CN113589522A - 基于建立结构参数库的角度复用超表面及设计方法 - Google Patents

基于建立结构参数库的角度复用超表面及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于建立结构参数库的角度复用超表面及设计方法。所述超表面由多个单元结构阵列于一平面构成；所述单元结构由底层金属反射层、电介质间隔层和顶部金属纳米天线层构成；通过单元结构参数优化，使得单元结构在不同入射角下激发不同的共振模式，以产生不同的振幅和相位响应；通过采集多个在不同角度下产生不同相位和振幅的单元结构的结构参数以构建结构参数库。复用设计方法：通过电磁仿真计算，建立结构参数库；确定角度复用的成像通道以及待显示图像；将不同的单元结构与图像信息对应，有序阵列以实现角度复用的功能。本发明可实现角度复用的全息图像以及纳米印刷图像可以广泛应用于纳米印刷、全息成像等光学领域。

Description

基于建立结构参数库的角度复用超表面及设计方法
技术领域
本发明属于微纳光学技术领域，具体涉及涉及基于建立结构参数库的角度复用超表面及设计方法。
背景技术
虽然超表面在操纵光方面表现出了巨大的潜力，但大多数可控制的光参数已经被广泛地探索和实现，在光操纵和光学复用方面具有新的独立自由度，如波长、偏振等。然而，作为光学中关键的参数之一，入射波矢量(k)对于光复用的研究还没有得到充分的探讨和研究。大多数超表面光照操作效果都是在一定的光照角度下进行的。当以不同的入射角照明时，超表面往往不能保持相同的光学性能，也不能显示独立的新功能。
目前尚缺少一种在多入射角光线下可以实现独立显示图像的超表面。
发明内容
针对现有技术中缺少的角度复用超表面功能，本发明提供了基于建立结构参数库的角度复用超表面及设计方法。
本发明提出了一种通用的、***的方法来指导角复用元曲面的设计，使其能够显示完全独立的纳米打印图像和元全息。该方法是通过扫描和搜索可以产生角度相关响应的单元，并将这些模拟数据填充到参数空间的相应位置。当参数空间填充率大于75％时，可以认为相应的两个参数可以任意组合，实现完全独立调节。通过这种方法，任何不同的光学功能都可以在不同的入射角情况下嵌入到单层超表面中。本发明为实现不同光照角度下的复杂功能建立了一个新的平台，这是当前设备之前无法实现的能力，显著扩展了超表面的光波操作能力。
本发明提供的技术方案如下：
本发明第一方面提供基于建立结构参数库的角度复用超表面，由多个单元结构阵列于一平面构成；所述单元结构由底层金属反射层、电介质间隔层和顶部金属纳米天线层构成；通过单元结构参数优化，使得单元结构在不同入射角下激发不同的共振模式，以产生不同的振幅和相位响应；
通过采集多个在不同角度下产生不同相位和振幅的单元结构的结构参数以构建结构参数库；
所述结构参数库包括以下四种：
(1)单元结构包括三块长方体的纳米天线，其中两块长度方向平行设置，另一块垂直设置于前两块短边一侧，并与前两块形成间隙；
(2)单元结构包括三块长方体的纳米天线，形成I型结构；
(3)单元结构包括一块长方体纳米天线；
(4)单元结构包括三块长方体的纳米天线，形成n型结构。
进一步，所述底层金属反射层和顶部金属纳米天线层的材料包括金和银。
进一步，所述电介质间隔层的材料为二氧化硅。
进一步，所述结构参数包括底层金属反射层和电介质间隔层的长度、宽度和高度；各根纳米天线的长度、宽度和高度。
进一步，所述底层金属反射层-电介质间隔层-顶部金属纳米天线层的结构参数均为亚波长尺度。
更进一步，所述底层金属反射层的厚度为100nm，电介质间隔层的厚度为70nm，顶部金属纳米天线层的厚度为30nm。
本发明第二方面提供上述超表面角度复用成像的设计方法，包括以下步骤：
(1)通过过电磁仿真计算，扫描大量不同的单元结构，搜索出在不同角度下产生不同的相位和振幅的各种单元结构，然后将数据填入如图4所示参数空间(如参数空间
Figure BDA0003140645340000021
)的相应位置以建立结构参数库(包含有各种结构的尺寸参数和光学响应等信息)，当参数空间填充率(点所围成的面积占整个参数空间面积的比)大于75％时，可以认为相应的两个参数(如
Figure BDA0003140645340000022
和
Figure BDA0003140645340000023
)可以独立调节；
(2)确定角度复用的成像通道以及待显示图像；
(3)按照GS算法计算出实现角度复用成像功能所需波前的振幅和相位；
(4)从结构参数库中选取出对应的单元结构，以一个单元结构作为一个像素点，按照所计算的波前与待显示图像的每个像素一一对应，并有序排列成阵列形成超表面；
(5)通过不同角度的入射光线照射超表面，对应的反射光线显示不同的全息图像，以实现多通道全息图像显示。
本发明第三方面提供上述超表面在多个通道全息成像和纳米印刷中的应用。
与传统的复用性全息成像和纳米印刷成像器件相比，本发明所涉及的基于建立结构参数库的角度复用超表面及设计方法具有如下有益效果：
(1)实现了入射角度复用的全息成像和纳米印刷成像，这是传统的器件无法实现的。
(2)通过基于建立的结构参数库，能够实现完全独立的多通道成像。
(3)同时将多个通道的成像功能集成在一个单层的超表面器件上，且结构简单，同时还具有超微尺寸，易于集成的重要优点。
(4)本发明设计的角度复用超表面，可以在多个角度的照明下，实现多个通道的全息成像以及纳米印刷等功能。
附图说明
图1是本发明中的角度复用超表面阵列和单元结构示意图；
图2是本发明中的角度复用的超表面阵列的侧视图以及原理图；
图3是本发明中的一些单元结构的示意图以及电磁仿真的电场图，所以说明单元结构能在不同的入射角下激发不同的模式；
图4是本发明实施例中所建立的六种结构参数库的示意图；
图5是本发明中的一些单元结构实验和模拟中的反射光谱；
图6是本发明实例中所设计并制造的样品的局部扫描电子显微(SEM)图像；
图7是本发明实施例中所实现的角度复用的多通道全息成像和纳米印刷成像的示意图，图中，在不同的角度下可以产生完全不同的全息图像和纳米印刷图像。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明结构以及其实现的功能，下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。本发明的内容完全不限于此。
实施例
本实施例为一种角度复用超表面的具体设计过程，及利用其实现多通道全息成像的具体实施方法。
作为实施例，首先确定超表面的单元结构为金属-电介质-金属型结构，如图1所示，由底部银反射层-二氧化硅间隔层-顶层银质纳米天性层形成法布里珀罗腔。
图2为所设计超表面的侧视示意图以及该结构在不同的入射光照下产生不同振幅和相位响应的原理图。由于在不同角度的入射光照射下，所激发的表面等离激元共振和三层结构形成的法布里珀罗腔的光学腔长发生了变化，因此结构在不同的入射角度下可以产生不同的振幅和相位响应，如图3所示。
利用电磁仿真软件FDTD Solutions对不同的尺寸参数的纳米天线进行电磁仿真模拟，如图3所示。
本实施例的单元结构的的结构参数库包括以下四种：
(1)单元结构包括三块长方体的纳米天线，其中两块长度方向平行设置，另一块垂直设置于前两块短边一侧，并与前两块形成间隙；
(2)单元结构包括三块长方体的纳米天线，形成I型结构；
(3)单元结构包括一块长方体纳米天线；
(4)单元结构包括三块长方体的纳米天线，形成n型结构。
从几种单元结构的电场图可以看出在不同角度(0°和30°)的光照下，这些结构单元可以激发不同的共振模式，从而产生不同的振幅和相位响应；通过仿真大量的不同尺寸参数的纳米天线结构，建立出可供检索的尺寸参数库，如图4所示；如图5所示，所制造出来的两种单元结构模拟的和实验的实际的反射光谱符合的很好，可以证明尺寸参数库内的数据是比较可靠的。
本实施例中，角度复用的多通道全息成像和纳米印刷成像的设计，选择待显示的图像作为全息成像和纳米印刷成像的目标图像；通过MATLAB软件计算出在不同的入射角度下所需要实现的振幅和相位响应；从结构参数库中选取出对应的单元结构，以一个单元结构作为一个像素点，按照所计算的波前与待显示图像的每个像素一一对应，并有序排列成阵列形成超表面。通过纳米制造工艺制作出设计出超表面样品，其样品的局部扫描电镜图像(SEM)如图6所示。在本实施例中，顶层的金属厚度为30nm，间隔层的厚度为70nm，底层金属的厚度为100nm。
图3中示出了的四种典型单元结构的尺寸参数，具体如下：
以所在单元结构的中心为原点，建立xoy直角坐标系，
结构(1)：
三个矩形的中心点坐标为左(-120nm，-55nm)、右(120nm，-55nm)和上(0nm，180nm)。
三个矩形的尺寸分别为左(100nm，220nm)、右(100nm，220nm)和上(300nm，60nm)。
结构(2)：
三个矩形的中心坐标分别为下(0nm，-90nm)、上(0nm，90nm)和中(0nm，0nm)。
三个矩形的尺寸分别为下(120nm，60nm)、上(120nm，60nm)和中(60nm，120nm)。
结构(3)：
矩形的中心坐标为(0nm，0nm)。矩形的长宽为280nm，340nm。
结构(4)：
以n型结构横梁的下边延长线为分割线，将分成三个矩形；
三个矩形的中心坐标分别为左(-170nm，40nm)、右(170nm，40nm)、中(0nm，180nm)。
三个矩形的长宽分别为左(60nm，220nm)、右(60nm，220nm)和中(400nm，60nm)。
本实例所制作的样品，其工作波长为633nm，对应不同的成像通道，能够在不同角度的入射光下反射光显示不同的全息成像和纳米印刷成像功能，如图7所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于建立结构参数库的角度复用超表面，其特征在于：
所述超表面由多个单元结构阵列于一平面构成；
所述单元结构由底层金属反射层、电介质间隔层和顶部金属纳米天线层构成；通过单元结构参数优化，使得单元结构在不同入射角下激发不同的共振模式，以产生不同的振幅和相位响应；
通过采集多个在不同角度下产生不同相位和振幅的单元结构的结构参数以构建结构参数库；
所述结构参数库包括以下四种：
(1)单元结构包括三块长方体的纳米天线，其中两块长度方向平行设置，另一块垂直设置于前两块短边一侧，并与前两块形成间隙；
(2)单元结构包括三块长方体的纳米天线，形成I型结构；
(3)单元结构包括一块长方体纳米天线；
(4)单元结构包括三块长方体的纳米天线，形成n型结构。
2.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：所述底层金属反射层和顶部金属纳米天线层的材料包括金和银。
3.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：所述电介质间隔层的材料为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：所述结构参数包括底层金属反射层和电介质间隔层的长度、宽度和高度；各根纳米天线的长度、宽度和高度。
5.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：所述底层金属反射层-电介质间隔层-顶部金属纳米天线层的结构参数均为亚波长尺度。
6.根据权利要求5所述的超表面，其特征在于：所述底层金属反射层的厚度为100nm，电介质间隔层的厚度为70nm，顶部金属纳米天线层的厚度为30nm。
7.权利要求1-5任一项所述的超表面角度复用成像的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过电磁仿真计算，扫描大量结构参数的各类单元结构，搜索出在不同角度下产生不同相位和振幅的各种单元结构，收集上述单元结构的相关参数以建立结构参数库；
(2)确定角度复用的成像通道以及待显示图像；
(3)按照GS算法计算出实现角度复用成像功能所需波前的振幅和相位；
(4)从结构参数库中选取出对应的单元结构，以一个单元结构作为一个像素点，按照所计算的波前与待显示图像的每个像素一一对应，并有序排列成阵列形成超表面；
(5)通过不同角度的入射光线照射超表面，对应的反射光线显示不同的全息图像，以实现多通道全息图像显示。
8.权利要求1-5任一项所述的超表面在多个通道全息成像和纳米印刷中的应用。
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