[发明专利]基于位置调节实现单元结构相位匹配的超构表面设计方法

说明书

本发明公开了一种基于位置调节实现单元结构相位匹配的超构表面设计方法，建立单元结构数据库；然后确定超透镜阵列中每个单元结构的位置坐标，计算每个位置坐标处的理论相位值，根据理论相位值从数据库中依次选择出最接近的单元结构；判断单元结构提供的实际传输相位数据与理论相位值之间的差值是否小于预定值，若小于，则将此单元结构放置于相对应的位置坐标处，若否，则不断移动单元结构的中心位置，并根据移动后的坐标位置计算出相应的理论相位值，重新在数据库中寻找与理论相位最接近的实际传输相位值，直到理论相位值与单元结构提供的实际传输相位值之间的差值小于预定值时，停止移动，提高了单元结构的透射率，减小了聚焦超透镜存在的球差。

技术领域

本发明属于超构表面的技术领域，具体涉及一种基于位置调节实现单元结构相位匹配的超构表面结构设计方法

背景技术

超表面是一种二维超材料，它利用周期性或非周期性排列的亚波长单元结构变化调控光场的振幅、相位和偏振等参量，从而任意塑造光波面，改变光的传输方向，影响光的偏振态。

其中相位是电磁波的关键属性之一，超表面通过对相位进行调控，可以实现多种功能，超构透镜是超表面结构在发展历程中的一个重要应用。传统透镜主要通过结构本身外形以及对组成材料的折射率进行设计，积累相位变化以改变光波传播的光程，实现光场调节的效果。这种设计方法在制作时可能会造成阻抗失配等问题，此外传统透镜体积庞大，不易于集成。与传统透镜不同，超构透镜通过提供相位突变实现对电磁波的调控，且具有亚波长或波长级别的厚度，能够集成到紧凑的器件中。

对于单个球面透镜，由于透镜中心和边缘对电磁波的会聚能力不同，平行光经过不同透镜孔径时聚焦位置不同，在像面上形成弥散斑，这一成像缺陷称为球差。通过设计不同结构的超构透镜，可以保证正入射光完美会聚在焦点位置，从而实现消球差的聚焦功能。在传统周期性分布的超构透镜设计过程中，由于某一位置放置的介质结构实际改变的相位与设计透镜时该位置理论上要求改变的相位之间存在误差，即两者间的相位匹配不够好，从而导致所设计的超构透镜性能变差。例如，对于一个聚焦超构透镜，这种相位差会使得透镜出现很大的球差。

关于超构透镜相差分析和矫正的研究在众多领域具有重要意义。2016年，Khorasaninejad等人利用基于贝里相位原理的TiO2纳米天线实现了对圆偏振光的偏振转换和相位调控，该研究实现了焦距为90μm、数值孔径NA高达0.8的会聚透镜功能。该透镜在405nm、532nm和660nm 3种波长下的聚焦效率分别可达到86％、73％和66％。实验结果表明：该超表面透镜设计能够提供可见光波段任意波长下的衍射受限聚焦。

2020年Fan等人提出一种工作在波长532nm处的超广角和高效率超透镜，其单元结构呈六角形排列，文中只是利用粒子群优化算法寻找最合适的六边形排列的纳米结构，没有考虑离散化的单元相位替代理想相位产生的相位差。除此之外，在申请公开号为CN109196387A的专利申请文件中，利用全介质超表面在可见光波段实现的近衍射极限聚焦，但是不同波长下的焦距沿轴向有较大漂移，成像效果严重受到色散的制约。

2021年xie等人利用基于传输相位的介质超表面产生了完美涡旋光束，在此论文中明确提及了每个纳米柱的实际相位和理论相位之间的相位差控制在3.5°以内。以上的研究工作中，没有对利用纳米柱提供的相位代替理论相位之后产生的相位差进行处理，因此优化超透镜实际提供的相位分布与理论相位分布之间的相位差是十分值得研究的。

由此可见，超表面的应用非常广泛，在将来的集成光学方面具有重要的前景。纳米柱产生的相位和理论相位之间的差别会直接影响超表面结构的性能，对其展开研究具有非常重要的意义。但是，目前在国内外没有看到研究并解决这个问题的相关报道。本工作具有非常重要的作用，且具有首创新的特性，特此进行专利申请。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于位置调节实现单元结构相位匹配的超构表面设计方法。

具体方案如下：