[发明专利]一种基于旋转晶向的非线性位相梯度超表面

说明书

本发明提供了一种基于旋转晶向的非线性位相梯度超表面，包括具有三重(C₃)、五重(C₅)等高阶旋转对称性的亚波长金属孔或狭缝。本发明打破传统几何位相超表面单元结构的选择定则，通过设计三角形、Y字形、五边形等具有多重旋转对称性的亚波长金属孔或狭缝在线性光学系统里获得了奇异的非线性几何位相梯度。这种位相梯度与传统的非线性相位不同，传统的非线性相位通常指高阶谐波(n≥2)所携带的相位，而这里产生的相位梯度来源于基波(n＝1)。本发明在线性超表面中实现了非线性位相梯度，颠覆了人们对线性超表面中几何相位的认知，对线性光学系统中位相调制的原理和应用具有重大的意义。

技术领域

本发明涉及电磁波相位调控领域，具体地讲，是涉及一种在线性光学材料中产生的非线性几何位相梯度超表面。

背景技术

在线性光学系统中，入射的圆偏振光与各向异性的超构功能基元相互作用，透射或反射光中具有与入射光手性相反的圆偏振光，并携带了与超构功能基元旋转角度有关的几何相位，即Pancharatnam-Berry几何相位。P-B几何相位的主要优点是它不依赖于结构的尺寸、光学共振以及固有的材料色散，因此其在位相调控领域受到了广泛的关注与研究。通常，基于P-B相位的超表面选择矩形孔/柱、椭圆孔/柱等亚波长结构作为超构单元，通过旋转这些功能单元以产生Φ＝2σθ的相位差。这里，θ为超构单元的方位角，σ＝±1分别表示左旋或右旋圆偏振。

类比于线性光学系统里的几何相位，有人在超构表面上引入了非线性光学几何相位，并证明其能够连续地控制有效非线性极化率的相位。对于和基波圆偏振态旋向相同或相反的非线性谐波辐射，第n次非线性谐波对应的几何相位为(n+1)iσθ或(n+1)iσθ。非线性谐波几何相位的一个很大优点就是，具有m重旋转对称性的超构基元，当m≥3时其在线性光学中具有各向同性响应。因此，在调整超构基元的方位角进而控制某些谐波级次的非线性相位时，不会影响到基波的线性光学响应均匀性。

很明显，上述的非线性光学几何相位是针对产生的高阶谐波而言的，而对于线性光学系统，即对基波而言，在人们的认知中，是不存在非线性相位梯度的，这大大局限了几何位相在线性光学系统中的发展。

发明内容

本发明提出了一种在线性光学系统中，基于旋转晶向的非线性位相梯度超表面，通过设计三角形、Y字形、五边形等具有多重旋转对称性的亚波长金属孔或狭缝，使得线性超表面中的基波携带非线性的几何相位。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于旋转晶向的非线性位相梯度超表面，包括一层具有三重(C₃)、五重(C₅)等高阶旋转对称性的亚波长金属孔或狭缝，能够在线性光学超表面里获得非线性几何位相梯度。

其中，所述金属孔或狭缝的厚度为h，其取值范围为h<λ₀/4，λ₀为中心波长。

其中，所述金属孔或狭缝的周期p的取值范围为p<λ₀/2，λ₀为中心波长。

其中，所述金属层材料可以为金、铝等。

其中，所述超表面的透射交叉极化成分和反射交叉极化成分均具有此位相梯度。

其中，所述亚波长金属孔或狭缝具有三重、五重或更高奇数阶数的旋转对称性即可，不局限于正三角形、正五边形等形式。

其中，所述超表面位相梯度具有普适性，既适用于可见光波段，也适用于红外波段。

本发明具有的有益效果在于：