[发明专利]基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法

说明书

本发明涉及一种基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，属于微纳光学和光束整形应用技术领域。本发明用于实现光场动态调制和空间复用的混合可重构超颖表面是由具不同几何尺寸、不同对称轴排列的复合圆环阵列构成。通过改变复合圆环几何尺寸以及对称轴方位，使混合可重构超颖表面对出射光束的振幅和相位进行任意地调控。利用二维全波矢量计算得到不同模式的光场复振幅分布。根据所得不同模式的光场复振幅分布，编码确定复合圆环的几何尺寸以及方位角，从而生成相应混合可重构超颖表面结构阵列。通过调节相变材料的状态实现同一混合可重构超颖表面对入射光束的动态调控和空间复用。

技术领域

本发明涉及一种基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，属于微纳光学和光束整形应用技术领域。

背景技术

超颖表面通常由亚波长尺寸的金属天线或介质纳米谐振腔阵列构成，具有任意调制入射光波的相位、振幅和偏振的功能。相比于传统光学元件是利过光在传播过程中的相位累积来调控光场，超颖表面则提供了一种在极短距离内利过光与纳米天线的各类相互作用来调控光场特性的新方法。通过调节纳米天线阵列形状、材料、尺寸，能够灵活调控出射光的波前。可重构超颖表面增加了例如光-光，电-光，磁-光，热-光，机械应力等设计自由度，能够灵活改变入射电磁场特性，从而成为了超颖表面设计的方向之一。受到静态材料特性和固定结构的阻碍，设计可动态控制入射光波并在近红外和可见光波段工作的可重构超颖表面仍然是一项具有挑战性的任务。相变材料可以在非晶态和晶态之间具有较大折射率差，因此在可重构超颖表面的设计中有较大潜力。通过相变材料和超颖表面的结合可以设计出很多新颖的多功能微纳器件。

相变材料，如碲化锑、锑化铟、硫化镓和二氧化钒等，可用于光盘存储，集成光路，彩色印刷，光学显示等。通过利用其独特的可逆性，非易失性等特性，以及在适当的热，光或电等刺激下，相变材料原子阵列在晶体和非晶态(或半导体态和金属态)之间的相变过程，能够提供灵活的光学参量控制。这种相变可以高速以及可逆切换。虽然不同的相变材料均可以提供光场调制，它们的工作波长范围和相变条件彼此不同。通常来说，二氧化钒具有比其他相变材料在热激励下具有更低的相变阈值，这使得其适合于集成到诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片的低功耗设备中。此外，二氧化钒可以提供高达80％的调制深度。同时，二氧化钒工作波段能够到达近红外以及光波段，这有利于光子器件的设计。因此，通过将二氧化钒与超颖表面结合有利于可重构多功能应用。

目前，大多数可重构微纳器件都集中在实现光开关器、吸收器、偏振器功能。对于其它应用例如光束整形并不多见。此外，一些可重构微纳器件需要依赖精确的逐点外部调制来完成相变材料的动态转变，可擦写速度慢，耗时而且复杂。因此，通过智能编码设计整体可调的可重构超颖表面高效实现光场模式调制及空间复用的设计具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有进行光场调控时无法实现动态调控的问题，提供一种基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法。该方法将不同形式光场复振幅编码到同一混合可重构超颖表面。每个超颖单元仅由单个复合圆环结构构成，区别于传统功能固定的超颖表面。通过半导体态和金属态下的相变材料光学特性转变，实现对入射光场的动态调控。进一步，本发明提供光子主动控制的新范例并可应用于低损耗集成光电子回路。此外本发明在信号处理、光学存储、全息防伪等领域具有应用前景。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

基于可重构混合超颖表面的光场动态调制和空间复用方法，用于实现光场动态调制和空间复用的混合可重构超颖表面是由具不同几何尺寸、不同对称轴排列的复合圆环结构阵列构成。通过改变复合圆环结构几何尺寸以及对称轴方位，使混合可重构超颖表面对出射光束的振幅和相位进行任意地调控。利用二维全波矢量计算得到不同模式的光场复振幅分布。根据所得不同模式的光场复振幅分布，编码确定复合圆环结构的几何尺寸以及方位角，从而生成相应混合可重构超颖表面结构阵列。通过调节相变材料的状态实现同一混合可重构超颖表面对入射光束的动态调控和空间复用。