[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

说明书

本发明公开了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、方位角为0°或90°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，以调控透射波的相位及强度，对任意偏振态入射光实现高效会聚，得益于超表面单元结构相位色散的强鲁棒性，本发明超构透镜在中红外4000~4500 nm带宽内均可实现有效聚焦，聚焦效率可达70%，且通过调控相变材料Ge₂Sb₂Se₄Te₁相态，聚焦效果可实现“ON”和“OFF”的动态切换，合理设置激励波长，本发明还能实现“反射”和“透射”双模同时高效聚焦，实用性更强。

技术领域

本发明涉及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，属于新型人工电磁材料和光学器件领域。

背景技术

超表面(Metasurface)，也称二维超材料(Metamaterials)，其本质特征是利用超表面单元结构与入射电磁波耦合产生相位空间变化来调控波阵面，是一种基于亚波长各向异性结构的功能膜层器件，它既保留了三维超材料的奇异特性，又克服了三维超材料在制备上所面临的困难。通过选择合适的材料，合理设计超表面单元结构形状、大小及方向等参数，超表面可灵活地调整纳米结构的各向同/异性，优化出可以调控各种光学参量，如振幅、相位、偏振、频率和光谱等的纳米功能器件，极大扩展超表面在许多领域的研究与应用。

超构透镜作为超表面走向实用化的重要代表，凭借其超强的光波操控能力、超紧凑结构、多功能性及与半导体工艺兼容等突出优点，引起了研究学者的极大兴趣。目前，各种功能超构透镜已经在理论上或实验上得到证实，包括宽带消色差超构透镜、超分辨率超构透镜、多焦点超构透镜及多功能超构透镜等。然而，已报道的这些超构透镜，受限于相位分布设计，难以同时实现任意偏振及宽带聚焦功能；且结构一旦确定，其电磁性能就无法改变，在灵活调制电磁波方面受到很大限制。

锗锑硒碲(Germanium Antimony Selenium Tellurium，Ge₂Sb₂Se₄Te₁，GSST)作为一类新型相变材料，在最近的研究尤其是动态可调光学器件研究方面广受关注，这主要得益于其材料特殊属性：常温下Ge₂Sb₂Se₄Te₁表现为非晶态(aGSST)，达到阈值温度后变为结晶态(cGSST)，且两态之间折射率差异明显，相变可逆，这使得GSST能够为光学器件的可重构性和灵活性提供更多的自由度。将超构透镜与相变材料GSST相结合，借助外界刺激(热学、光学、电学等)即可实现动态可调超构透镜。然而，目前这方面的研究主要集中在利用均匀电介质层GSST相态的改变实现电磁性能的动态调控，将GSST图案化为超构单元并实现动态可调的超构透镜的研究仍处于起步阶段，还没有得到足够的重视。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的是提供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，用以解决现有超构透镜面临的入射偏振敏感、工作带宽窄、性能不易动态调谐等技术瓶颈。

本方案给出了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的设计，利用相变材料Ge₂Sb₂Se₄Te₁在非晶态和结晶态之间的高折射率对比度，实现对固定频率任意偏振波聚焦效果的“ON”和“OFF”的动态切换。