[发明专利]一种基于相变材料的可任意偏振动态可调谐的双模同时聚焦的超构透镜

权利要求书

1.一种基于相变材料的可任意偏振动态可调谐的双模同时聚焦的超构透镜，其特征在于，该超构透镜包括CaF₂衬底层和用于实现传输相位调制且使用相变材料Ge₂Sb₂Se₄Te₁制成的超表面层，所述超表面层由多个高度相同的矩形纳米柱在衬底层上表面以周期p沿x-y平面排列为矩形纳米柱阵列而成，所述多个高度相同的矩形纳米柱均具备高深宽比结构特征且其方位角为0°或90°，所述周期是指相邻两个矩形纳米柱几何中心在x和y轴上的距离，沿x轴方向任一行矩形纳米柱的数目均为2n个，每行的矩形纳米柱关于行中心(x＝0)呈点对称分布，每行中心任一侧包含w个长轴沿x轴方向的行矩形纳米柱和v个长轴沿y轴方向的列矩形纳米柱，且w+v＝n，所有矩形纳米柱的长宽分别为长轴和短轴，短轴长度为b且相同，长轴长度为a且为变量，由其提供的透射相位决定，以获得0～2π相位调制，实现超构透镜对固定频率任意偏振入射波的聚焦功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的可任意偏振动态可调谐的双模同时聚焦的超构透镜，其特征在于，所述行矩形纳米柱指的是矩形纳米柱方位角β＝0°，所述列矩形纳米柱指的是矩形纳米柱方位角β＝90°，所述方位角β指矩形纳米柱长轴相对于x轴正方向的逆时针旋转角度。

3.根据权利要求2所述的一种基于相变材料的可任意偏振动态可调谐的双模同时聚焦的超构透镜，其特征在于，沿表面x轴方向，各个矩形纳米柱长轴长度a(x)的求解步骤为：

1)设定超构透镜的工作频率为f₀(对应工作波长λ₀)，矩形纳米柱长轴长度a(x)变化范围为[a_min，a_max]；

2)将超表面层各矩形纳米柱的方位角β均设为0°，通过仿真模拟获取入射波频率为f₀时，左(右)旋圆偏振光经过超表面单元结构后，正交偏振透射波的透射率T_cross与矩形纳米柱长轴长度a(x)参数之间的特性曲线1及正交偏振透射波的相位ψ_cross与矩形纳米柱长轴长度a(x)参数之间的特性曲线2；

3)将超表面层各矩形纳米柱的方位角β改为90°，同样通过仿真模拟获取入射波频率为f₀时，左(右)旋圆偏振光经过超表面单元结构后，正交偏振透射波的透射率T_cross与矩形纳米柱长轴长度a(x)参数之间的特性曲线3及正交偏振透射波的相位ψ_cross与矩形纳米柱长轴长度a(x)参数之间的特性曲线4；

4)利用球面透镜表面相位分布公式计算得到入射波频率为f₀、焦距为F₀的平面超构透镜在其表面沿x轴方向的透射相位分布

其中，F₀表示超构透镜预设焦距，x表示超表面层矩形纳米柱几何中心的位置坐标，可用N＝±1，±2，…±n来表示，λ₀表示入射电磁波的波长。

5)结合步骤2)和3)的正交偏振透射波的相位ψ_cross与矩形纳米柱长轴长度a(x)参数之间的特性曲线2和4，根据步骤4)计算出的任意x位置处透射相位分布确定对应任意x位置的矩形纳米柱的方位角及长轴长度a(x)。

4.根据权利要求3所述的一种基于相变材料的可任意偏振动态可调谐的双模同时聚焦的超构透镜，其特征在于，为实现更好偏振不依赖聚焦效果，所述的每行中心任一侧的矩形纳米柱个数n为大于等于20的整数。

5.根据权利要求4的一种基于相变材料的可任意偏振动态可调谐的双模同时聚焦的超构透镜，其特征在于，所述的任意偏振入射电磁波包括左旋圆偏振光、右旋圆偏振光和不同线偏振化角度的线偏振光，所述线偏振光的线偏振化角度范围为[0°,180°],步长为5°。

6.根据权利要求4的一种基于相变材料的可任意偏振动态可调谐的双模同时聚焦的超构透镜，其特征在于，所述的中红外电磁波的波长取值范围为[3950nm,4500nm]，步长为50nm。

7.根据权利要求4的一种基于相变材料的可任意偏振动态可调谐的双模同时聚焦的超构透镜，其特征在于，所述构成超表面层的相变材料为Ge₂Sb₂Se₄Te₁，常温下为非晶态，受热达到阈值温度后相变为结晶态，两态介电常数存在显著差别，且两态之间可相互转换，所述超构透镜在Ge₂Sb₂Se₄Te₁变为结晶态时，特定入射波长分别设为λ＝4000nm，4200nm及4700nm。