CN113740939B - 一种无序功能基元构型的光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无序功能基元构型的光学器件，包括沿电磁波传播方向依次设置的衬底和无序功能基元的非周期微纳结构阵列，所述衬底的表面为平面或曲面，无序功能基元的非周期微纳结构阵列是多个具有无序的内部结构的功能基元在平面或曲面上非周期分布而形成的微纳结构阵列；光学器件中所分布的各功能基元的内部结构根据光学器件的相位分布确定。本发明的光学器件以无序结构作为功能基元，一方面消除基于同质材料的规则构型的功能基元之间的强耦合现象，另一方面利用无序结构的随机性和多样性，增加光学器件的设计自由度，拓展功能基元参数空间，从而显著提高光场调控能力和光学器件性能。

Description

一种无序功能基元构型的光学器件

技术领域

本申请属于超表面光学器件领域，具体涉及一种无序功能基元构型的光学器件。

背景技术

超表面是指以特征尺寸为亚波长的光学散射结构为功能基元，以功能基元在平面或曲面上分布构成的微纳结构阵列，其最主要的功能是调控入射光相位、振幅、偏振、频率，从而根据功能基元的分布相应地调制光束波前。因此，相较于传统的光学器件，超表面光学器件具有灵活的光调控特性，在光学和电磁学领域展现出显著优势。

目前，国内外研究的超表面光学器件多采用异质材料(即，衬底采用低折射率材料，超表面介质柱采用高折射率材料，比如在石英衬底上以原子层沉积法生长二氧化钛或以化学气相沉积法生长非晶态硅等等)，以降低超表面中临近功能基元间的耦合效应。上述异质材料会增加工艺成本，比如以原子层沉积法和化学气相沉积法等增材工艺生长异质材料，其加工慢、成本高、良率低，远不及工艺成熟的同质材料。此外，出于对光学器件的结构可靠性的要求，更宜采用更为稳定可靠的同质材料(比如石英片、硅晶圆、锗晶圆等等)来制备超表面光学器件。

但是，异质超表面光学器件的设计方法不能直接应用于同质超表面光学器件，原因在于：目前异质超表面光学器件研究中常用圆柱、方柱、矩形柱等规则构型，而基于同质材料的超表面，若其功能基元也采用上述结构，其临近功能基元间会存在强耦合，从而破坏超表面对波前的精确调控，从而影响超表面光学器件的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种无序功能基元构型的光学器件，以消除基于同质材料的规则构型的功能基元之间的强耦合现象。

为了实现上述目的，本发明提供一种无序功能基元构型的光学器件，包括沿电磁波传播方向依次设置的衬底和无序功能基元的非周期微纳结构阵列，所述衬底的表面为平面或曲面，无序功能基元的非周期微纳结构阵列是多个具有无序的内部结构的功能基元在平面或曲面上非周期分布而形成的微纳结构阵列；光学器件中所分布的各功能基元的内部结构根据光学器件的相位分布确定。

所述功能基元包括：无序二维码功能基元，其内部结构由数量不等的规则的柱状结构在超表面一个功能基元内无序分布而成；和/或无序微扰型功能基元，其内部结构由规则结构及与规则结构紧邻的数量不等、尺寸不等、形状随机的小尺寸无序结构共同组成，小尺寸无序结构的尺寸与规则结构的尺寸的比值在1/100至1/5的范围。

对于无序二维码功能基元，柱状结构的尺寸与功能基元的边界尺寸的比值在1/30至1/3的范围，且柱状结构为圆柱、椭圆柱、方柱或长方柱。

对于无序微扰型功能基元，规则结构的尺寸与功能基元的边界尺寸的比值在0.1至0.9的范围，所述规则结构是柱状结构、锥状结构或台状结构，且柱状结构为圆柱、椭圆柱、方柱或长方柱。

所述功能基元的边界形状是规则的方形、三角形、六边形，或者其它曲线构成的闭合区域；所述功能基元的边界尺寸为λ/2至2λ，其中λ是光学器件的工作波长。

相邻的功能基元的中心之间的距离全部相同，全部不同，或者部分相同部分不同。

所述衬底包括介质层，功能基元和衬底的介质层的材料相同。

所述功能基元的内部和衬底的介质层的材料包括石英、硅、锗、氮化镓、氮化硅、氧化铝、硒化锌、硫化锌、氟化钙、氟化镁、氟化钡、氟化锂、砷化镓、高阻硅、聚甲基戊烯、聚乙烯和聚四氟乙烯的至少一种。

所述衬底还包括金属反射层，或者功能基元的材料具备偏振选择性。

光学器件中所分布的各功能基元的内部结构根据光学器件的相位分布确定，具体包括：

S1：建立功能基元的多种不同的内部结构；

S2：通过电磁仿真获得各种不同的内部结构的功能基元的振幅和相位，从中筛选出振幅基本相同的多个功能基元，将其内部结构与相位的一一对应关系作为参数空间；

S3：根据光学器件的相位分布公式在每个功能基元所在位置的相位，去匹配到参数空间，从而确定每个功能基元所在位置的该功能基元的内部结构；其中，光学器件的相位分布根据光学器件的功能要求来确定。

本发明的无序功能基元构型的光学器件以无序结构作为功能基元，一方面消除基于同质材料的规则构型的功能基元之间的强耦合现象(无序结构其功能基元之间的相互作用是无序的、随机的，各基元间的相互作用由于随机性可以抵消，从而避免强耦合)，另一方面利用无序结构的随机性和多样性，增加光学器件的设计自由度，拓展功能基元参数空间，从而显著提高光场调控能力和光学器件性能。

附图说明

图1是电磁波经根据本发明的一个实施例的无序功能基元构型的光学器件的光路示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的无序功能基元构型的光学器件的三维结构示意图。

图3是本发明实施例中无序功能基元的整体构型的俯视示意图。

图4A-图4G是电磁波经本发明实施例中无序功能基元构型的光学器件聚焦后沿光轴传播方向的场分布图，其中图4A-图4G分别示出了不同波长下的情况。

图5A-图5G是电磁波经本发明实施例中无序功能基元构型的光学器件聚焦后在焦平面上的场分布图，其中图5A-图5G分别示出了不同波长下的情况。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的一个实施例，对本发明的方案做进一步详细的解释和说明。

本发明提供了一种无序功能基元构型的光学器件，该无序功能基元构型的光学器件其用于光场调控，可适用于从紫外、可见光、近红外到短波红外、中波红外、长波红外和太赫兹等各波段。具体来说，所述无序功能基元构型的光学器件包括且不限于成像透镜、反射镜、光束偏折器、偏振器、分光器、光吸收器等，即，无序功能基元构型的光学器件的功能包括且不限于透射成像、反射成像、光束偏折、分光等等。

下面以无序功能基元构型的光学器件是成像透镜为例，介绍根据本发明的一个实施例的无序功能基元构型的光学器件。

如图1所示，无序功能基元构型的光学器件包括沿电磁波传播方向依次设置的衬底1和无序功能基元的非周期微纳结构阵列2。

如图1所示，由于在本实施例中，由于功能基元构型的光学器件是成像透镜，具有透射成像功能，因此沿电磁波传播方向依次经过衬底1和无序功能基元的非周期微纳结构阵列2的电磁波聚焦于一焦平面3上的一点，该焦平面3沿电磁波传播方向位于所述无序功能基元的非周期微纳结构阵列2的下游。

其中，衬底1的表面可以是平面或者曲面。无序功能基元的非周期微纳结构阵列2是指多个具有无序的内部结构的功能基元在平面或曲面上非周期分布而形成的微纳结构阵列。内部结构也就是功能基元的构型。

在本实施例中，衬底1仅仅包括介质层，从而使得电磁波能够透过衬底1。

需要说明的是，在其他实施例中，对于(如反射镜、光束偏折器、偏振器、分光器、光吸收器)各种其他类型的无序功能基元构型的光学器件(如反射镜、光束偏折器、偏振器、分光器、光吸收器)也都包括衬底及无序功能基元的非周期微纳结构阵列，区别在于可能进一步包括其他部件，或者器件的性质和结构有进一步限定。比如对于反射镜，该无序功能基元构型的光学器件仍包括衬底及无序功能基元的非周期微纳结构阵列，其中的衬底除了包含介质层外，还包含金属反射层，以用于反射；比如对于偏振器，该功能基元构型的光学器件仍包括衬底及无序功能基元的非周期微纳结构阵列，其中的功能基元的材料需具备偏振选择性。

(一)单个功能基元的内部结构

每个功能基元均包括内部结构和位于内部结构四周的留白区域(即仅仅包含空气的区域)，内部结构和留白区域共同组成了功能基元的整体，且功能基元的边界是留白区域的边界。在现有技术中，以现有的申请号为202110374283.6的涉及超表面透镜的专利为例，每个功能基元的内部结构由一个圆柱及其周围的空气构成。由此，数千至数万个功能基元在平面上排布起来构成微纳结构阵列，即形成了超表面透镜这一光学器件。

而在本发明中，每一个功能基元的内部结构均为无序的(即内部结构无序排布，使得不同的功能基元的内部结构彼此不同)，其内部结构不再是一个规则的圆柱，而是，每一个功能基元的内部结构可以由数量不等、无序分布的规则的柱状结构组合起来构成，也可以由规则结构(比如圆柱)及与其紧邻的数量不等、尺寸不等、形状随机的小尺寸无序结构来构成。

具体来说，所述功能基元包括且不限于：

(1)无序二维码功能基元，其示例性的功能基元的整体结构如图3所示，功能基元包括功能基元的内部结构和位于内部结构边缘的留白区域，所述功能基元的内部结构由数量不等的规则的柱状结构(包括且不限于圆柱、椭圆柱、方柱、长方柱)在超表面一个功能基元内无序分布而成，因功能基元内柱状结构的数量和分布具有无序性且其形似二维码，故称之为无序二维码功能基元。

柱状结构的尺寸为功能基元的边界尺寸除以数倍或数十倍不等，功能基元的边界尺寸为P，则柱状结构的尺寸a在P/30至P/3的范围，柱状结构的尺寸a与功能基元的边界尺寸P的比值在1/30至1/3的范围。改变功能基元内方柱的尺寸、数量和分布，可以构成多种不同内部结构的无序二维码功能基元。

以功能基元的边界形状为正方形为例，功能基元的边界尺寸记为P，柱状结构的尺寸记为a，边缘留白区域的尺寸记为b，则功能基元的内部结构所在区域的整体尺寸为P-2b，可填充柱状结构的区域被拆分为(P-2b)²/a²个小区域，即对应的随机生成0和1的二维矩阵有(P-2b)²/a²个元素，则最多可以生成2^((P-2b)²/a²)种不同构型，考虑到2¹⁰＝1024>1000，即(P-2b)²/a²>10，即(P-2b)/a>3.2(向上取整为4)，此处以b＝a为例，则要求P>6a。事实上考虑到并非所有生成的无序二维码构型都符合工艺加工要求，以及为满足加工要求、边缘留白区域不宜过小，因此P/a的比值需要更大。

(2)无序微扰型功能基元，包括功能基元的内部结构和位于内部结构边缘的留白区域，功能基元的内部结构由规则结构及与规则结构紧邻的数量不等、尺寸不等、形状随机的小尺寸无序结构共同组成，因功能基元中的无序结构尺寸远小于规则结构尺寸，可类比为微扰，故称之为无序微扰型功能基元。

规则结构包括且不限于圆柱、椭圆柱、方柱、长方柱等柱状结构。此外，规则结构也可以是锥状结构和台状结构，出于工艺加工考虑，首选便于加工的柱状结构。若功能基元的边界尺寸为P，规则结构的尺寸在0.1P至0.9P范围。小尺寸无序结构可以是柱状结构、锥状结构、台状结构、球形结构，出于工艺加工考虑，小尺寸无序结构首选便于加工的、与规则结构高度相同(但横截面形状或尺寸与规则结构是不同的)的柱状结构。小尺寸无序结构的尺寸小于规则结构的尺寸，优选地，小尺寸无序结构的尺寸与规则结构的尺寸的比值在1/100至1/5范围。

需要说明的是，功能基元的数量为多个，因此可以一部分功能基元采用无序二维码功能基元，另一部分采用无序微扰型功能基元。

(二)不同的功能基元之间的排布方式

不同的功能基元之间的排布方式可以相同或者不同。功能基元的数量视器件尺寸(即微纳结构阵列的整体尺寸)及功能基元的尺寸而定，可以是数百至数千万不等。

具体来说，不同的功能基元的边界形状可以相同，也可以不同。可以是规则的方形、三角形、六边形等，也可以是其它曲线构成的闭合区域。不论边界形状是否相同，功能基元的内部结构的形状也是不同的，因如上文所述，其内部结构由数量不等、无序分布的柱状结构构成，或由规则结构及与其紧邻的数量不等、尺寸不等、形状随机的小尺寸无序结构构成。每个功能基元能够与多少个功能基元相邻，取决于功能基元的边界形状，比如功能基元的边界形状为正方形或矩形，则有四个最近邻，四个次近邻。比如功能基元的边界形状为等边三角形，则有三个最近邻，六个次近邻。对于功能基元的边界形状为正方形、矩形、三角形、六边形等规则形状的情况，根据相邻的功能基元的中心的连线作中垂线来划分边界；对于功能基元的边界形状为其它闭合曲线的情况，找到相邻的功能基元边缘的留白区域(即不设置柱状结构的区域)，在留白区域绘制的能把留白区域分开的曲线即为边界。相邻的两个功能基元的边界处有留白区域，即不设置任何柱状结构的柱状结构以外的区域。功能基元的中心是功能基元的边界形状的几何重心，比如正方形、矩形的功能基元的中心为两条对角线的交点，三角形的功能基元的中心为三条中线的交点，其它各类闭合曲线也依据数学上相应的求几何重心的方法来确定功能基元中心。

不同的功能基元的边界尺寸可以相同，也可以不同。对于边界尺寸相同的情况，功能基元的排布周期(即相邻的功能基元的中心之间的距离)是相同的，只是每个功能基元内的内部结构的具体参数(例如硅柱直径)是不同的；对于边界的尺寸不同的情况，即后文所述的相邻功能基元中心之间的距离无序的情况。在本实施例中，功能基元的边界尺寸在波长量级，优选为λ/2至2λ，其中λ是光学器件的工作波长。

对于无序功能基元的非周期微纳结构阵列，不仅每个功能基元内的内部结构无序，相邻的功能基元的中心之间的距离也无序设置。具体来说，相邻的功能基元的中心之间的距离无序设置，是指相邻功能基元中心之间的距离可以全部相同，可以全部不同，也可以部分相同部分不同。相邻功能基元中心之间的距离全部相同的情况是其中的一个特例。对于相邻的功能基元的中心之间的距离d相同的情况，功能基元的边界尺寸P与相邻的功能基元的中心之间的距离d相等，对于相邻的功能基元的中心之间的距离d不同的情况，功能基元的边界尺寸P与相邻的功能基元的中心之间的距离d不等。

以本发明实施例为例，在其边界的形状相同且其边界的尺寸相同的功能基元构型的光学器件的三维结构示意图如图2所示。根据光学器件的功能需求，相应改变功能基元的内部结构、尺寸、和排布方式，可以构成多种不同构型的光学器件。

每一个功能基元中的柱状结构的数量根据功能基元的边界形状和边界尺寸、柱状结构的形状和尺寸及占空比而定，比如功能基元的边界尺寸为P，柱状结构的尺寸为D，若功能基元的形状为方形，则柱状结构数量最多为(P/D)²,最少为1个，若功能基元的形状为矩形、三角形、六边形或其它形状，则数量最大值计算公式也会相应不同。优选地，每个功能基元中的柱状结构的数量可以在数个至数百个不等。

(三)光学器件的材料

本发明的无序功能基元构型的光学器件，其功能基元和衬底1的介质层的材料相同。该材料为在所述光学器件的工作波段选取的在该波段高透过率的材料，包括且不限于石英(SiO₂)、硅(Si)、锗(Ge)、氮化镓(GaN)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化铝(Al₂O₃)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、氟化钙(CaF₂)、氟化镁(MgF₂)、氟化钡(BaF₂)、氟化锂(LiF)、砷化镓(GaAs)、高阻硅(HRFZ-Si)、聚甲基戊烯(TPX)、聚乙烯(PE)和聚四氟乙烯(PTFE)的至少一种。

透射成像、反射成像、光束偏折、分光等功能均要求选取在工作波段内高透过率的材料。比如，对于紫外波段可选石英、氧化铝、氟化钙、氟化镁或氟化锂；可见光波段可选石英、氮化镓、氮化硅、氧化铝、硫化锌、氟化钙、氟化镁、氟化钡或氟化锂；近红外到短波红外波段可选石英、硅、氧化铝、硒化锌、硫化锌、氟化钙、氟化镁、氟化钡或氟化锂；中波红外可选硅、锗、氧化铝、硒化锌、硫化锌、氟化钙、氟化镁、氟化钡、氟化锂或砷化镓；长波红外可选硅、锗、硒化锌、硫化锌、氟化钙、氟化镁、氟化钡或砷化镓；太赫兹波段可选聚甲基戊烯、聚乙烯、聚四氟乙烯或高阻硅。

(四)光学器件的原理

各个功能基元的内部结构均为无序结构，使得不同的功能基元的内部结构彼此不同，进而使得电磁波经过各功能基元后能够获得不同的复振幅。

在本发明中，光学器件中所分布的各功能基元的内部结构根据光学器件的相位分布确定，且光学器件的相位分布根据光学器件的功能要求(比如透射成像、反射成像、光束偏折、分光等)来确定。

其中，光学器件中所分布的各功能基元的内部结构原本需要根据光学器件的复振幅分布确定，而复振幅与振幅和相位之间的关系式为：

其中A％为光学器件的复振幅，A为光学器件的振幅，

为光学器件的相位。

而上述光学器件因电磁波干涉叠加的需要，要求各功能基元的振幅相同，因此只要确定光学器件的相位分布(替代原本的确定光学器件的复振幅分布)，即可确定光学器件中所分布的各功能基元的内部结构。

对于功能为透射成像的光学器件来说，其相位分布公式为：

其中λ为工作波长，f为焦距，r为光学器件上某个位置与光学器件中心的距离。

对于功能为反射成像的光学器件来说，其相位分布公式是：

其中，λ为工作波长，f为焦距，r为光学器件表面上某个位置与光学器件中心的距离。

透射成像和反射成像的相位分布公式没有区别，这两种光学器件在设计上的区别在于，透射成像的光学器件的无序功能基元和衬底的介质层的材料在工作波段内高透过率的材料，透射成像的相位是电磁波经无序功能基元和衬底透射后的相位；而反射成像的光学器件除了包含材料为在工作波段内高透过率的材料的无序功能基元和衬底的介质层，还包含衬底的金属反射层，反射成像的相位是电磁波经无序功能基元和介质层后、到达金属反射层被反射、再通过介质层和无序功能基元后的相位。

对于功能为光束偏折的光学器件来说，其相位分布公式是：

相位分布公式为

其中λ为工作波长，θ为偏折角，r为光学器件上某个位置与光学器件中心的距离。

分光的工作原理为将波长为λ₁的电磁波偏折到角度θ₁，将波长为λ₂的电磁波偏折到角度θ₂，从而实现不同波长的电磁波在空间上的分离，因此分光的相位分布公式为(即相位要同时满足以下两式)：

和

其中λ₁和λ₂为工作波长，θ₁和θ₂为偏折角，r为光学器件上某个位置与光学器件中心的距离。

其中，单个功能基元的内部结构根据光学器件的相位分布在其所在位置处的相位，来使得光学器件中所分布的各功能基元的内部结构根据光学器件的相位分布确定。

光学器件中所分布的各功能基元的内部结构根据光学器件的相位分布确定，具体包括以下步骤：

步骤S1：建立功能基元的多种不同的内部结构；

其中，所建立的多种不同的内部结构的功能基元需要满足上文所述的功能基元的边界尺寸和内部结构的尺寸的要求。

功能基元的多种不同的内部结构通过不同的参数组来表示，例如对于无序二维码功能基元来说，可以将其表示为数量为柱状结构的可能位置总数的多个参数，且每个参数分别用0和1表示此位置是否存在柱状结构。

步骤S2：通过电磁仿真获得各种不同的内部结构的功能基元的振幅和相位，从中筛选出振幅基本相同的多个功能基元，将其内部结构与相位的一一对应关系作为参数空间；

步骤S3：根据光学器件的相位分布公式在每个功能基元所在位置的相位，去匹配到参数空间，从而确定每个功能基元所在位置的该功能基元的内部结构。

同上，由于限定了振幅一致，此处不再考虑复振幅，而考虑相位。在所述步骤S3中，根据各相邻功能基元中心之间的距离确定各功能基元的中心在光学器件的位置坐标，即可确定各功能基元的中心所在的光学器件上某个位置到光学器件的中心距离r，将r代入上述相位分布公式中即可确定所需的相位分布公式在每个功能基元所在位置的相位，匹配到功能基元的参数空间中即可确定该位置的功能基元的构型参数。

由此，本发明的无序功能基元构型的光学器件可适用于从紫外、可见光、近红外到短波红外、中波红外、长波红外和太赫兹等各波段。在不同的波段下，功能基元的尺寸需要相应调整，如前所述，功能基元的边界尺寸P为λ/2至2λ范围，其中λ是工作波长，随着适用的波长λ改变，功能基元的边界尺寸P相应改变。相应地，随着功能基元的边界尺寸P改变，构成无序二维码功能基元的柱状结构的尺寸也相应改变，如前所述，柱状结构尺寸在P/30至P/3范围；构成无序微扰型功能基元的规则结构和小尺寸无序结构的尺寸也相应改变，如前所述，规则结构尺寸在0.1P至0.9P范围，小尺寸无序结构的尺寸与规则结构的尺寸比值在1/100至1/5范围。

实验结果：

以下以中红外波段的无序功能基元构型的光学器件为例对其功能基元的内部结构和效果进行阐述。

本发明实施例中的无序功能基元构型的光学器件为基于无序二维码功能基元的光学成像透镜，其功能为透射成像，直径为100μm，焦距为200μm，工作波段为中波红外波段4.0-4.6μm，其功能基元的边界尺寸P为2.6μm，其无序二维码结构高度H为3μm，其材料为在中波红外具有高透过率的硅。所述无序功能基元构型的光学器件的整体结构示意图如图1、图2所示，其无序二维码功能基元的构型示意图如图3所示。

所述无序功能基元构型的光学器件的设计步骤为：首先，随机生成由0和1组成的二维矩阵对应无序二维码功能基元中的结构参数，其中1代表有柱状结构，0代表空气。而后，对不同结构参数的功能基元采用基于时域有限差分算法的电磁仿真手段进行计算，得到各个结构参数对应的相位和振幅。由此，基于时域有限差分算法的电磁仿真手段，建立包含1000组不同构型的无序二维码功能基元的参数空间，即4.0-4.6μm波段内不同波长的电磁波经1000组无序二维码功能基元后的相位、振幅与结构参数的一一对应关系。而后根据透射成像要求确定光学器件的相位分布。最后将该相位分布与无序二维码功能基元的参数空间进行匹配，进而确定光学器件上所分布的各无序二维码功能基元的结构参数。

对所述无序功能基元构型的光学器件的宽频成像能力进行仿真验证。波长4.0-4.6μm的电磁波经无序功能基元构型的光学器件聚焦后，沿光轴传播方向的场分布图如图4A-图4G所示，在焦距200μm的设计焦平面上的场分布图如图5A-图5G所示。其中，图4A-图4G分别示出了不同波长下的情况，图5A-图5G分别示出了不同波长下的情况

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书和说明书内容所做的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽叙述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种无序功能基元构型的光学器件，其特征在于，包括沿电磁波传播方向依次设置的衬底和无序功能基元的非周期微纳结构阵列，所述衬底的表面为平面或曲面，无序功能基元的非周期微纳结构阵列是多个具有无序的内部结构的功能基元在平面或曲面上非周期分布而形成的微纳结构阵列；光学器件中所分布的各功能基元的内部结构根据光学器件的相位分布确定；

所述功能基元包括：

无序二维码功能基元，其内部结构由数量不等的规则的柱状结构在超表面一个功能基元内无序分布而成；和/或

无序微扰型功能基元，其内部结构由规则结构及与规则结构紧邻的数量不等、尺寸不等、形状随机的小尺寸无序结构共同组成，小尺寸无序结构的尺寸与规则结构的尺寸的比值在1/100至1/5的范围；

所述功能基元的边界尺寸为λ/2至2λ，其中λ是光学器件的工作波长；多种功能基元的振幅基本相同且具有不同的内部结构，每一种内部结构的功能基元与工作波段内的一个相位对应；多种功能基元之间的相互作用是无序的、随机的，各功能基元间的相互作用由于随机性可以抵消，从而避免强耦合。

2.根据权利要求1所述的无序功能基元构型的光学器件，其特征在于，对于无序二维码功能基元，柱状结构的尺寸与功能基元的边界尺寸的比值在1/30至1/3的范围，且柱状结构为圆柱、椭圆柱、方柱或长方柱。

3.根据权利要求1所述的无序功能基元构型的光学器件，其特征在于，对于无序微扰型功能基元，规则结构的尺寸与功能基元的边界尺寸的比值在0.1至0.9的范围，所述规则结构是柱状结构、锥状结构或台状结构，且柱状结构为圆柱、椭圆柱、方柱或长方柱。

4.根据权利要求1所述的无序功能基元构型的光学器件，其特征在于，所述功能基元的边界形状是规则的方形、三角形、六边形，或者其它曲线构成的闭合区域。

5.根据权利要求1所述的无序功能基元构型的光学器件，其特征在于，相邻的功能基元的中心之间的距离全部相同，全部不同，或者部分相同部分不同。

6.根据权利要求1所述的无序功能基元构型的光学器件，其特征在于，所述衬底包括介质层，功能基元和衬底的介质层的材料相同。

7.根据权利要求6所述的无序功能基元构型的光学器件，其特征在于，所述功能基元和衬底的介质层的材料包括石英、硅、锗、氮化镓、氮化硅、氧化铝、硒化锌、硫化锌、氟化钙、氟化镁、氟化钡、氟化锂、砷化镓、高阻硅、聚甲基戊烯、聚乙烯和聚四氟乙烯的至少一种。

8.根据权利要求6所述的无序功能基元构型的光学器件，其特征在于，所述衬底还包括金属反射层，或者功能基元的材料具备偏振选择性。

9.根据权利要求1所述的无序功能基元构型的光学器件，其特征在于，光学器件中所分布的各功能基元的内部结构根据光学器件的相位分布确定，具体包括：

步骤S1：建立功能基元的多种不同的内部结构；

步骤S2：通过电磁仿真获得各种不同的内部结构的功能基元的振幅和相位，从中筛选出振幅基本相同的多个功能基元，将其内部结构与相位的一一对应关系作为参数空间；

步骤S3：根据光学器件的相位分布公式在每个功能基元所在位置的相位，去匹配到参数空间，从而确定每个功能基元所在位置的该功能基元的内部结构；其中，光学器件的相位分布根据光学器件的功能要求来确定。

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