[發(fā)明專利]基于超表面的廣角散射和定向散射的元件結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010147224.0
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111413754B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 代塵杰;李仲陽;鄭國興;李子樂;萬成偉;楊睿;時(shí)陽陽;萬帥
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G02B5/02
• 分類號: G02B5/02;G02B27/00;G06F30/20
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 艾小倩

1.一種基于超表面的廣角散射和定向散射的元件結(jié)構(gòu)，其特征在于：利用算法設(shè)計(jì)了不同的相位梯度分布，通過算法約束光波散射范圍并結(jié)合超表面材料設(shè)計(jì)得到以實(shí)現(xiàn)可調(diào)控光波散射角度范圍的散射元件結(jié)構(gòu)；

包括：實(shí)現(xiàn)廣角散射的相位梯度分布的超表面元件和實(shí)現(xiàn)定向散射的相位梯度分布的超表面元件；

所述散射元件結(jié)構(gòu)均由若干個電介質(zhì)納米磚單元在基底上構(gòu)成的電介質(zhì)納米磚陣列組成；所述電介質(zhì)納米磚陣列中，電介質(zhì)納米磚均為等間距排列；

所述電介質(zhì)納米磚構(gòu)成的納米單元的轉(zhuǎn)向角以算法給出的相位梯度為依據(jù)，納米單元的轉(zhuǎn)向角和相位之間的關(guān)系滿足以下公式：

φ＝2θ

其中，φ為納米單元的相位，θ為納米單元的轉(zhuǎn)向角；

所述實(shí)現(xiàn)定向散射的相位梯度分布的超表面元件結(jié)構(gòu)包括：

實(shí)現(xiàn)-60°～60°散射的相位梯度分布的超表面元件，

實(shí)現(xiàn)15°～30°散射的相位梯度分布的超表面元件，

實(shí)現(xiàn)30°～45°散射的相位梯度分布的超表面元件，

實(shí)現(xiàn)45°～75°散射的相位梯度分布的超表面元件；

所述基底為二氧化硅；所述電介質(zhì)納米磚為硅納米磚；

所述電介質(zhì)納米磚陣列為透射式硅納米磚陣列。

2.一種基于超表面的廣角散射和定向散射的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：利用如權(quán)利要求1所述基于超表面的廣角散射和定向散射的元件結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)廣角散射與定向散射，其特征在于：包括如下步驟：

(1)確定電介質(zhì)納米磚陣列的工作波長；

(2)針對工作波長，利用電磁仿真軟件，對納米磚的長Lx、寬Ly、高H和電介質(zhì)納米磚單元結(jié)構(gòu)尺寸P進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定在工作波長處，電介質(zhì)納米磚可以實(shí)現(xiàn)半波片功能；

(3)利用設(shè)計(jì)算法得到所需散射角度范圍下需要的相位分布；

(4)將相位分布與單元結(jié)構(gòu)內(nèi)電介質(zhì)納米磚的轉(zhuǎn)向角θ對應(yīng)起來；

(5)按照算法給出了相位分布，結(jié)合步驟(4)將電介質(zhì)納米磚進(jìn)行排布，即得到具有不同散射功能的電介質(zhì)納米磚陣列；

(6)用工作波長的光波垂直照射電介質(zhì)納米磚陣列，即得到廣角散射或定向散射的散射光場；

所述電介質(zhì)納米磚陣列為透射式硅納米磚陣列；

選取工作波長為λ＝632nm；利用電磁仿真軟件Comsol對硅納米磚單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使硅納米磚具有半波片的功能；經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的硅納米磚單元結(jié)構(gòu)在工作波長下的參數(shù)為：P＝300nm，Lx＝150nm、Ly＝60nm和H＝380nm。