[发明专利]超表面、超表面设计方法和器件

说明书

本发明涉及一种超表面、超表面设计方法和器件。该超表面包括：基底和单层电介质纳米结构，其中，单层电介质纳米结构置于基底之上；单层电介质纳米结构为各向异性结构，其中，单层电介质纳米结构的尺寸为亚波长尺度，单层电介质纳米结构的方位角为单层电介质纳米结构的长轴与X轴之间的夹角。通过本发明，解决了相关技术中现有超表面设计方案中存在的大部分器件无法实现对光场振幅、相位以及偏振态同时且独立调控，以及多通道调控的问题，达到了在两个通道上对光场振幅、相位以及偏振态进行同时且独立的调控，有效扩展了光场可调控维度，提高了可编码信息容量的技术效果。

技术领域

本发明涉及微纳光学技术领域，尤其涉及一种超表面、超表面设计方法和器件。

背景技术

超表面作为一种人工二维材料，能够在亚波长尺度上对光场的振幅、相位和偏振等参量进行灵活调控，具有尺寸小、重量轻、易加工等优势，现已被广泛应用于光学的各个领域，如微纳光学元件、特殊光场生成、全息显示与成像、信息存储、光通讯等。

随着相关研究的发展，采用超表面进行光场单个参量的调控研究日臻成熟，此类超表面器件逐渐暴露出功能单一，应用受限等缺点。因此，研究者们陆续开发出振幅-相位、偏振-相位、频率-振幅等双参量调控方案，有效地扩展了超表面的应用范围。但是能够实现振幅、相位及偏振同时独立调控的超表面器件却有待发展，由于在改变纳米结构的几何尺寸时这几个光场参量是相互关联的，因此实现对其同时且独立的调控总伴随着复杂的设计、繁琐的制造和庞大的光学再现装置。此外，大多数超表面器件仅能产出一束有效的调制光束，阻碍了超表面在复用技术中的应用。

针对目前相关技术中现有超表面设计方案中存在的大部分器件无法实现对光场振幅、相位以及偏振态同时且独立调控，以及多通道调控问题，目前尚未得到有效的解决。

发明内容

本发明实施例提供了一种超表面、超表面设计方法和器件，以至少解决相关技术中现有超表面设计方案中存在的大部分器件无法实现对光场振幅、相位以及偏振态同时且独立调控，以及多通道调控的问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种超表面，包括：基底和单层电介质纳米结构，其中，单层电介质纳米结构置于基底之上；单层电介质纳米结构为各向异性结构，其中，单层电介质纳米结构的尺寸为亚波长尺度，单层电介质纳米结构的方位角为单层电介质纳米结构的长轴与X轴之间的夹角。

可选的，单层电介质纳米结构的琼斯矩阵为其中T_l，T_s，分别为单层电介质纳米结构沿长轴与短轴方向上的透射率和相位调制量。

进一步地，可选的，单层电介质纳米结构在长轴与短轴方向上具有相同的透射率系数，其中，T_l＝T_s＝T；单层电介质纳米结构在长轴与短轴方向上的相位延迟量为π，即单层电介质纳米结构在线偏振入射条件下对线偏振入射光的正交圆偏振分量的作用表示为：当琼斯矢量为[1 0]^T的线偏振光通过方位角为θ的单层电介质纳米结构时，出射光的琼斯矢量为：

其中，为传输相位，式(1)式，用于指示单层电介质纳米结构会对右旋圆偏振分量[1 -i]^T和左旋圆偏振分量[1 i]^T分别施加两种独立的相位调制作用，其中，表示为表示为

单层电介质纳米结构的方位角与长轴和短轴相位调制量满足：

可选的，单层电介质纳米结构以2×2的正方形晶格形式组成宏像素；宏像素中正对角线上两个纳米结构命名为C₁和C₂，反对角线上两个纳米结构命名为C₃和C₄；宏像素中的C₁和C₂作用于通道一，纳米结构C₃和C₄作用于通道二。