[發明專利]基于超表面的廣角散射和定向散射的元件結構及設計方法

有效

• 申請號: 202010147224.0
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111413754B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 代塵杰;李仲陽;鄭國興;李子樂;萬成偉;楊睿;時陽陽;萬帥
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G02B5/02
• 分類號: G02B5/02;G02B27/00;G06F30/20
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 艾小倩

本發明公開了一種基于超表面的廣角散射和定向散射的元件結構及設計方法。本發明的設計方法針對工作波長，優化設計單元結構，通過改變硅納米磚轉向角可以調控相位，將所需的散射光場輸入算法，計算相位排布，根據算法給出的相位梯度排布硅納米磚的轉向角，用工作波長垂直照射即可得到所需的廣角散射或定向散射光場。本發明方法設計流程簡單且設計的相位梯度通用；提高了對光散射方向的控制能力，使光散射到設計的角度范圍；散射元件為超表面，更輕薄以及便于集成化；可廣泛應用于光學照明、光學成像等領域。

技術領域

本發明涉及微納光學及光學散射領域，尤其涉及一種基于超表面的廣角散射和定向散射的元件結構及設計方法。

背景技術

光學散射是指光通過不均勻介質時一部分光偏離原有方向傳播而向四周散開的現象。傳統的光學散射器件可以分為透射式和反射式，反射式散射器件基于粗糙的反射面，可以視為許多個不同反射面的組合，從而將入射光反射到不同方向；透射式散射器件基于物體表面隨機起伏的結構，帶來的折射率不均勻分布，使得光路沿著不同方向出射。根據不同的散射機理，光的散射在光學照明、三維表面檢測、光學成像等領域有著廣泛的應用。光學散射器件的要求也在不斷提高，包括更輕薄、更高效以及對光散射范圍的調控等。

隨著微納結構的發展，傳統的折反射定律得到了進一步補充。通過廣義的折反射定律，利用相位梯度的設計，就可以實現光波折反射角度的控制。近年來，超表面材料的發展，提高了對光波振幅、相位以及偏振的控制能力，尤其是對光波相位的調控不再依賴于光程的累積。在二維平面上，超表面材料通過對納米結構的排布就可以實現光波相位的調控，使光學器件趨向于集成化、輕薄化。多種新的散射表面的設計以及被提出，如“Moccia M，Liu S，Wu R Y，et al.Coding metasurfaces for diffuse scattering：scal ing laws，bounds，and suboptimal design[J].Advanced Optical Materials，2017，5(19)：1700455.”中論述了一種隨機相位編碼的反射型散射表面的設計“Neder V，Ra’di Y，AlùA，et al.Combined Metagratings for Efficient Broad-Angle ScatteringMetasurface[J].ACS photonics，2019，6(4)：1010-1017.”中通過結合多個不同散射角的單元結構實現了大角度的散射范圍。然后，前者論述的隨機相位編碼欠缺對散射范圍的調控能力，后者存在明顯零級反射，且散射角度的設計依賴于不同的單元結構。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種基于超表面的廣角散射和定向散射的元件結構及設計方法，并利用其實現廣角散射元件與定向散射光學元件的設計。用此設計方法，可以實現光波從-60°～60°的廣角散射，同時可以實現-60°～60°任意角度范圍下的定向散射型元件的設計。

為實現上述目的，本發明的包括兩個方面，一是利用算法設計所需要的散射角度范圍下的相位梯度分布，二是利用超表面實現散射元件的設計。具體方案如下：

第一方面，本發明提供一種基于超表面的廣角散射和定向散射的元件結構，其特征在于：利用算法設計了不同的相位梯度分布，通過算法約束光波散射范圍并結合超表面材料設計得到以實現可調控光波散射角度范圍的散射元件結構；

包括：實現廣角散射的相位梯度分布的超表面元件和實現定向散射的相位梯度分布的超表面元件；

所述散射元件結構均由若干個電介質納米磚單元在基底上構成的電介質納米磚陣列組成；所述電介質納米磚陣列中，電介質納米磚均為等間距排列；

所述電介質納米磚構成的納米單元的轉向角以算法給出的相位梯度為依據，納米單元的轉向角和相位之間的關系滿足以下公式：

φ＝2θ

其中，φ為納米單元的相位，θ為納米單元的轉向角。