基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器

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1.本发明涉及一种无源式光学器件，具体涉及一种基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器。

背景技术：

2.利用人工光学结构实现对光波传输波阵面的灵活调控在光学功能器件设计领域至关重要。研究和利用一种具有亚波长尺度的平面型无源式光学二元超表面来实现对透射波相位的任意调控可以在促进光学设备微型化和集成化的同时，极大简化器件的设计和制备过程。目前虽然已有多项研究工作表明，利用光子晶体和相位梯度超表面能够实现对透射光场的波束整形，但由于不涉及任何内置电路，如何令静态结构在实现波束整形的同时兼具单向传输特性仍然有待探究，尤其是诸如自弯曲波束等具有复杂产生机制的现象，而这在确保光通信与探测安全等领域是至关重要的。因此，采用无源式光学超表面器件实现对单向自弯曲波束产生器的设计是亟待解决的。

技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器，采用数字0和1对具有相反透射相位的单元进行编码，通过平行放置两个具有不同编码序列的亚波长光学超表面，利用双层结构两侧不同的透射相位响应，可以令波长为650nm的tm入射波单向转换为自弯曲波束，在促进光学设备微型化和集成化的同时，极大简化了器件的设计和制备过程。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
5.一种基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器，包括平行放置且具有亚波长厚度的上层光学超表面和下层光学超表面，其中：上层光学超表面和下层光学超表面均由81个二元亚波长单元构成，且上层光学超表面和下层光学超表面之间存在一定的空气间隙。
6.本发明中，所述二元亚波长单元包括二元亚波长单元a和二元亚波长单元b，二元亚波长单元a和二元亚波长单元b具有相同的尺寸，长和高分别是和λ/2，其中λ是入射波长。
7.本发明中，所述二元亚波长单元a和二元亚波长单元b具有相反透射相位响应，即：二元亚波长单元a和二元亚波长单元b具有π的相位差。
8.本发明中，所述上层光学超表面中，二元亚波长单元a和二元亚波长单元b采用周期性相位分布，周期长度为(大于入射波长)，沿传播方向相位编码为“001100110011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110”，其中编码0代表相对相位响应为0，编码1代表相对相位响应为π。
9.本发明中，所述下层光学超表面中，二元亚波长单元a和二元亚波长单元b采用非周期性梯度相位分布，其沿传播方向相位编码为“0000111100001111000001111100000111
11000001111110000001111111000000000111111111111”。
10.本发明中，所述上层光学超表面和下层光学超表面之间的空气间隙宽度设定为λ。
11.本发明中，所述上层光学超表面和下层光学超表面的入射方式采用波长为650nm的tm波分别从器件两侧正入射。
12.相比于现有技术，本发明具有如下优点：
13.本发明的单向自弯曲波束产生器通过利用二元亚波长单元阵列对双层超表面进行构建，能够实现波长为650nm的tm波从一侧入射转换为自弯曲波束，而从另一侧入射则产生强反射，以此达到单向透射的效果。由于不涉及任何驱动电路，且采用具有亚波长尺度的平面型二元超表面构型，这种无源式的光学器件极大简化了设计流程和制备工艺，能够使设备具有小体积、平面化、多功能和易于集成等优势，解决了无源型光学超表面难以实现单向自弯曲波束的问题，在光通信、光探测和光成像等领域有广泛的应用。
附图说明
14.图1是基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器的工作原理示意图，1-上层光学超表面，2-二元亚波长单元a，3-二元亚波长单元b，4-下层光学超表面；
15.图2是二元亚波长单元的具体结构构型；
16.图3是二元亚波长单元内部二氧化硅介质高度变化对单元透射率和相位响应的影响；
17.图4是由二元亚波长单元构成的双层光学超表面在工作波长为650nm的tm波正入射下的透射场分布图，其中左侧是由底部入射，右侧是由上端入射；
18.图5是由双层光学超表面纵向镜像操作所得器件在工作波长为650nm的tm波正入射下的透射场分布图，其中左侧是由底部入射，右侧是由上端入射。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
20.本发明提供了一种基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器，如图1所示，包括平行放置且具有亚波长厚度的上层光学超表面和下层光学超表面，上层光学超表面和下层光学超表面均由81个二元亚波长单元构成，二元亚波长单元包括二元亚波长单元a和二元亚波长单元b，上层光学超表面和下层光学超表面之间存在一定的空气间隙。
21.上述上层光学超表面中，二元亚波长单元a和二元亚波长b采用周期性相位分布而成，编码序列为“001100110011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110”，周期长度为(大于入射波长)。此时可以采用广义斯涅尔定律进行分析：
22.ktsinθt-kisinθi＝dφ(x)/dx (1)
23.其中，θi、θ
t
分别代表入射和透射角，代表表面相位梯度。在正入射下，透射角可由下式决定：
[0024][0025]
由于周期长度小于入射波长，此时透射波无法以传输波的形式存在，而是会形成表面束缚波。为了在不改变入射波长的条件下避免倏逝波的产生，需要对入射角进行改变，从而使得折射角满足下式：
[0026][0027]
此时可以发现在斜入射下，是能够有机会令器件产生较强的透射能量的，而在正入射下则无法产生高强度声波能量透射，这便为自弯曲波束的单向传输提供了基础。
[0028]
上述下层光学超表面中，二元亚波长单元a和二元亚波长单元b采用非周期性梯度相位分布而成，编码序列为“000011110000111100000111110000011111000001111110000001111111000000000111111111111”，能够匹配和近似产生自弯曲波束所需的编码相位剖面，从而令透射场形成辐射方向倾斜的高强度自弯曲波束。当工作波长为650nm的tm波由下层超表面正入射时，会先产生传播轨迹弯曲的透射波束，而后以斜入射的方式透过上层超表面，以实现该入射方向下的高强度自弯曲波束。而当工作波长为650nm的tm波由上层超表面正入射时，由于表面倏逝波的产生，会令该入射方向下的透射场强度相对较弱，以此实现对自弯曲波束的单向激发。
[0029]
实施例：
[0030]
在本实施例中，如图2所示，采用金属银、二氧化硅介质、空气腔的组合对二元亚波长单元进行构造。其中：二氧化硅介质长度为w＝180nm，介电常数为3.9。通过对二氧化硅介质的高度参数由10nm到450nm进行扫描，如图3所示，可以发现不同的高度信息对应于不同的透射率和透射相位。在高度选为135nm和420nm时(被a、b点及虚线标注的位置)，可以在接近完美透射的情况下实现相反的相位响应，从而能够用来扮演二元亚波长单元的角。此时，通过将高度为135nm和420nm的单元构型视为编码0和1，并按照如图1所示的编码序列对双层光学超表面进行构建，如图4所示，便能够令工作波长为650nm的tm波由下层超表面正入射时，产生高强度的自弯曲波束，而由上层超表面正入射时，透射场强度相对较弱，从而实现了本发明所述的基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器。此外，如图5所示，通过对双层光学超表面采用纵向镜像对称的操作，还可以令两个来自完全相反方向的自弯曲波束产生干涉叠加效应，以此实现对单向自聚焦波束的产生，进一步提高本发明所提到器件的功能性，拓宽其适用范围。

技术特征：

1.一种基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器，其特征在于所述单向自弯曲波束产生器包括平行放置且具有亚波长厚度的上层光学超表面和下层光学超表面，其中：上层光学超表面和下层光学超表面均由81个二元亚波长单元构成，且上层光学超表面和下层光学超表面之间存在一定的空气间隙。2.根据权利要求1所述的基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器，其特征在于所述二元亚波长单元包括二元亚波长单元a和二元亚波长单元b，二元亚波长单元a和二元亚波长单元b具有相同的尺寸，长和高分别是和λ/2，其中λ是入射波长。3.根据权利要求2所述的基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器，其特征在于所述二元亚波长单元a和二元亚波长单元b具有相反透射相位响应。4.根据权利要求2所述的基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器，其特征在于所述二元亚波长单元a和二元亚波长单元b在上层光学超表面中采用周期性相位分布，周期长度为沿传播方向相位编码为“001100110011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110”，其中编码0代表相对相位响应为0，编码1代表相对相位响应为π。5.根据权利要求2所述的基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器，其特征在于所述二元亚波长单元a和二元亚波长单元b在下层光学超表面中采用非周期性梯度相位分布，其沿传播方向相位编码为“000011110000111100000111110000011111000001111110000001111111000000000111111111111”，其中编码0代表相对相位响应为0，编码1代表相对相位响应为π。6.根据权利要求1所述的基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器，其特征在于所述上层光学超表面和下层光学超表面之间的空气间隙宽度设定为λ。7.根据权利要求1所述的基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器，其特征在于所述上层光学超表面和下层光学超表面的入射方式采用波长为650nm的tm波分别从器件两侧正入射。

技术总结

本发明公开了一种基于可见光二元超表面的单向自弯曲波束产生器，所述单向自弯曲波束产生器包括平行放置且具有亚波长厚度的上层光学超表面和下层光学超表面，其中：上层光学超表面和下层光学超表面均由81个二元亚波长单元构成，且上层光学超表面和下层光学超表面之间存在一定的空气间隙。本发明采用数字0和1对具有相反透射相位的单元进行编码，通过平行放置两个具有不同编码序列的亚波长光学超表面，利用双层结构两侧不同的透射相位响应，可以令波长为650nm的TM入射波单向转换为自弯曲波束，在促进光学设备微型化和集成化的同时，极大简化了器件的设计和制备过程。极大简化了器件的设计和制备过程。极大简化了器件的设计和制备过程。