[发明专利]一种基于叠层纳米结构的复振幅调控超表面及其设计方法

说明书

本发明属于光学技术领域，公开了一种基于叠层纳米结构的复振幅调控超表面及其设计方法。超表面中的第一纳米砖和第二纳米砖均用于实现四分之一波片的功能，圆偏振光入射至基底层，并依次通过第一纳米砖阵列层、隔离层、第二纳米砖阵列层后出射，出射光中与入射的圆偏振光旋向相反的圆偏振光受到复振幅调控，复振幅调控的调控量由第一纳米砖的转向角和第二纳米砖的转向角决定。本发明无需改变纳米结构尺寸，亦无需增加单元结构大小，仅通过改变纳米结构转向角即可实现连续精密的复振幅调控。

技术领域

本发明属于光学技术领域，更具体地，涉及一种基于叠层纳米结构的复振幅调控超表面及其设计方法。

背景技术

光学元件如棱镜、透镜、二元光学元件等仅能对光波相位进行调控，而照相底片等光学材料只能对光波振幅进行调控，如何实现振幅和相位同时独立调控在全息、波前校正等领域尤为重要，然而目前传统光学元件对此无能为力。

超表面，一种通过在普通光学材料表面刻画出亚波长结构阵列的二维人工复合材料，在精密调控光波电磁场方面表现出前所未有的能力。超表面在光波相位调控方面已取得诸多进展，通过马吕斯定律等方法也实现了连续精密振幅调控。于是研究者们将注意力放在了利用超表面实现复振幅调控上。

目前用超表面实现复振幅调控的方法包括：改变V形纳米结构臂长与两臂夹角、改变X形结构两臂转向角、改变十字形纳米结构的臂长/宽与转向角、改变纳米砖结构的尺寸与转向角、改变双原子纳米结构的转向角。然而，这些方法要么改变了纳米结构的尺寸、增加了对加工的精度要求，要么使单元结构尺寸变大、降低了光波调控的空间分辨率。如何在不改变改变纳米结构尺寸、不增加单元结构大小的情况下实现连续精密的复振幅调控是本领域需要解决的一个技术问题。

发明内容

本发明通过提供一种基于叠层纳米结构的复振幅调控超表面及其设计方法，解决现有技术无法在不改变改变纳米结构尺寸、不增加单元结构大小的情况下实现连续精密的复振幅调控的问题。

本发明提供一种基于叠层纳米结构的复振幅调控超表面，包括：基底层、第一纳米砖阵列层、隔离层和第二纳米砖阵列层；

所述基底层划分为多个尺寸一致的单元结构，所述第一纳米砖阵列层包括多个尺寸一致的第一纳米砖，所述第二纳米砖阵列层包括多个尺寸一致的第二纳米砖，所述第二纳米砖和所述第一纳米砖的数量相同；每个所述单元结构的工作面上设有一个所述第一纳米砖，一个所述第二纳米砖与一个所述第一纳米砖对应设置，所述隔离层用于将所述第一纳米砖和所述第二纳米砖隔离开；

所述第一纳米砖和第二纳米砖均用于实现四分之一波片的功能；圆偏振光入射至所述基底层，并依次通过所述第一纳米砖阵列层、所述隔离层、所述第二纳米砖阵列层后出射，出射光中与入射的所述圆偏振光旋向相反的圆偏振光受到复振幅调控；所述复振幅调控的调控量由所述第一纳米砖的转向角和所述第二纳米砖的转向角决定。

优选的，所述单元结构的工作面为正方形，所述第一纳米砖、所述第二纳米砖均为长方体形，所述单元结构、所述第一纳米砖、所述第二纳米砖均为亚波长级；以所述单元结构的两直角边为x轴和y轴；以所述第一纳米砖的长边为第一长轴，以所述第一纳米砖的短边为第一短轴；以所述第二纳米砖的长边为第二长轴，以所述第二纳米砖的短边为第二短轴；所述第一纳米砖的转向角为所述第一长轴与x轴的夹角，所述第二纳米砖的转向角为所述第二长轴与x轴的夹角。

优选的，所述隔离层位于所述基底层和所述第二纳米砖阵列层之间，并包覆所述第一纳米砖阵列层。

优选的，所述隔离层的厚度为入射的所述圆偏振光的半个波长。

优选的，所述基底层和所述隔离层均采用熔融石英玻璃材料制成；所述第一纳米砖和所述第二纳米砖的制备材料相同，均采用硅、二氧化钛、氮化硅中的一种材料制成。

优选的，所述第一纳米砖对入射的所述圆偏振光的作用表示为：