功能，就能更利于滿足如今對高集成多功能器件的需求。

發(fā)明內容