[发明专利]基于建立结构参数库的角度复用超表面及设计方法

说明书

本发明公开了基于建立结构参数库的角度复用超表面及设计方法。所述超表面由多个单元结构阵列于一平面构成；所述单元结构由底层金属反射层、电介质间隔层和顶部金属纳米天线层构成；通过单元结构参数优化，使得单元结构在不同入射角下激发不同的共振模式，以产生不同的振幅和相位响应；通过采集多个在不同角度下产生不同相位和振幅的单元结构的结构参数以构建结构参数库。复用设计方法：通过电磁仿真计算，建立结构参数库；确定角度复用的成像通道以及待显示图像；将不同的单元结构与图像信息对应，有序阵列以实现角度复用的功能。本发明可实现角度复用的全息图像以及纳米印刷图像可以广泛应用于纳米印刷、全息成像等光学领域。

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，具体涉及涉及基于建立结构参数库的角度复用超表面及设计方法。

背景技术

虽然超表面在操纵光方面表现出了巨大的潜力，但大多数可控制的光参数已经被广泛地探索和实现，在光操纵和光学复用方面具有新的独立自由度，如波长、偏振等。然而，作为光学中关键的参数之一，入射波矢量(k)对于光复用的研究还没有得到充分的探讨和研究。大多数超表面光照操作效果都是在一定的光照角度下进行的。当以不同的入射角照明时，超表面往往不能保持相同的光学性能，也不能显示独立的新功能。

目前尚缺少一种在多入射角光线下可以实现独立显示图像的超表面。

发明内容

针对现有技术中缺少的角度复用超表面功能，本发明提供了基于建立结构参数库的角度复用超表面及设计方法。

本发明提出了一种通用的、系统的方法来指导角复用元曲面的设计，使其能够显示完全独立的纳米打印图像和元全息。该方法是通过扫描和搜索可以产生角度相关响应的单元，并将这些模拟数据填充到参数空间的相应位置。当参数空间填充率大于75％时，可以认为相应的两个参数可以任意组合，实现完全独立调节。通过这种方法，任何不同的光学功能都可以在不同的入射角情况下嵌入到单层超表面中。本发明为实现不同光照角度下的复杂功能建立了一个新的平台，这是当前设备之前无法实现的能力，显著扩展了超表面的光波操作能力。

本发明提供的技术方案如下：

本发明第一方面提供基于建立结构参数库的角度复用超表面，由多个单元结构阵列于一平面构成；所述单元结构由底层金属反射层、电介质间隔层和顶部金属纳米天线层构成；通过单元结构参数优化，使得单元结构在不同入射角下激发不同的共振模式，以产生不同的振幅和相位响应；

通过采集多个在不同角度下产生不同相位和振幅的单元结构的结构参数以构建结构参数库；

所述结构参数库包括以下四种：

(1)单元结构包括三块长方体的纳米天线，其中两块长度方向平行设置，另一块垂直设置于前两块短边一侧，并与前两块形成间隙；

(2)单元结构包括三块长方体的纳米天线，形成I型结构；

(3)单元结构包括一块长方体纳米天线；

(4)单元结构包括三块长方体的纳米天线，形成n型结构。

进一步，所述底层金属反射层和顶部金属纳米天线层的材料包括金和银。

进一步，所述电介质间隔层的材料为二氧化硅。

进一步，所述结构参数包括底层金属反射层和电介质间隔层的长度、宽度和高度；各根纳米天线的长度、宽度和高度。

进一步，所述底层金属反射层-电介质间隔层-顶部金属纳米天线层的结构参数均为亚波长尺度。

更进一步，所述底层金属反射层的厚度为100nm，电介质间隔层的厚度为70nm，顶部金属纳米天线层的厚度为30nm。

本发明第二方面提供上述超表面角度复用成像的设计方法，包括以下步骤：