[发明专利]一种波长选择型超表面器件

说明书

本发明公开了一种波长选择型超表面器件，属于超材料技术领域，包括自下而上依次排布的基底和由各向异性纳米单元结构阵列构成的超表面。所述超表面包括多个电磁区域，同一电磁区域的纳米结构形状和尺寸相同，不同电磁区域的纳米结构形状不同或形状相同尺寸不同，每个电磁区域的纳米结构阵列只对特定波长的电磁波产生预设的电磁响应，从而实现了对波长的选择。本发明可使不同波长的入射光产生不同拓扑荷的OAM(轨道角动量)，以本发明为基础设计的超薄多波长光学器件在未来无线通信系统具有广泛的应用。

技术领域

本发明涉及超材料研究领域，尤其涉及一种波长选择型超表面器件。

背景技术

随着通信技术的发展，由于常规编码和信道技术的局限性，传统的光纤系统的容量以及频谱效率已接近极限，无法满足传输大量信息的需求，不仅如此，其发送数据的安全性也面临着严峻的挑战。为了解决这个问题，进一步提升系统容量以及频谱效率，满足未来移动数据业务传输数据日益增加的需求需要探索革命性创新技术。近年来轨道角动量(OAM)技术的研究备受关注，由于良好的正交性和承载信息的安全性，使其可以在同一载频上传输多路电磁漩涡波，通过编码信息和多路复用技术来提高传输信息的容量和安全性，例如OAM可以用于太比特自由空间的数据传输、可在光纤中进行太比特规模的多路复用以及在自由空间进行信息传送。因此OAM在无线通信中的应用掀起了世界性的研究热潮。

为了使OAM在通信系统发挥更大的作用，快速切换OAM模式的器件应运而生，典型的切换和调控OAM光束的装置包括螺旋光调制，Q-板，计算机全息图和环形光栅，但以上器件由于尺寸较大而不方便快速调节OAM模式。因此，研发产生和转换OAM光束的小型化光学器件在未来光学通信中是很有必要的。近来，二维材料超表面作为一个新的平面光学器件，已经被证实通过改变其结构单元的形状和方位角可用来调节相位分布，由单元结构排布的阵列所形成的各式各样的超表面在线偏振和圆偏振光入射下可产生OAM光束，但却不能在不同波长的入射电磁波照射下进行转换。因此，如何利用一种光学器件产生不同的OAM 光束以及如何对大量的OAM光束进行有效的分离与检测是当今技术面临的巨大挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种波长选择型超表面器件，所述超表面包括多个电磁区域，每个电磁区域只对入射至该区域的电磁波产生预设的电磁响应，从而实现了对波长的选择性。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种波长选择型超表面器件，包括自下而上依次排布的基底和由各向异性纳米单元结构阵列构成的超表面，所述超表面包括多个电磁区域，同一电磁区域的纳米结构形状和尺寸相同，不同电磁区域的纳米结构形状不同或形状相同尺寸不同，即每个电磁区域的纳米孔结构阵列只对入射至该区域的电磁波产生预设的电磁响应，所述各向异性纳米结构是在超薄金属或介质上刻蚀制成，也可直接制作在基底上，其特征尺寸小于波长，排列间距小于半波长；其中所述的超薄金属其厚度Tg的取值范围为：δ<Tg<λ/15(λ为入射光波长，δ为金属的趋肤深度，μ₀＝4π×10^-7H/m，ω为圆频率，σ₀为金属的电导率)；所述超薄介质厚度小于入射光波长。

其中，所述的超表面为平面或曲面。

其中，所述的各向异性纳米结构包括：孔或其互补结构。

其中，所述的各向异性纳米结构图案包括：矩形、椭圆形、十字形、工字形或多边形。

其中，所述的金属包括：金、银、铜、金合金、银合金或铜合金。

其中，所述介质包括：硅、二氧化硅等半导体以及氟化物等在工作波段透明的材料。

其中，所述基底材料为硅、二氧化硅等半导体以及氟化物等在工作波段透明的材料。

其中，若所述纳米孔单元结构制作在介质上，介质材料与基底材料可相同或不同。