CN110333560B - 一种基于介质超表面的宽带消色差器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介质超表面的宽带消色差器件，涉及新型人工复合材料超表面领域，其包括器件本体，所述器件本体包括位于上层的电介质矩形块和位于下层的基底，其消色差分析包括以下步骤：利用几何相位和传播相位相结合的方式来分别控制入射左旋圆偏振光的波前和消除色差，之后，裁剪尺寸构建超表面阵列，通过对探测面的右旋圆偏振能量的提取和处理来实现器件本体的消色差特性分析。本发明中的宽带消色差器件一方面是利用了两种相位相结合的方法，另一方面是实现了连续带宽范围内的消色差，较以往器件而言，大大减小了体积与成本。
Description
技术领域
本发明涉及新型人工复合材料超表面领域，尤其涉及一种基于介质超表面的宽带消色差器件。
背景技术
波长色散是光学材料的一个重要特性，在光学元件和系统的设计中一直起着重要的作用。在大多数介质中，像玻璃，折射率随波长的增加而减小，这称为正常色散。利用这种材料，相比于短波长，在较长波长处折射透镜将具有更大的焦距，而棱镜将以更小的角度偏转。这种色差严重降低了全色光学应用的性能，如通信、检测、成像、显示等。
传统上，色差是通过几种不同材料的集成来消除的，它们的折射率与波长的关系相反。这样的折射光学元件通常体积大、成本高、制造精度高、耗时长，已逐渐不能满足日益增长的器件性能要求。因此具有微型、超薄、利于集成特性的超表面光学器件正逐步取代传统光学器件。基于超表面实现的光学器件主要由金属和介质两种材料组成，由于金属结构固有的欧姆损失，金属超表面的透射效率极低。反射式金属超表面虽然可以实现80％的效率，但绝大数主流的光学器件都是透射式器件，反射式超表面并不能适用。惠更斯超表面可以实现很高的透射率，但对结构尺寸非常敏感，对现代工艺具有极大的挑战。而用介质结构代替金属结构以及优化结构参数，可以消除欧姆损失，从而进一步提高反射式超表面的效率。同时可以利用比较成熟的半导体制作工艺来制作介质超表面，因此有利于实现高透射、低损失、具有兼容性的光学器件。
目前，也有超透镜使用多层结构实现双波长和三波长色差的消除。虽然这一策略取得了成功，但它增加了光学系统的重量、复杂性和成本，极大地限制了它们的使用。因此，采用一种体积轻便、结构简单和低成本的方法来实现宽带消色差器件是具有重要意义的。
发明内容
本发明的目的是为了提出一种工作波段在中红外波段3.7-4.5μ m，主要以聚焦(偏转)的方式将左旋圆偏振光(LCP)聚焦(偏转)在同一焦平面上(同一偏转角)，从而实现了宽带消色差功能的一种基于介质超表面的宽带消色差器件。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于介质超表面的宽带消色差器件，包括器件本体，所述器件本体包括位于上层的电介质矩形块和位于下层的基底，其消色差分析包括以下步骤：
利用几何相位和传播相位相结合的方式来分别控制入射左旋圆偏振光的波前和消除色差，之后，裁剪电介质矩形块的尺寸构建超表面阵列，通过对探测面的右旋圆偏振能量的提取和处理来实现器件本体的消色差特性分析。
优选的，几何相位和传播相位相结合具体为：利用几何相位的原理旋转电介质矩形块控制入射左旋圆偏振光的波前，使之满足双曲线相位或梯度相位剖面，从而在选定的中心波长处实现聚焦或偏转；
利用传播相位作为补偿相位，通过控制电介质矩形块的长和宽来获得需要的不同补偿相位值，保证在选取波长范围内，传播相位与波长的倒数呈线性关系，用于消除在中心波长外的波长处的色差效应。
优选的，所述下层基底为低折射率材料氟化钙制成，所述电介质矩形块为高折射率材料硅制成，所述器件本体的入射波长范围为 3.7-4.5μm。
优选的，所述器件本体的入射波长为4.5μm时，所述电介质矩形块的厚度为4μm，晶格常数为1.8μm，所述基底的厚度为3μm，所述器件本体通过对探测面的右旋圆偏振能量的提取和处理，分析器件的聚焦性能。
优选的，所述器件本体在入射波长不等于4.5μm时，所述器件本体实现聚焦的焦平面保持不变，通过对探测面的右旋圆偏振能量的提取和处理，分析器件的消色差特性。
本发明中采用电介质作为结构单元，利用高折射率材料做调制结构，在所述波段无材料吸收，大大增强透射提高了效率。
本发明的有益效果为：
1、本发明适用于大频率范围，从可见光波段到太赫兹波段均可实现，此外，设计的超表面实现的消色差是连续带宽范围内的，除了可以单独用超表面实现消色差，还可与传统光学器件相结合，从而提高超表面消色差器件的性能和尺寸，扩展应用范围。
2、低成本和半导体制造的兼容性使本发明中的消色差器件适合应用于纳米光子学和集成光学。
3、本发明中采取的入射左旋圆偏振光垂直照射超表面结构，根据所选择的入射中心波长，对介质矩形块进行结构参数扫描和优化，通过改变矩形硅的尺寸能得到所需的补偿相位，并且实现高透过率。而且在使用PB相位过程中不会对传播相位造成影响，这保证了PB相位与传播相位相结合的方法能独立地分别控制入射光的波前和消除色差。
4、本发明中的宽带消色差器件一方面是利用了两种相位相结合的方法，另一方面是实现了连续带宽范围内的消色差。较以往器件而言，大大减小了体积与成本。
附图说明
图1是单个矩形块天线设计图。
图2是左旋圆偏振光入射改变矩形块长宽的有效折射、两个不同尺寸单元结构的传播相位和几何相位图。
图3是消色差超透镜的示意图和相位分布图。
图4是宽带消色差超透镜和色差透镜入射左旋圆偏振后结果示意图。
图5是宽带消色差偏转器和色差偏转器入射左旋圆偏振后结果示意图。
图中标号：1器件本体、11基底、12电介质矩形块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-5，一种基于介质超表面的宽带消色差器件，包括器件本体1，器件本体1包括位于上层的电介质矩形块12和位于下层的基底11，其消色差分析包括以下步骤：利用几何相位和传播相位相结合的方式来分别控制入射左旋圆偏振光的波前和消除色差，之后，裁剪电介质矩形块12的尺寸构建超表面阵列，通过对探测面的右旋圆偏振能量的提取和处理来实现器件本体1的消色差特性分析。
本实施方式中，几何相位和传播相位相结合具体为：利用几何相位的原理旋转电介质矩形块12控制入射左旋圆偏振光的波前，使之满足双曲线相位或梯度相位剖面，从而在选定的中心波长处实现聚焦或偏转；利用传播相位作为补偿相位，通过控制电介质矩形块12的长和宽来获得需要的不同补偿相位值，保证在选取波长范围内，传播相位与波长的倒数呈线性关系，用于消除在中心波长外的波长处的色差效应。
本实施方式中，下层基底11为低折射率材料氟化钙制成，电介质矩形块12为高折射率材料硅制成，器件本体1的入射波长范围为 3.7-4.5μm。
本实施方式中，器件本体1的入射波长为4.5μm时，电介质矩形块12的厚度为4μm，晶格常数为1.8μm，基底11的厚度为3μm，器件本体1通过对探测面的右旋圆偏振能量的提取和处理，分析器件的聚焦性能。
本实施方式中，器件本体1在入射波长不等于4.5μm时，器件本体1实现聚焦的焦平面保持不变，通过对探测面的右旋圆偏振能量的提取和处理，分析器件的消色差特性。
宽带消色差超表面器件参数优化及仿真测试：
确定和优化单元结构尺寸参数。以所选的矩形柱单元结构为例，基底厚度为h1；矩形柱高度为h2；沿x轴方向长度为a，沿y轴方向宽度为b，晶格常数为p。在comsol中建模，同时改变长宽尺寸，仿真得到矩形块单元对于不同偏振的相位响应，然后依据设计的超表面实现相应功能所需的相位，挑选合适的结构单元。以入射中心波长4.5μ m为例，优选晶格常数p为1.8μm，矩形块高度为4μm。对单个矩形块进行结构参数扫描，即同时改变尺寸a和b，可得到不同的传播相位值。这是因为在一个给定坐标位置x处矩形块的传播相位为φ(x,λ)＝2π/λneffh2，其中，neff表示矩形块的有效折射率，而由波导理论可知neff与矩形块的长宽密切相关，如图2a所示。
超表面单元结构选取。为了实现宽带消色差功能，需要超表面上每个结构同时满足聚焦相位和补偿相位，而且这两个相位相互独立。其中聚焦相位由PB相位实现，PB相位只与单元结构的旋转角度有关系，即旋转单元结构角度为α时，得到单元结构对应的相位响应为± 2α，正负号与入射圆偏振光的旋性有关，左旋圆偏振入射为正号；而补偿相位由传播相位实现，在选取的带宽3.7-4.5μm内，最大波长与最小波长对应相位响应的差值就是该单元结构实现的相位补偿值，如图2b所示。而且为证明PB相位不影响传播相位响应，本发明研究了α与波长的关系，如图2c。由图可知，改变α，传播相位差值始终保持不变。
宽带消色差超透镜的设计。以二维面为例进行具体仿真，焦点平面在XOZ平面，透射光所需相位描述如下：
为实现宽带消色差超透镜，公式(1)可改写为：
补偿相位
其中f为焦距，x为每个结构与焦点的水平距离，λmax为选取带宽内的最大波长。根据每个子单元结构的位置，确定水平距离x的值，再将其它参数代入上述公式即可得到相应的聚焦相位
和补偿相位
的大小，消色差超透镜示意图和所需相位分布图如图3。对于中心波长4.5μm的入射光，焦距设置为f＝27μm，超单元由43个共振器构成，总长度Lx＝77.4μm。由公式求出所需聚焦相位与补偿相位，再由步骤(1)和(2)优化和选取合适的超表面单元结构，从而仿真得到本发明的宽带消色差超透镜，采用5个样品波长入射，结果如图 4a。为更好地说明消色差效果，本发明还设计了与消色差透镜大小相同的色差透镜做对比，结果如图4b。
宽带消色差偏转器的设计。根据广义斯涅耳定律可得偏转所需相位描述如下：
为实现宽带消色差偏转，公式(4)改写为：
其中θ为透射光的偏转角度，
为中心波长处所需相位，
为补偿相位。在本发明的偏转器中，对于中心波长4.5μm的入射光，偏转角度设置为θ＝-18.2°，超单元由18个共振器构成，总长度 Lx＝32.4μm。由公式求出所需偏转相位与补偿相位，再由步骤(1)和(2) 优化和选取合适的超表面单元结构，从而仿真得到本发明的宽带消色差偏转器，采用5个样品波长入射，结果如图5a。为更好地说明消色差效果，本发明还设计了与消色差偏转器大小相同的色差偏转器做对比，仿真结果如图5b。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于介质超表面的宽带消色差器件，包括器件本体(1)，其特征在于，所述器件本体(1)包括位于上层的电介质矩形块(12)和位于下层的基底(11)，其消色差分析包括以下步骤：
利用几何相位和传播相位相结合的方式来分别控制入射左旋圆偏振光的波前和消除色差，之后，裁剪电介质矩形块(12)的尺寸构建超表面阵列，通过对探测面的右旋圆偏振能量的提取和处理来实现器件本体(1)的消色差特性分析；
几何相位和传播相位相结合具体为：利用几何相位的原理旋转电介质矩形块(12)控制入射左旋圆偏振光的波前，使之满足双曲线相位或梯度相位剖面，从而在选定的中心波长处实现聚焦或偏转；
利用传播相位作为补偿相位，通过电介质矩形块(12)的长和宽来获得需要的不同补偿相位值，保证在选取波长范围内，传播相位与波长的倒数呈线性关系，用于消除在中心波长外的波长处的色差效应；
所述下层基底(11)为低折射率材料氟化钙制成，所述电介质矩形块(12)为高折射率材料硅制成，所述器件本体(1)的入射波长范围为3.7-4.5μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于介质超表面的宽带消色差器件，其特征在于，所述器件本体(1)的入射波长为4.5μm时，所述电介质矩形块(12)的厚度为4μm，晶格常数为1.8μm，所述基底(11)的厚度为3μm，所述器件本体(1)通过对探测面的右旋圆偏振能量的提取和处理，分析器件的聚焦性能。
3.根据权利要求1所述的一种基于介质超表面的宽带消色差器件，其特征在于，所述器件本体(1)在入射波长不等于4.5μm时，所述器件本体(1)实现聚焦的焦平面保持不变，通过对探测面的右旋圆偏振能量的提取和处理，分析器件的消色差特性。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20201110 |
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