[发明专利]一种基于全介质超表面的偏振无关的红外消色差偏折器

说明书

本发明公开了一种基于全介质超表面的偏振无关的红外消色差偏折器，其特征在于：所述红外消色差偏折器采用n个结构单元排列得到，n＞1；所述结构单元包括基底以及设置在基底上的微纳结构。本发现公布的偏振无关的红外消色差偏折器厚度薄(波长量级)，易于集成，有望用在红外隐身等领域。

技术领域

本发明属于纳米光子学领域，尤其涉及一种基于全介质超表面的偏振无关的红外消色差偏折器。

背景技术

光学元件在日常生活中的各个方面有着重要的应用，例如有聚焦光能力的透镜可以用在成像等方面；有产生和检查偏振光能力的偏振片可以用在摄影等方面。然而，传统光学元件的较大体积和较厚的厚度限制了其向紧凑小型化光学装置的集成。

近年，超表面的出现提供了一系列平面、超薄和轻型的可替代光学元件。超表面是由许多亚波长人工原子按照特定功能需要而排列构建成的一种二维平面结构，是利用交界面上的相位变化来对波进行调控。由于其能对相位、偏振及振幅等进行有效控制，超表面已经被广泛应用于透镜、波片、偏折器等光学元件。

在各种各样的光学元件中，光束偏折器是一种最基本的光学元件。它能控制光束的传播方向，在传感、光通信等领域有着重要的应用。近年来，基于超表面的偏折器得到了广泛研究，例如，2015年，Xiaoqiang Su等人实现了电调的太赫兹频段的超表面偏折器；2016年，Ai-Qun Liu等人通过气压控制系统，实现了10.5GHZ、12GHZ和14GHZ三个频率的消色差偏折；2017年，Ting Xu等人利用二氧化硅基底和二氧化钛微柱实现了可见光波段(450nm、532nm和633nm)的超表面偏折器；2018年，Xudong Cui等人也实现了532nm的超表面偏折器；2019年，Xiangang Luo等人利用相变材料，基于MIM结构，实现了10.6um入射波的散色角在±60°内连续可调；同年，Sang-Eun Mun等人利用法诺共振超表面实现了波长选择的偏折器；Yuan Hsing Fu等人实现940nm的大面积像素化的超表面偏折器。

综上所述，尽管目前已有大量关于超表面偏折器的相关研究，但是在红外波段，偏振无关的消色差超表面偏折器是缺乏的。

发明内容：

本发明的目的是是针对现有技术的缺陷，提供一种基于全介质超表面的偏振无关的红外消色差偏折器。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案如下：一种基于全介质超表面的偏振无关的红外消色差偏折器，其特征在于：所述红外消色差偏折器采用n个结构单元排列得到，n＞1；所述结构单元包括基底以及设置在基底上的微纳结构。

进一步的，红外消色差偏折器为一维结构或二维结构。

进一步的，结构单元的排列按照特定参考相位及相位对频率的偏导，结构单元的排列需要同时满足以下要求：

(1)超表面上的参考相位应满足式1分布：

其中，α为入射角，θ为出射波偏折角度，；λ₀为参考波长；

(2)相位对频率ω的偏导需满足式2关系：

其中，c、α、θ和x分别为光速、入射角、出射波偏折角以及一维的空间位置坐标。

进一步的，微纳结构的横截面为中心对称或各项异性的图形。

进一步的，微纳结构的数量为1到3个。

进一步的，基底和微纳结构采用对红外波段具有低损耗、高透过率的介质材料，所述介质材料为氟化钡、氟化钙、硅、锗或红外硫系玻璃，基底和微纳结构可采用相同或不同的介质材料。

进一步的，结构单元基底是周期性的，基底的周期p小于或等于红外光波波长。