CN105676314A - 一种多光谱位相型超表面器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多光谱位相型超表面器件，属于超材料技术领域，所述的超表面器件是由在超薄金属或介质上刻蚀而成的纳米单元结构阵列组成。本发明将多频信息编码到一个超表面上，利用超表面上的纳米结构宽带自旋-轨道相互作用对多个波长电磁波分别实现相位调控，使不同波长、不同角度入射电磁波聚焦为特定形状。因此，本发明可较好地用于设计多波长的超小型光学器件和集成光学***。

Description

一种多光谱位相型超表面器件

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，特别涉及一种多光谱位相型超表面器件。

背景技术

现代电磁学中，对不同频段电磁波实现独立控制在无线通信、多光谱成像等应用中至关重要。然而，材料色散的存在限制了传统技术的发展，使得相应的器件和***庞大、笨重且性能受限。

作为二维超材料，超表面被证实可以实现电磁波振幅、相位和偏振态的全面调控，使用超表面情况下的反射和折射定律，波前可以被任意调制。因此许多功能，如光束控制、聚焦和成像等成为可能。由于超表面比超材料更薄、更易加工，因此业内认为第一代实用化的超材料器件会使用这项技术。

虽然超表面可以实现许多奇异的功能，但现在的设计还要受制于很多缺点。例如，超表面通过相位变化可以对不同波长进行独立响应，但由于强色散却极大地限制了超表面在宽带和多光谱的应用。比如，传统远场成像过程中，分辨率受限于衍射极限，无法达到照明光波长的一半，而受激辐射损耗(STED)显微***是实用化的突破衍射极限成像的方法之一。STED显微***的基本原理是荧光分子的空间选择钝化作用，这项技术要使用两种波长的光束，分别产生不同的形状的光斑。但传统STED荧光扫描显微镜的光学***很复杂，急需使用一个光学元件产生两种所需光斑的技术。然而，STED显微***中，传统的超表面透镜的焦距与波长有关，这对多光谱成像带来了不利影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种多光谱位相型超表面器件，该器件是由超薄金属薄膜上的纳米孔阵列组成。通过将多频信息编码到纳米孔阵列上，利用纳米小孔的自旋-轨道相互作用实现频率选择控制。由于自旋轨道相互作用具有宽波带特性，因此本发明可在不同波长下实现给定形状的光场分布。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种多光谱位相型超表面器件，包括自下而上依次排布的基底和由各向异性纳米单元结构阵列构成的超表面，所述各向异性纳米结构是在超薄金属或介质上刻蚀制成，也可直接制作在基底上，其特征尺寸小于波长，排列间距小于半波长，所述的超薄金属的厚度d取值范围为：δ<d<λ/3(λ为入射电磁波波长，δ为金属的趋肤深度，μ₀＝4π×10^-7H/m，ω为圆频率，σ₀为金属的电导率)；所述超薄介质厚度小于入射光波长。

其中，所述的超表面为平面或曲面。

其中，所述的各向异性纳米结构包括：孔或其互补结构。

其中，所述的各向异性纳米结构几何图案包括：矩形、椭圆形、十字形、工字形或多边形。

其中，所述的金属包括：金、银、铜、金合金、银合金或铜合金

其中，所述介质包括：硅、二氧化硅等半导体以及氟化物等在工作波段透明的材料。

其中，所述基底材料为硅、二氧化硅等半导体以及氟化物等在工作波段透明的材料。

其中，若所述纳米单元结构制作在介质上，介质材料与基底材料可相同或不同。

其中，所述的基底厚度0<h<λ，λ为入射电磁波波长。

其中，所述基底表面为平面或曲面。

其中，所述的多光谱位相型超表面器件的厚度t可小于波长。

其中，所述的多光谱位相型超表面器件可将相同入射角度、不同波长的电磁波在同一位置聚焦和成像。

其中，所述的多光谱位相型超表面器件可将不同波长、不同角度入射的光波在同一位置聚焦。

其中，所述的多光谱位相型超表面器件适用于可见光和近红外区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明具有宽波带特性，通过产生消色差几何相位的超表面来控制不同光波，可使不同波长，不同入射角度的电磁波实现任意形状的聚焦光斑。并且本发明结构简单小巧，重量轻，利于加工。

附图说明

图1为本发明的单元结构示意图；

图2为本发明在平面波正入射条件下，超表面引入的相位变化；

图3为当不同波长的光正入射到超表面时，产生聚焦的示意图；

图4为光束(λ₂＝532nm)在xoz和xoy平面(z＝10μm)的分布示意图，其中，图4(a)为光束(λ₂＝532nm)在xoz平面的分布示意图，图4(b)为光束(λ₂＝532nm)在xoy平面(z＝10μm)的分布示意图；

图5为光束(λ₁＝405nm)在xoz和xoy平面(z＝10μm)的分布示意图，其中，图5(a)为光束(λ₁＝405nm)在xoz平面的分布示意图，图5(b)为光束(λ₁＝405nm)xoy平面(z＝10μm)的分布示意图；

图6为本发明实施例1中截取了聚焦面x方向的强度分布曲线图；

图7为本发明实施例1中样品的扫描电镜图；

图8为本发明实施例1中样品在λ＝405nm左旋光入射条件下xoz平面的强度分布图；

图9为本发明实施例1中样品在λ＝532nm左旋光入射条件下xoz平面强度分布图；

图10为本发明实施例2中样品的扫描电镜图；

图11为本发明实施例2中样品在λ＝532,632.8和785nm入射条件下xoz平面强度的数值计算结果与实验结果对比图，其中，图11(a)为样品在λ＝532nm入射条件下，在xoz平面强度的数值计算结果(左)与实验结果(右)对比图，图11(b)为样品在λ＝632.8nm入射条件下，在xoz平面强度的数值计算结果(左)与实验结果(右)对比图，图11(c)为样品在λ＝785nm入射条件下，在xoz平面强度的数值计算结果(左)与实验结果(右)对比图；

图12为本发明实施例2中在z＝9μm处波长为532nm、632.8nm和785nm的数值计算和实验测量得到的半高全宽对比图，其中，图12(a)为在z＝9μm处波长为532nm、632.8nm和785nm实验测量得到的半高全宽图，图12(b)为在z＝9μm处波长为532nm、632.8nm和785nm数值计算得到的半高全宽图；

图13为本发明实施例3中用利用多光谱超表面器件使不同波长、不同角度入射的光波在同一位置聚焦的示意图，其中，图13(a)为波长为532nm，入射角为0°在xoz平面的光强分布图，图13(b)为波长为632.8nm，入射角为30°在xoz平面的光强分布图，图13(c)为波长为785nm，入射角为-30°在xoz平面的光强分布图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。

具体实现过程如下：

实施例1

本发明实施例1以优选的椭圆纳米孔单元结构为例，如图1所示，该多光谱位相型超表面器件，包括自下而上依次排列的基底1、超表面层2、以及刻蚀于超表面层中的纳米孔3。其中基底的厚度为h；超表面层的厚度为d；材料总厚度为t；所述纳米孔结构的特征尺寸w(短轴)与l(长轴)不相等。根据此结构，下面将详细阐述其设计原理。

在圆偏振光CPL入射下，每个纳米孔相当于一个偏振滤光片，因此，空间变化的孔阵列会产生空间变化的偏振态。由于光子自旋轨道相互作用，偏振态变化和相位变化有关。传输光会产生2σα的相位延迟，其中σ＝±1表示圆偏振光的左旋或右旋状态，α是孔主轴的偏转角。从公式可以看出，相位变化与入射光波长没有关系。因此，本发明可以用于宽带相位调制。

为了实现多谱线光束控制，本发明借鉴了全息的概念，即各个角度的信息都可以融合到一个二维平面内，将各个波长的信息编码到一个超表面中去，如图2所示，在平面波正入射条件下，超表面引入的相位变化可以表示为：

$\mathrm{\&Phi;}(x,y,\mathrm{\&lambda;})=\arg \left({\mathrm{\&Sigma;}}_1^N{E}_n\right)=\arg \left({\mathrm{\&Sigma;}}_1^N{A}_n\exp \right({\mathrm{i\&Phi;}}_n\left(x,y,{\mathrm{\&lambda;}}_n\right)\left)\right),---\left(1\right)$

其中An和Φn分别表示第n个虚拟光源的振幅和相位，En为复振幅，λn表示相应的波长。

以需要两种形状光斑为例，一种是λ1产生的实心聚焦光斑，另一种λ2是产生的环形光斑。对λ1，入射光场可以表示为：

$E_1(x,y,{\mathrm{\&lambda;}}_1)=A_1\exp \left(i\mathrm{\&Phi;}\right(x,y,{\mathrm{\&lambda;}}_1\left)\right)=A_1\exp (-i\frac{2\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_1}\sqrt{x^2+y^2+f^2})---\left(2\right)$

对λ₂，聚焦光斑包含一个随方位角线性变化的相位，数学形式为其中是柱坐标系中的方位角，l是拓扑和值。因此，入射光场可以表示为：

为了简化讨论过程，我们假设振幅A₁＝A₂＝A，因此多波长全息图的相位分布为：

图3展示了相应的过程，当不同波长的光正入射到超表面时，在设计的位置上，我们可以分别得到实心聚焦光斑和空心光斑。

对上述设计原理进行验证，实现步骤如下:

(1)参数选择为λ₁＝405nm,λ₂＝532nm,以及l＝1。超表面透镜半径为10μm，实心和环形光斑的观察面设置在z＝10μm平面上，也就是说焦距f＝10μm。

(2)利用矢量衍射理论仿真该器件的性能，请参照图4a,b，图4a,b为涡漩光束(λ₂＝532nm)在xoz和xoy平面(z＝10μm)的分布，得到了一个环形光斑。图5a,b是λ₁＝405nm在xoz和xoy平面的分布，在z＝10μm的位置得到了一个实心聚焦光斑。为了比较环形光斑和实心光斑，本实施例截取了聚焦面x方向的强度分布，绘制了曲线(图6)。

(3)制备样品。在SiO₂基底上镀120nm金膜，使用聚焦离子束(FIB)加工了相应的样品。样品圆形区域直径10μm。如图7所示，椭圆纳米孔的长轴和短轴分别为180nm和90nm。这些孔与孔间距为250nm，按照六边形框架排列以增加对称性。

(4)入射光通过线偏振器和1/4波片转化为圆偏振光。在z方向上，样品通过装有电机的平台控制，步长为0.5μm。沿z向的不同xoy平面上的交叉极化强度分布通过CCD记录下来。通过截取每幅图中过光斑中心位置的截线，我们可以分别得到xoz和yz平面的强度分布。图8是λ＝405nm左旋光入射时xoz平面的实验结果，其中的插图是z＝10μm位置的结果。类似地，将入射光波长变为后532nm，在z＝10μm处可以测量得到一个环形光斑。图9展示了xoz平面强度分布的实验结果，与仿真结果符合的很好。

实施例2

利用多光谱位相型超表面器件实现不同波长在同一位置的聚焦和成像。根据上述设计理论假设在同一位置有不同波长的几个点光源，它们在超表面的相位分布可以表示为：

$\mathrm{\&Phi;}(x,y)=\arg \left({\mathrm{\&Sigma;}}_1^N{E}_n\right)=\arg \left({\mathrm{\&Sigma;}}_1^{N}A\exp \right(i\frac{2\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_n}\sqrt{x^2+y^2+f^2}\left)\right).---\left(5\right)$

简便起见，假设这些光源的振幅相等。在超表面的加工和设计过程中，本实施例使用了532nm、632.8nm和785nm三个不同波长。圆形样品半径设计为10μm，焦距为f＝9μm。图10是样品的SEM图，其中纳米孔阵列按照C6对称进行排布。在三个不同波长入射条件下，对此超表面进行了仿真和测试。图11左侧一列分别是λ＝532，632.8和785nm入射条件下xoz平面强度的数值计算结果，与右侧实验结果符合的很好。其中，图11(a)为样品在λ＝532nm入射条件下，在xoz平面强度的数值计算结果(左)与实验结果(右)对比图，

图11(b)为样品在λ＝632.8nm入射条件下，在xoz平面强度的数值计算结果(左)与实验结果(右)对比图，图11(c)为样品在λ＝785nm入射条件下，在xoz平面强度的数值计算结果(左)与实验结果(右)对比图。如图12所示，本实施例还比较了z＝9μm处三个波长数值仿真和实验测量得到的半高全宽，由图可知本发明实现了与理论值近似的聚焦(或者说，与衍射极限近似)。其中，图12(a)为在z＝9μm处波长为532nm、632.8nm和785nm实验测量得到的半高全宽图，图12(b)为在z＝9μm处波长为532nm、632.8nm和785nm数值计算得到的半高全宽图。

实施例3

利用多光谱位相型超表面器件实现不同波长、不同角度入射的光波在同一位置聚焦。与实施例2不同，本实施例中采用不同角度入射的光波在同一位置聚焦，对应的超表面的相位分布可以表示为：

$\mathrm{\&Phi;}(x,y)=\arg \left({\mathrm{\&Sigma;}}_1^{N}A\exp \right(i\frac{2\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&lambda;}}_n}\sqrt{x^2+y^2+f^2}+i\left(k_{xn}x+k_{yn}y\right)\left)\right).---\left(5\right)$

其中kxn和kyn为第n个倾斜入射电磁波在x和y方向的横向波矢量。本实施例假设这些光源的振幅相等，且使用532nm、632.8nm和785nm三个不同波长，分别对应的入射角为0°，30°和-30°(入射面均为xoz平面)，焦距为50μm，口径为100μm。结果请参见图13，其中，图13(a)为波长为532nm，入射角为0°在xoz平面的光强分布图，图13(b)为波长为632.8nm，入射角为30°在xoz平面的光强分布图，图13(c)为波长为785nm，入射角为-30°在xoz平面的光强分布图。由图可知上述不波长，不同入射角度的光波实现了在同一位置聚焦。

通过上述实施例，可较好地实现本发明。

Claims (14)

1.一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：通过所述超表面器件的结构将多频信息编码到一个超表面上，使不同波长、不同角度入射电磁波聚焦为特定形状；其结构包括自下而上依次排布的基底和由各向异性纳米单元结构阵列构成的超表面，所述各向异性纳米结构是在超薄金属或介质上刻蚀制成，也可直接制作在基底上，其特征尺寸小于波长，排列间距小于半波长，所述的超薄金属的厚度d取值范围为：δ<d<λ/3，λ为入射电磁波波长，δ为金属的趋肤深度，μ₀＝4π×10^-7H/m，ω为圆频率，σ₀为金属的电导率；所述超薄介质厚度小于入射光波长。

2.根据权利要求1所述的一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：所述的超表面为平面或曲面。

3.根据权利要求1所述的一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：所述的各向异性纳米结构包括：孔或其互补结构。

4.根据权利要求1所述的一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：所述的各向异性纳米结构几何图案包括：矩形、椭圆形、十字形、工字形或多边形。

5.根据权利要求1所述的一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：所述的金属包括：金、银、铜、金合金、银合金或铜合金。

6.根据权利要求1所述的一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：所述介质包括：硅、二氧化硅等半导体以及氟化物等在工作波段透明的材料。

7.根据权利要求1所述的一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：所述基底材料为硅、二氧化硅等半导体以及氟化物等在工作波段透明的材料。

8.根据权利要求1所述的一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：若所述纳米单元结构制作在介质上，介质材料与基底材料可相同或不同。

9.根据权利要求1所述的一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：所述的基底厚度0<h<λ，λ为入射电磁波波长。

10.根据权利要求1所述的一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：所述基底表面为平面或曲面。

11.根据权利要求1所述的一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：所述的多光谱位相型超表面器件的厚度t可小于波长。

12.根据权利要求1所述的一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：所述的多光谱位相型超表面器件可将相同入射角度、不同波长的电磁波在同一位置聚焦和成像。

13.根据权利要求1所述的一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：所述的多光谱位相型超表面器件可将不同波长、不同角度入射的光波在同一位置聚焦。

14.根据权利要求1所述的一种多光谱位相型超表面器件，其特征在于：所述的多光谱位相型超表面器件适用于可见光和近红外区域。