[发明专利]基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件及设计方法

说明书

基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件及设计方法，属于可调谐器件技术领域，解决如何提高器件的集成度，实现全空间聚焦焦点强度比动态可调问题；本发明通过多个第一介质柱周期性设置在基底上并由封装介质层封装形成第一层超表面，多个第二介质柱设置在第一层超表面的上方并暴露在空气中形成第二层超表面；基底的折射率小于介质柱的折射率；第一层超表面实现半波板的功能，用于提高透过第二层超表面的偏振光的偏振转换效率，第二层超表面用于控制入射电磁波的反射透射比率；采用双层超表面结构实现了全空间光操控，在三维空间中获得额外的自由度，并且能够独立的操控反射和透射光的波前，提高了器件的集成度。

技术领域

本发明属于可调谐器件技术领域，涉及一种基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件及设计方法。

背景技术

超表面是一种超薄的二维阵列表面，由周期性排列的超材料单胞组成，可以通过改变单胞的材料、结构、形状和尺寸去实现对入射电磁波的振幅、相位和偏振调制，实现对电磁波的波前控制。与传统的沿传播方向逐渐积累相位的波前调制不同，基于超表面的波前调制与平面的相位突变有关，打开了紧凑、小型化器件超越传统笨重的光学器件一个新的窗口。

超表面提供了强大的信息调制能力和独特的局部场增强能力，可以设计许多光学组件，如分束器、聚焦透镜、偏振转换器和全息板。而一个单一的超表面一般只能实现一个光学功能，否则只能通过组合多个庞大的光学元件来实现。

在实际应用中，需要超表面对光有多功能的操控，这就需要提高自由度。因此，迫切需要一种新颖的、简单的超表面结构，可以多功能地控制全空间光操纵，在实现多功能的前提下尽可能降低设计复杂性。单层介质超表面在前文描述中已被证明能够实现对可见光的高效操纵。那么可以合理的考虑到，利用多层介质超表面可以进一步扩展光控制的自由度，其中双层超表面是近几年来研究的热点问题。

迄今为止，大多数报道的双层介质超表面大部分工作主要用于单色像差校正、多波长控制、偏振控制以及一些其他设计。另外，在通常情况下，基于超表面的光操控在透射或反射空间中单独实现，由于另一半空间没有被利用，这会阻碍超表面的信息容量提高和多功能的应用。到目前为止，已经报道过几个关于全空间光操作的例子，发现对于双层超表面在全空间光控制方面的设计依然是不够丰富，并且很难实现透射和反射光的相位解耦问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何设计一种基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件，从而提高器件的集成度，实现全空间聚焦焦点强度比动态可调。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

基于双层超表面的全空间光场强度可调谐器件，包括：双层超表面结构(1)、基底(2)；所述的双层超表面结构(1)包括：多个第一介质柱(11)、多个第二介质柱(12)、封装介质层(13)；多个所述的第一介质柱(11)周期性设置在基底(2)上并由封装介质层(13)封装形成第一层超表面，多个所述的第二介质柱(12)设置在第一层超表面的上方并暴露在空气中形成第二层超表面；所述的基底(2)的折射率小于介质柱的折射率；所述的第一层超表面实现半波板的功能，用于提高透过第二层超表面的偏振光的偏振转换效率，所述的第二层超表面用于控制入射电磁波的反射透射比率。

本发明的全空间光场强度可调谐器件采用双层超表面结构(1)，实现了全空间光操控，和传统的在一个单胞内填充多个结构的纳米柱的设计不同，传统方法存在元原子之间的串扰和空间填充限制的问题，导致效率降低和不必要的衍射阶数。而本发明的全空间光场强度可调谐器件在三维空间中获得额外的自由度，并且能够独立的操控反射和透射光的波前，提高了器件的集成度。